自寻迷宫小车2.docx

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自寻迷宫小车2

基于MSP430的自寻迷宫小车

设计与实现

指导教师：

赵建教授

小组成员：

姓名:

刘江南（2005级）

姓名:

虞敬璠（2005级）

西安电子科技大学机电工程学院测控技术与仪器专业

2008年10月15日

摘要：

本作品基于自主反应式智能系统原理，以16位单片机芯片MSP430F149为核心,通过多传感器融合技术对小车的运行状态进行实时调控，运用MSP430丰富的片内资源产生PWM、PPM波等电机和舵机控制信号，最终实现自主探路、判断及选择正确的行进路线的功能。

实践表明该智能车系统具有外型美观、结构统一、扩展功能多等特点,根据不同的需求可以应用于多种工业控制现场中，还是小朋友心仪的玩具。

关键字：

MSP430传感器迷宫PPMPWM迭代算法

Abstract:

ThisintelligentvehiclebasedonIndependence’srespondingtypeintelligencesystem,withthecoreof16bitmicrocomputerchipMSP430F149.Throughthemultisensorfusiontechnologyfortheoperationstatusofcarreal-timecontrol,andusingofrichresourcesofMSP430togetthemotorandsteeringcontrolsignalssuchasPWMandPPMwaves,finallyachievethefunctionofdetectingroute,judgmentandchoosingthecorrectroutebyitself.Practiceshowsthattheintelligentvehiclesystemhasthefunctionsuchasgoodappearance,uniformstructure,generousextendedfunction,etc.Accordingtothedifferentcharacteristicsoftherequirementscanbeappliedtomanyoftheindustrialcontrol,itisalsothechildren'sfavoritetoys.

KeyWord:

MSP430SensorMazePPMPWMIterativealgorithm

目录

1作品简介.......................................................2

2方案设计.......................................................2

3系统实现.......................................................4

3.1硬件设计..................................................4

3.2软件设计..................................................6

4作品性能测试与分析..............................................8

5附录…………………………………………………………………………….8

1.作品简介

该自寻迷宫小车采用TI公司的16位单片机MSP430F149作为主控芯片，基本构架由“创意之星”套件所提供的结构件拼接组装而成，只使用一种传感器（2个红外传感器）实现自寻迷宫的功能,结构统一，外形美观.小车采用四轮驱动，通过430单片机中定时器的PWM发生器产生4路占空比可变的方波，经电机驱动芯片L298N（两片）驱动四个电机，不仅可以控制电机的正反转，而且可以调节小车向前和向后运动的速度。

每个轮子配套一个数字化舵机，通过单片机定时器软件产生的PPM波控制其在0～180°方向内实现任意角度转向，方便小车在路口处转向。

两只反射式红外传感器成135°安装在舵机上并固定在小车上方,实现180°的检测，以不断的躲避障碍并寻找出口,这样安装美观且可以在转弯是容易检测前面的障碍物位置

图1.系统原理框图

整个系统可以划分为信号检测部分以及小车控制部分信号检测部分主要是红外检测装置;小车控制部分包括电机驱动模块，舵机驱动模块，行进状态标志模块，控制器模块等。

2．方案设计

2．1理论分析

自寻迷宫小车的设计思路和实现过程包括小车的机械结构、硬件电路、软件算法、调试方法等。

在机械结构上，将“创意之星”套件所提供的结构件进行拼接，组装出舵机和电机的动力关节；利用反射式红外传感器来检测障碍物的位置，以实现避障。

对于走迷宫小车控制系统设计主要有三个方面：

一、控制电路设计；二、传感器选择以及安放位置设计；三、程序设计。

从总的方面来考虑，传感器的使用数量应该尽量少以减少单片机的信号处理量，但是又必须能使小车行驶自如。

控制电路要根据选用的电机、舵机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。

2．2主控芯片的选型

本系统的核心器件采用的是TI公司的MSP430系列单片机,它特别适合应用在各种要求极低功率消耗的场所。

同时,该系列单片机将大量的外围模块整合到片内,特别适合于设计片上系统,且有不同型号的器件可供选择,给设计者带来很大的灵活性。

其特点包括:

（1）低供电电压范围1.8V～3.6V,在1MHz时钟条件下工作电流为0.1μA～400μA,有5种低功耗超低电流消耗模式,可使用电池供电,在液晶显示时也能达到0.8μA的低电源消耗。

当系统处于省电模式时，用中断请求将它唤醒只用6us；

（2）有丰富的片上外围模块,最多8路12位A/D转换,48个I/O端口,两个UART看门狗,两个内置16位定时器,可在线仿真的FLASH内存,7路PWM输出,LCD驱动等；（3）多种时钟模块。

MSP430单片机有三种时钟源可以选择提供给ACLK、SMCLK、MCLK。

整个时钟配置可以通过DCOCTL、BCSCTL1、BCSCTL2和SR等控制寄存器中相应的位来选择和控制,以满足用户对系统的要求；（4）强大的处理能力；采用了精简指令集结构。

具有丰富的寻址方式和高效的查表处理指令，这些特点使得我们可编制出高效率的源程序。

MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

（5）MSP430单片机拥有方便高效的集成开发环境，这种方式只需要一台PC机和一个JTAG调试器，而不需要专用仿真器和编程器；（6）系统工作稳定。

上电复位后，首先由DCOCLK启动CPU，保证了程序从正确的位置开始执行。

如果晶体振荡器在用做CPU时钟MCLK时发生故障，DCO会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

MSP430F149具有48个IO口，两个16位定时器，其中TIMERA有3路PWM控制器,TIMERB有8路PWM控制器。

小车用到定时器TIMERA和24个I/O口，其中：

TIMERA用于产生精确的周期为20ms的舵机控制信号，IO口用于:

电机控制口（8个），舵机控制口（8个）、光电开关传感器输入口（2个），碰撞开关传感器输入口（2个），JTAG占用4个I/O口。

综合分析得到，MSP430单片机更适合于低功耗、高速实时控制以及数据计算，它拥有更多的片上资源供设计使用，因此我们选择了MSP430F149单片机。

3．系统实现

3．1硬件设计

1．处理器电路

小车采用一片MSP430F149作为控制器。

它具有48个IO口，两个16位定时器，其中TIMERA有3路PWM控制器,TIMERB有8路PWM控制器。

本小车系统采用高频的4MHz晶振作为主时钟用，用到定时器TIMERA和24个I/O口，其中：

TIMERA用于产生精确的周期为20ms的舵机控制信号，IO口用于电机控制口（8个），舵机控制口（8个）、光电开关传感器输入口（2个），碰撞开关传感器输入口（2个），JTAG占用4个I/O口。

并且还有24个引脚未用到，将来还可以扩展其它功能。

在做PCB板时已将这些引脚引出，可以直接使用。

TIMERA的时钟选用SMCLK,4分频，用增计数模式来产生周期为20ms的PWM波。

其工作原理如下图：

2．电机驱动电路

此部分是整个小车运行的核心部件，考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，这里采用电机驱动芯片L298N进行驱动，其工作原理如图所示：

芯片上的ENA与ENB为高电平时有效，只有当ENA与ENB为高电平时，电机才旋转，否则电机不转，这里的电平指的是TTL电平。

ENA为IN1和IN2的使能端，ENB为IN3和IN4的使能端。

当ENA=1，IN1=1INT2=0时电机1正转，ENA=1，IN1=0IN2=1电机1反转。

同理，当ENB=1，IN1=3INT4=0电机2正转，ENB=1，IN3=0IN4=1电机2反转。

OUT1、OUT2接电机1，OUT3、OUT4接电机2。

VSS接直流电源，注意正负，电源正端为VCC，电源负端为GND。

电机的控制采取PWM调速法，即由单片机的定时器输出一系列频率固定的方波，通过L298N芯片的ENA和ENB来实现电机调速。

在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。

3．舵机驱动电路

舵机采用周期为20ms的脉宽位置调制（PPM）信号控制，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms。

20ms的PPM信号通过定时器A的中断精确产生，每次中断将一路舵机的脉冲电平置高，而将其余的各路置低，依次产生8路舵机的控制信号，在最后如果8路舵机高电平持续时间不够20ms,则需补充够20ms时间为止。

因为舵机需要一定的电流才能驱动，而单片机的IO口输出的电流很小，因此需要再增加一个三极管来进行扩流，具体电路如下所示：

3．2软件设计

3．2．1软件设计流程图

小车行走方式:

小车判断路口和转弯都采用先判断后动作的方式。

光电开关传感器安装在舵机上，小车在行走过程中舵机不断在45°和135°上旋转，从而实现了光电开关的采样，此举用两个传感器代替了四个使用。

小车在行走的过程中若发现左侧有出口，则无论前和右是否可通，小车都会左转90°，转向后小车停止段时间,舵机在75°和105°之间转动,2个红外传感器判断小车转向是否正确,且前面是否还有障碍物,没有继续前行判断,有则小车进行微小的角度调节；若左边有障碍物而前方没有时，则朝前方走；若前面有障碍物，就判断左右两边是否有障碍物，若都没有或只有左边没有，就左转90°；若只有右边没有则右转90°，转向后小车依然停止段时间,舵机在75°和105°之间转动,红外传感器检测障碍物,然后继续前行判断；若两边都有则转向180°.

3．2．2关键软件技术

PPM波的产生

（1）软件产生PPM波：

软件延迟产生PPM波，必须使用定时中断（设置周期为20ms），这里我们采用F149片内的定时器B产生定时中断。

F149的定时器B有7个捕获/比较寄存器，分别为CCR0～CCR7，我们让定时器工作于增计数方式，则当由语句“TBCTL|=MC_1”启动计数器后，计数单元TBR从0开始增计数，计到CCRx后，相应中断标志置位，如果中断允许，则会转去执行中断子程序，则我们可以在CCRx的中断子程序中添加相关代码，实现PPM波的输出，在此我们也可以用两个定时中断来产生PPM波输出，程序如下：

#pragmavector=TIMERB0_VECTOR//TBCCR0的中断向量

__interruptvoidTimerB_CCR0（void）//TBCCR0的中断子程序

{P4OUT|=BIT0;//P4_0输出高电平，对应PPM波脉冲的上升沿

｝

#pragmavector=TIMERB1_VECTOR//TBCCR1的中断向量

__interruptvoidTimerB_CCR1（void）//TBCCR1的中断子程序

{switch（TBIV）

{//因为中断向量TIMERB1_VECTOR为多源中断，因此应访问一下其中断标志//寄存器，从而将中断标志复位

case2:

P4OUT&=~BIT0;//P4_0输出低电平，对应PPM波脉冲的下降沿

｝

｝

以上这段代码中CCR1的计数值对应了PPM波的脉冲宽度，比如要产生脉冲宽度为1.5ms的PPM波，则应赋给CCR1的值为1.5×32768/1000，约为49。

这种方法可以很方便地算出PPM波周期和脉宽对应的计数器计数值。

（2）由PWM发生器产生PPM波；F149的定时器A和定时器B加起来一共有10个捕获/比较寄存器。

对应有10个PWM波发生器。

其中CCR0对应的PWM发生器输出为估定的占空比为0或100％。

因此实际上PWM占空比可调的为8个。

让计数器工作于增计数方式，捕获/比较寄存器CCR1的输出为方式7，即复位/置位方式。

当由语句“TBCTL|=MC_1”启动计数器后，计数单元TBR从0开始增计数，当计到CCR1时会将相应I/O口输出复位，继续计数到CCR0时，会将输出置位，通过设置好寄存器的值，期望脉宽和周期的PWM波则会自动从相应引脚输出，由于定时器的工作是独立的，这样就不会占用CPU的工作时间，CPU可完全被释放出来用于其他工作，或者可进入低功耗模式以减低系统的功耗。

4.作品性能测试与分析

经过在实验室搭建的迷宫内的测试，现在小车已经能够独立的完成自寻迷宫的功能了。

虽然在特殊情况下它还会出现一些误动，但在其辨别路线、转向和调向上小车都已达到了所要求的准确度，所以其还是能给人一种比较完美的感觉。

在实际操作中,发现一些不足之处还有待于解决,例如小车转向的准确度受电池电量的影响很大,当电池电量低时,转不到预计的角度,从而给小车红外的判断带来一定的难度,影响小车运行的效果.

总得来说，本系统无论在硬件方面还是软件方面都具有了一定的先进性，其动作精度高误动作极少，可以胜任平时的教学学习和工业现场实践之用。

5.附录

附录1作品实物图

附录2电路板实物图