简易智能小车
摘要：本系统基于自动控制原理，以MSP430为控制核心，用红外传感器、光敏三极管、霍尔传感器、接近开关之间相互配合，实现了小车的智能化，小车完成了自动寻迹、避障、寻光入库、计时、铁片检测、行程测量的功能。本系统采用液晶LCD12864显示数据，良好的人机交流界面，显示小车行程的时间、铁片中心线离起始线的距离和铁片的个数。整个系统控制灵活，反应灵敏。
关键词：MSP430 传感器LCD12864
目录
一、方案论证与比较 (3)
1、题目任务要求及相关指标的分析 (3)
2、方案的比较与选择 (3)
（1）控制单元的选择 (3)
（2）直流电机驱动电路的选择 (3)
（3）轨迹探测模块选择 (3)
（4）金属片的探测 (3)
（5）路程测量方案的选择 (4)
（6）避障方案的选择 (4)
（7）小车寻光方案的选择 (4)
（8）电源的选择 (4)
（9）刹车机构功能方案比较 (5)
二、系统总体设计方案及实现方框图 (5)
1、系统总体设计方案 (5)
2、系统实现框图 (5)
三、理论分析与计算 (5)
1、铁片中心线距离的测量 (5)
2、小车行程时间的测量 (5)
四、主要功能电路设计 (6)
1、小车循迹模块 (6)
2、小车检测铁片模块 (6)
3、小车测距模块 (6)
4、小车避障模块 (6)
5、小车寻光模块 (6)
6、直流电机驱动模块 (7)
五、系统软件的设计 (8)
六、测试量数据与分析 (8)
1、测量数据 (8)
2、数据分析 (8)
参考文献 (8)
一、方案论证与比较
1.题目任务要求及相关指标的分析
题目要求小车按照规定的跑道行驶，同时检测在跑道下的铁片，在检测到最后一块铁片时小车会有连续的声光显示；后又可以准确的避开障碍，而且不与障碍物接触；最后，在光源的引导下，进入车库。智能小车有显示功能，可以显示检测到铁片的数量，金属片距起点的距离，行驶的总时间。整个行驶过程中的总时间不大于90秒，小车在行驶90秒后会自动停车。
2. 方案的比较与选择
（1）控制单元的选择
方案一：利用单片机与FPGA配合使用。基于FPGA I/O口数量多以及运算速度快的特点，对各种传感器得到的信号进行处理，将处理结果交予单片机，从而由单片机控制小车的行驶。
方案二：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比较器、产生PWM控制信号，掉电可以继续复位工作等功能。此外，MSP430有众多的I/O口，可以很好的实现对小车的控制。
由于FPGA太大，不宜装在小车上，并且FPGA不好供电。题目对小车的实时性要求不是很高，所以我们所需要的控制单元不必要具备很高的运算速度，故两种方案都可以很好的实现题目的要求。出于对成本和功耗的考虑，我们采用方案二。
（2）直流电机驱动电路的选择
方案一：采用H型桥式驱动电路。直流电机驱动使用最广泛的是H型桥式驱动电路，这种电机可以很方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。但是使用时需要注意直通短路，这给电路带来了不稳定因素。
方案二：利用驱动专用芯片L298。L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动电流可达到4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好。
经过比较，一块L298可以驱动两个电机，大大简化了驱动电路，所以我们采用方案二。
（3）轨迹探测模块选择
方案一：采用红外对管检测。一般自然光线中红外线频段能量较弱，而且红外线波长较长，近距离衰减小，这样在一定程度上能避免外界光源干扰，可以更为可靠的探测近距离的黑线。
方案二：采用光敏电阻检测。光敏电阻对光强敏感，当光强时其电阻较小。黑线和白纸对光的反射能力不同，所以可以利用这一性质，判断黑线的位置。
在车下面，光强较弱，会在一定程度上影响光敏电阻的功能，并且还有钨丝灯对光敏电阻的影响，不同的地方光强不一样。另外，光敏电阻对光强有一定的反应时间，实时性不如红外对管，难以达到小车循迹的要求，所以我们选择方案一。
（4）金属片的探测
方案一：采用分立的霍尔元件。霍尔元件在接近金属时，由于其电磁效应，会产生脉冲信号。然而，它产生的脉冲信号不是十分稳定，不便于信号的处理。
方案二：采用工业用的集成金属检测元件——接近开关。当其接近金属片时可以产生很稳定的脉冲信号。
当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。变化非常灵敏，接近开关完全能满足要求，最后我们采用方案二。
（5）路程测量方案的选择
方案一：采用红外发射—接收对管。在车轮涂有黑白两种颜色，红外发射—接收对管对准不同的颜色时会得到高低不同的脉冲电平，进而得到车轮所转圈数。电动车在行驶过程中车轮所转的圈数，再乘以车轮的周长便可得到小车行驶的路程。
方案二：采用霍尔传感器。霍尔传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置。辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，累计开关信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。
方案三：采用接近开关。在车轮上安装铁片。当其接近金属片时可以产生很稳定的脉冲信号。当检测到金属的时候输出为低电平，没有检测到金属的时候为高电平。累计脉冲信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。
考虑到安装传感器的部位在车轮处，此处较弱的光强会影响对管的工作，使得方案一在测量时会受到较大的影响。由于接近开关过大，不好装在车轮上，固方案三不可取。而霍尔传感器受到的影响这较小，故方案二可以实现较精确的测量。所以我们选择方案二。
（6）避障方案的选择
方案一：采用超声波探测。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中，适合于距离测量，且不易受光线干扰。利用超声探头，可以确定前方是否有障碍物以及障碍物和小车的距离，将数据送与430处理，可以确定小车避障的具体路线，但其电路比较复杂。
方案二：采用反射式红外探测。其测量的距离为15~20cm，完全可以满足要求。
方案二电路简单，程序也简单，所以我们采用方案二。
（7）小车寻光方案的选择
方案一：采用被动式红外探测器。被动式红外探测器部有接收红外光的光敏三极管，可以接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测方法利用日光灯发热产生的较强的红外光来检测光源，在能检测到和不能检测到光源的临界点，光敏三极管的射极输出电压有一个较大的跃变，便于后级处理。
方案二：采用光敏三极管。光敏三极管的阻值可以随着光强的变化而变化。因此，可以将其与一定值电阻串联分压，利用430带有的AD转换功能，通过比较光敏三极管上电压大小，比较出哪边的光强较强。
方案三：采用光敏电阻，其方法和光敏三极管一样。
被动式红外探测器在变化的光源下输出的是一个跃变，故只有两种状态，
不适合小车的寻光。然而，光敏三极管可以连续的变化，可以比较三个及三个以上方向的光强大小，更合适小车的寻光。于是我们选择方案二。
（8）电源的选择
方案一：采用单电源供电。此方案供电方式简单，电路很容易实现。但是直流电机需要很大的电流驱动，会造成电源电压的不稳定，且会产生毛刺，严重时可能会使430掉电。
方案二：采用双电源供电。给直流电机单独用一个电源供电。这样可以有效的避免直流电机对其他电路的干扰。
综上述：我们采用方案二。
（9）刹车机构功能方案比较
方案一、自然减速式。当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8 秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。
方案二、反转式。当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为0.5s。
经过反复测试和讨论，我们采用方案二。
二、系统总体设计方案及实现方框图
1、系统总体设计方案
本系统以MSP430为控制核心，对各个传感器所得到的数据进行处理。用红外对管检测黑线和白纸，接近开关检测铁片，红外避障，光敏三极管检测光源的方向，霍尔元件测量小车的行驶距离；再由MSP430控制小车的行驶方向、声光警报、LCD显示。当小车完成所有运动之后显示小车行程的时间、铁片中心线离起始线的距离和铁片的个数。
2、系统实现框图
MSP430(1)MSP430(2)霍尔传感器LCD
PWM
L298驱动模块前轮直流电机
后轮直流电机红外传感器
接近开关光敏三极管
声光报警
三、 理论分析与计算
1、铁片中心线距离的测量
我们在车轮上装了八个磁片，小车的行程即为小车轮子所转过的长度，通过
霍尔传感器可以记得小车所转过的圈数N ，再测得小车轮子周长L 。当接近开关
进入铁片的时候，测量出铁片一端距离起始线的距离X=L*N 1/8，当接近开关出
铁片的时候，测量出铁片另一端距离起始线的距离Y=L*N 2/8。所以得到铁片中
心线到起始线的距离为S=(X+Y)/2 。两次测量铁片测量的方法都是一样的。
2、小车行程时间的测量
在主程序之前加一个延时，小车调整好之后才开始起步，当电机启动的时候
开启计时器，当寻光停止的时候关闭计时器，MSP430再将行程的时间送到液晶
显示出来，这样得到的时间比较准确。
四、 主要功能电路设计
1、 小车循迹模块
我们采用红外对管是ST188为了
提高可以提高红外二极管的发射功
率，它与电源之间应串联一个小电
阻。晶体三极管导通时集电结和发
射结之间有一定的直流电阻，为了
使三极管导通时，输出的电压尽量
的小，应选择尽量大的集电极电阻。
输出的电压再经过LM311比较器， 当红外对管检测到黑线时，黑线将 图（2）st188电路图
红外线的大部分吸收，红外二极管不导通，光敏三极管处于截止状态，输出口输
出一个较高电压。当红外对管检测到白纸时，光敏三极管将导通，输出口将输出
一个较低的电压。
2、 小车检测铁片模块