1、1本科生畢業論文（設計）本科生畢業論文（設計）中文題目中文題目 小車的自動控制系統 英文題目英文題目 Smart car automatic control system 學生姓名學生姓名 班級班級 學號學號 學學 院院 通信工程學院 專專 業業 信息工程 指導教師指導教師 職稱職稱 2學士學位論文（設計）承諾書 本人鄭重承諾：所呈交的學士學位畢業論文（設計），是本人在指導教師的指導下，獨立進行實驗、設計、調研等工作基礎上取得的成果。除文中已經注明引用的內容外，本論文（設計）不包含任何其他個人或集體已經發表或撰寫的作品成果。對本人實驗或設計中做出重要貢獻的個人或集體，均已在文中以明確的方式注明

2、。本人完全意識到本承諾書的法律結果由本人承擔。 學士學位論文（設計）作者簽名： 年 月 日摘 要1摘摘 要要智能小車，也被稱為機器人小車，進一步發展為無人駕駛小車，是一個自動的車輛，它能夠滿足人類了傳統汽車的運輸能力，同時也承載了現代發達技術實現自動控制。作為智能汽車，它能夠感知其環境和導航，無需人工輸入。機器人小車主要作為原型存在，但很可能在不久的將來變得更加廣泛。本系統使用了小車作為模型，選用MSP430F169單片機為主控器，外部鏈接L298N型驅動芯片驅動，由高速電機配復試減速箱做動力驅動，靈活控制小車的前進與后退，完成自動控制的功能，利用直流電機完成小車監控運動系統的前進、后退、加速

3、、減速和轉彎等功能，實現精確定位的目的，再加上使用傳感器來實現超聲測距這個功能；使用紅外對管來完成小車自動尋跡的探測功能；使用光敏二極管來完成光敏測速的功能。再加上直流電機、單片機等器件的相互聯系，完成了小車的智能探測運動的功能，實現了躲避障礙、自動循軌、速度距離計算的功能。該系統以可靠的硬件設備和軟件設計為基礎，實現了小車在行進和檢測過和探測過程中的精確控制。整個系統的電路結構簡單，穩定性準確度強。關鍵詞 msp430單片機 傳感器 直流電機 光敏二極管ABSTRACT2ABSTRACTSmart car, also known as robotic cars, further develo

4、pment of driverless car is an automatic vehicle, it is able to satisfy human conventional automobile transport capacity, but also carries the modern advanced technology to achieve automatic control. As a smart car, it is able to perceive their environment and navigation, without human input. Mainly

5、exists as a prototype robot car, but it is likely in the near future to become more widespread.The system uses the car as a model, the choice of MSP430F169 microcontroller-based controller, external links L298N driver chip type driven by a high speed motor with gear box do retest powered, flexible c

6、ontrol the car forward and backward, complete automatic control functions, the use of DC motor complete motion system monitoring the car forward, backward, acceleration, deceleration and cornering capabilities, to achieve the purpose of precise positioning, coupled with the use of ultrasonic ranging

7、 sensors to achieve this function; using infrared tube to complete the car automatically tracing the detection function; using photosensitive speed photodiode to complete the function. Plus the DC motor, microcontroller and other devices interconnected to complete the car intelligent motion detectio

8、n function, to achieve obstacle avoidance, automatic tracking, speed, distance calculation function. The system is based on reliable hardware and software design based on realization of the car in the road and detect and precise control of the detection process. Simple circuit structure of the syste

9、m, stability, strength accuracy.Keywords Msp430 microcontroller Sensor DC motor Photodiode目 錄1目目 錄錄第一章第一章 背景和意義背景和意義.1 11.11.1 智能小車的背景智能小車的背景.11.21.2 課題研究的目的和意義課題研究的目的和意義.21.31.3 本設計的內容本設計的內容.3第二章第二章 方案設計與論證方案設計與論證.4 42.12.1 主控系統主控系統.42.22.2 循跡模塊循跡模塊.72.32.3 避障模塊避障模塊.82.42.4 超聲波測距的選擇與論證超聲波測距的選擇與論證.9

10、第三章第三章 硬件設計硬件設計.10103.13.1 自動尋跡自動尋跡.103.23.2 超聲測距超聲測距.113.33.3 光敏測速光敏測速.123.43.4 MSP430MSP430 單片機硬件結構及原理單片機硬件結構及原理 .123.53.5 最小應用系統設計最小應用系統設計.133.63.6 前向通道設計前向通道設計.163.73.7 后向通道設計后向通道設計.173.83.8 驅動電路驅動電路.193.93.9 信號檢測模塊信號檢測模塊.20第四章第四章 軟件設計軟件設計.23234.14.1 系統軟件設計說明系統軟件設計說明.234.24.2 軟件總體設計軟件總體設計.24結結 論

11、論.3131致致 謝謝.3232參參 考考 文文 獻獻.3333第一章 背景和意義1第一章第一章 背景和意義背景和意義1.1 智能小車的背景智能小車的背景隨著各個行業的生產技術不斷提高，如今人們已經把智能汽車技術廣泛應用，車輛的自動化已經在汽車生產公司，物流運輸公司等有所運用。智能車輛技術的研究和開發已經成為各大國家大學研究所等機構的研究重點。智能小車，也被稱為機器人汽車，進一步發展為無人駕駛或自駕車，是一個自動的車輛，它能夠滿足人類了傳統汽車的運輸能力，同時也承載了現代發達技術實現自動控制。作為智能汽車，它能夠感知其環境和導航，無需人工輸入。機器人汽車主要作為原型存在，但很可能在不久的將來變

12、得更加廣泛。智能車輛感知其周圍的雷達，激光雷達，GPS，計算機視覺等技術。先進的控制系統分析感官信息來識別相應的導航路徑，以及障礙和相關標牌。一些智能車基于感官輸入，更新他們的地圖，讓他們找到自己的方式，行駛于未知的環境。自 2000 年代后期，智能車輛技術已經有了顯著的進步。眾多大公司和研究機構的工作原型已經開發自主車型，包括谷歌、大陸汽車系統公司、博世、日產、豐田、奧迪和牛津大學。2011 年 6 月，內華達州通過一項法律，關于智能汽車的操作是第一個在美國管轄。內華達州法律 2012 年 3 月 1 日開始生效，并且于 2012 年 5 月，內華達州機動車輛管理部門發出的第一個智能車許可證

13、。智能車輛的優點：較少交通碰撞，由于一個自動控制系統的更高的可靠性，并減少了反應時間，相對于人力驅動更加準確速度。提高道路通行能力，減少交通擁堵，能夠根據需要減少安全缺口和能力，以更好地管理交通流量。導航系統，在例如救災車輛趕往現場的時刻能夠提供最近最方便的行駛路線。輔助駕駛系統，指的是利用智能感知系統所獲得的信息進行處理從而進行決策規劃，幫助駕駛員提出駕駛倡議，甚至可以智能的部分幫助駕駛員進行車輛控制操作。主要包含：巡航控制系統、車輛追蹤系統準確停車系統以及精確機動系統。多種渠道應用，在公園等旅游景點已經使用了載客方便流通量的智能電瓶車。也許能夠減少物理路標，智能汽車可以得到必要的通信電子體

14、征，實現自動識別。提高燃油效率。第一章 背景和意義21.2 課題研究的目的和意義課題研究的目的和意義現在，全世界上的很多知名院校及研究所都在努力的研制設施開發針對各個方向的自動控制系統。世界各國在智能小型車領域進行了很多探索，己經應用于各個領域，在探測和軍事領域運用開發特別多。這幾年來，我國也開展了很多開發工作，來滿足不同用途的需要。在20世紀80年代，一個愿景引導下奔馳設計了機器人面包車，設計恩斯特和他的團隊在德國慕尼黑慕尼黑聯邦國防軍大學，實現轉換39英里公里街道上沒有交通。隨后，歐洲委員會開始資助800萬歐洲委員會ECEUREKA普羅米修斯項目1987年至1995年的自主車。在1994年

15、，雙胞胎機器人車輛鞋面和Vita-2 戴姆勒奔馳和恩斯特的開車超過 620 公里在巴黎三車道的高速公路轉換在標準的交通繁忙時，速度可達轉換81英里每小時公里，盡管半自主地有人類的干預。他們展示了自主駕駛的免費車道，車隊行駛，變更車道，通過其他半自動汽車。到了2013年，2014年奔馳S級將可以選擇自動轉向，制動，加速，停車，車道引導，避免事故的發生，和疲勞駕駛檢測，在城市交通和公路速度可達轉換124 MI公里每小時在2013年，2014年寶馬i3將自主轉向，加速和制動，在堵車高達轉換25英里公里每小時。到2014年，沃爾沃預計車輛可以自主高達轉換31英里公里每小時，預計使用在交通繁忙。奧迪計劃

16、到2015年，車輛可以自主轉向，加速和制動以較低的速度，如在堵車。到2015年，凱迪拉克計劃車輛“超級巡航”：自主轉向，制動和行車指南。到2015年，預計日產汽車自主轉向，制動，行車指南，油門，換檔，并在法律允許的，自助停車空置乘客后退出。到2018年，谷歌預計將發布其自主的汽車技術。到2020年，沃爾沃預計無事故車，和“公路列車”，個別車由司機在鉛車輛引導。到2020年，通用汽車，日產，奧迪和寶馬都希望無人駕駛汽車。本智能小車是作為機器人的發展應用。小車能夠進行沿黑線行駛，還可以進行自覺地躲開障礙物，發覺周圍的引導線路和不明物體。運用單片機的能力來設計完成這個小車智能制控系統，運用智能算法實

17、現小車的智能循軌并設計小車的監控、驅動和小車的外部電路。使用直流電機，慢慢的學習和了解相關知識，連接實際電路的設計和在過程中遇到的問題加以解決，在設計之后實現自己第一章 背景和意義3的設計。在實現過程中加強了對自動控制系統的深入理解。1.3 本設計的內容本設計的內容1，路面檢測規劃、精確定位的分析與實現； 2，直流電機驅動模塊的電路，以及相應的驅動程序；3，自動尋軌功能系統的選擇與實現； 4，復位電路模塊；5，循線軌跡，速度距離檢測功能電路及程序；6，實現小車的智能化探測，完成距離與速度檢測、避障的功能第二章 方案設計與論證4第二章第二章 方案設計與論證方案設計與論證根據設想，確定如下方案，在

18、智能小車的現有知識上，增加檢測黑線器，能夠在小車運行的時候監控小車的速度，行進情況道路情況等信息。再使用單片機接收處理再輸出信號和數據，小車被單片機的這些數據信號控制行進方向速度調控，實現智能控制。在沿著黑線進行自動循軌，躲避障礙等智能化功能，人們在控制過程中使用容易，簡單易懂，而且還很精確，對不同環境和系統的適應力非常高。2.1 主控系統主控系統方案一：采用各類數字電路來組成小車的控制系統，對外圍避障信號，本方案電路復雜，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理也比較困難。方案二：選用MSP430F169單片機為主控器，外部鏈接L298N型驅動芯片驅動，由高速電機配復試減速

19、箱做動力驅動，靈活控制小車的前進與后退，在復試減速箱的齒輪上配上雙光柵測速可以及時把采集到的小車運行數據送給單片機分析，隨時控制他的運行狀態。由紅外對管來檢測信號，讓MSP430F169單片機控制小車左右輪的旋轉方向來實現車的拐彎，及自動尋跡。總的來說，所有模塊都是以MSP430F169單片機為平臺，建立間接通信，實現小車的智能性功能。比較以上兩種方案的優缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現系統。系統框圖如圖2-1第二章 方案設計與論證5圖2-1 系統框圖根據設計要求，我認為此設計屬于多輸入量的復雜程序控制問題。據此，擬定了下面兩種方案并綜合的進行了比

20、較論證，具體如下，關于使用超低功耗微處理器MSP430F169的方案方案一：選取STC51單片機來成為主要的控制器。STC51單片機的特點是操作簡單，它可以在空閑和掉電兩種不同的模式下工作，當處于掉電模式的狀態外部晶振停止振動，同時CPU、定時器串行口全部停止工作。基于考慮到51單片機只有32個IO口，而且只有3組定時器，2個外部中斷IO口，比較缺少，所以我們放棄此方案。方案二：這一次，我們選擇了AVR單片機作為主控制器。 AVR單片機是一個高速嵌入式微控制器，其中有1MIPS/ MHz的高速運算處理能力，因為有一個鎖鎖位加密技術，所以我們不能被破解，但在安全位單片機，片單元深沒有看到，用電子

21、顯微鏡。當看門狗定時器的安全保護，也出現同期相比更成熟的51系列，AVR系列單片機的接口功能更強大，片內資源較為豐富。方案三：選取MSP430F169單片機作為主控制器。MSP430F169屬于多功能超低功耗混合信號處理器，功耗非常低，且具有豐富的外圍模塊：48kflash，2048BRAM；8 通道12bit A/D；雙12bitD/A；DMA；48個I/O口；16自動避障功能，自動尋軌的功能（按路面的黑色軌道行駛），計算并顯示所走的路程和行走的時間同時顯示速度和超聲波測距位WDT；1個16位Timer_A(3個捕獲比較寄存器）；1個16位Timer_B（7個捕獲/比較寄存器）；2個USAR

22、T接口；I2C；MPY；比較器_A；溫度傳感器。此外，他還低電壓供電：1.83.3V；16精簡指令結構；125ns指令周期；在線編程等。選型理由：1，由于系統需要進行A/D 轉換和數據運算處理，如果采用傳統的微處理器8051單片機，則需要在外部擴展A/D 轉換模塊，所以導致電路復雜化，而且很難達到較高的精準度。所以在此使用MSP430F169多功能超低功耗混合信號處理器就能解決以上的問題，MSP430F169內置8通道12bit高精度A/D，電路簡單易懂，且精準度很高；2，MSP430F169內置256B Flash Memory能夠方便的保存重要數據，特色是突然停電不丟失； 第二章 方案設計

23、與論證63，在此系統中，所需要的數據接口比較多，而MSP430F169剛好擁有較豐富的I/O口資源，無需在外部進行擴展。綜上所述我選取了多功能超低功耗混合信號處理器MSP430F169。2.2 電機驅動模塊方案一： 選用 L293D 驅動。L293D 器件是單片集成的高電壓，大電流的四通道驅動器設計接受標準 DTL 或 TTL 邏輯電平驅動感性負載（如繼電器 solenoides，直流和步進電機）和開關電源晶體管。使用，或更多，以滿足整體設計，大小，薪酬也更適合本系統的不足，該電路的缺點是功率較低；方案二：選用 L298N 驅動芯片。L298N 芯片內部包含 4 通道邏輯驅動電路可以驅動兩個二

24、相電機，也能夠驅動一個四相電機，輸出電壓高達 50V，可以直接通過電源來調節輸出電壓，能夠直接使用，提供信號單片機 IO 口，隨著其輸出電流增大，功率也會增大，電路簡單，使用更方便；方案三：脈沖信號經 74LS14 反相后進入 9014，經 9014 放大后控制光電開關，光電隔離，功率晶體管 TIP122 將脈沖信號驅動步進電機的電壓和電流放大，方法很簡單，但電路較為麻煩，電路板的生產和小車裝配工序銜接總是會遇到一些實際的問題。選型理由：綜合以上分析，出于功率和穩定性的考慮，我們選用 L298N 芯片，其特點是輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制，只需改變輸入端的邏輯電平，就可

25、以實現電機正轉與反轉，有很好的穩定性。一個智能電動小車整體的運行性能，首先取決于它的電池系統和電機驅動系統，本系統選用的是L298N驅動芯片，L298N可接收標準TTL邏輯電平信號Vss，Vss可接4.57V電壓4腳Vs接電源電壓，Vs電壓范圍VIH為+2.5 46V。輸入電源可達2.5A，可驅動電感性負載。1腳和15腳下管的發射極分別單獨引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。5,7,10,12腳輸入控制電平，控制電機的正反轉。ENA,E NB接控制使能端，控制電機的停轉。L298N工作電路圖如圖2-2 第二章 方案設計與論證7圖 2-2 L298N 工作電路圖 圖 2-3 L298N2

26、.2 循跡模塊循跡模塊方案一：使用光電傳感器，設計電路，合理擺放位置，運用傳感器的功能測量計算。但是做出來效果其實并沒有達到理想效果，這是因為傳感器對于小車的行進環境需求是第二章 方案設計與論證8很大的，在不平穩的路面或者有光線干擾等干擾的存在下，小車無法平穩的行駛，就很容易造成誤差，同時傳感器也較為昂貴抗損壞性也不高，有可能顛簸兩下就壞了。所以不采用。方案二：用 2 個紅外對管尋跡，放在小車的左側和右側，優點對管少，電路簡單，但是只有兩個紅外對管的情況對于稍微的偏移或者些微現象容易出現尋跡不準的現象。 方案三：用 4 個紅外對管尋跡，優點 4 個對管形成兩組尋跡系統，相對于方案二，更加精確，

27、4 個紅外管保證了多個方向的能正確的檢測到，直線路段準確度很高，解決了當一組對管出現失誤后無法正常尋跡的問題。使過程更加精確。 選型理由：這個選取的關鍵是在于紅外對管的采取數量問題，所以在方案中只憑自己的想象來完成并沒有什么可靠的依據，于是我就先在一個方塊盒子上面放置了紅外對管進行小型的試驗。在進行不同環境，不同角度，不同速度的測試過程中，我發現了其實紅外對管的檢測范圍是有限的，經常會遇到一些盲區，導致沒有檢測到障礙物，而且就想方案三所說的，當設備發生故障的時候，較少的紅外對管就導致實驗功能無法實現了，所以我覺得 4 個紅外對管還是較為合理的。通過以上三個方案的優缺點比較，結合小車的性能要求，

28、我們最終選擇方案三。2.3 避障模塊避障模塊避障模塊的原理跟循軌的原理是一樣的，都是利用紅外對管來完成檢測的功能，但是紅外對管放在哪里是個問題。如果把紅外對管放在小車的中間部分，這樣做的好處是保證了紅外對管的穩定性，不容易受到外界條件的干擾。但是這樣做的缺點是，紅外對管的視野比較小，在探測地區會有很多盲點，這樣就無法使實驗變得精確，然而避障模塊的目的就是在遇到障礙物的時候能夠及時做出判斷和調節，所以我不采用這種做法。接下來我把紅外對管放在小車的前段一個后端一個，一共使用了兩個紅外對管，這樣我感覺精確值可以達到了最大化，但是這樣做的缺點是，使用兩組紅外對管的性價比其實并不高，很多時候前端的紅外對

29、管和后端的紅外對管都會同時檢測到障礙物的存在，所以我就突發奇想，只使用一個紅外對管，放在了小車的右側，這樣做了實驗。結果我發現，用一個放在小車右側的紅外對管可以良好的檢測到前后方向和右側的障礙物信息，性價比要比兩個紅外對管要高一些，同時也能滿足自動避障這樣一個功能，但是有個缺點是小車左側的障礙物可能檢測不到。然而，在小車正常行進的時候，最大的障礙物是處于小車前后方向的，而左右兩側的障礙物其實并無大礙，所以左后我選擇了這種放在第二章 方案設計與論證9小車右側的方法來實現避障功能。由于在紅外對管檢測到了障礙物的同時要發出信號，進而單片機也要作出判斷，再來進行調節，這是需要有一個反應時間的，在這段反

30、應時間內，小車需要完成轉向來調節自己不被障礙物撞上，所以，我們需要給小車減速來延長這段調整的時間。所以我就防止了一個三級減速齒輪在直流電機和車輪之間，在減速的時刻，有可能倒是小車不不平穩，所以為了保證小車自身的穩定性，我選擇吧小車的底盤減低，加強穩定性，同時把電動機和電池部分放在小車的的后方，這是靠近驅動的地方，同時就保證了更加穩定的效果.。2.4 超聲波測距的選擇與論證超聲波測距的選擇與論證方案一：選用紅外測距，跟小車的循跡避障的原理一樣，紅外測距的優點是采用紅外對管器件簡單、操作容易，缺點是紅外對管的發光較為分散，導致精確度不準，稍微遠一點精確度也會大打折扣。方案二：激光測距。通過測量激光

31、從發射到返回之間的時間來計算距離，激光測距的精確度是毋庸置疑的，但是在實驗中激光對人的傷害還是不容小視的，如果不小心眼睛知識了激光就會照成很嚴重的危險，而且激光設施相對于其他設施也比較昂貴。方案三：使用超聲波測距，超聲波在空氣中的傳播速度為 340m/s，超聲測距使用的是超聲波，抗環境干擾能力非常強，而且速度也不是很慢、方便、計算簡單、易于做到實時控制，可以在較差的環境中使用。選型理由：綜上所述，比較了以上觀點，考慮到了也許智能小車所處的實驗環境可能能會很惡劣，故我們選擇方案三。利用超聲波指向性強，能量消耗緩慢，以使小車及時獲取距障礙物的距離信息（距離和方向）實現測距避障功能。而且在后期的實驗

32、中，我發現了紅外對管的抗干擾性真的不好，在做避障模塊的時候同時使用了 4 個紅外對管才達到對近距離的避障檢測，而且在一些特殊角度的障礙物的出現，紅外對管并不能范圍性的發出光源并且接收。相對于惡劣的環境來說，超聲波就會好一些，根據這些我就選擇了方案三來實現超聲波測距的方案。第三章 硬件設計10第三章第三章 硬件設計硬件設計3.1 自動尋跡自動尋跡采用光電傳感器進行尋跡，利用紅外線在不同物體表面有不同的反射性質的特點，在智能小車行駛過程中紅外發射管不間斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地面時發生漫反射，反射光被裝在小車上的紅外接收管接收，就會輸出低電平。如果光發射到了黑線上面，紅外光被吸收

33、，不會產生反射，接收管接受不到紅外光，電平拉高，通過處理器比較，當傳感器檢測到黑線，比較器輸出高電平。檢測到白色輸出低電平，再通過單片機來判斷小車是否偏離引導線，如果偏離就馬上復位，光電傳感采用ST168。我使用了 4 個紅外對管進行試驗，正常實驗的時候 3 個紅外對管進行運作，當有儀器故障的時候剩下的一個紅外對管就會接替他們來保證繼續工作。循跡功能模塊完成小車自動循軌的功能。自動循軌功能指的是小車行駛路線是沿著在白紙上的黑線行進的。這個設計的原理是：在光線照射下白紙與白紙上的黑線對光的反射系數不一樣，白紙反射光能力強，黑線反射能力較弱，這樣就可以通過光感器件通過判斷光的強弱再確定黑線的位置。

34、在這次設計中我采用了紅外探測法來完成這項功能。因為這種方法模塊簡單，容易實現，方便而且廉價。紅外探測法指的是，在小車上放置紅外光的發射和接收設置。由于紅外線在白紙和黑線上面反射情況是不一樣的，紅外線在白紙上漫反射，反射的光會被接收裝置接收;而紅外光會被黑線吸收，不會被接收設備接收到。使用lm393比較器來分辨高低電平，當傳感器檢測到黑線，比較器輸出高電平；檢測到白色輸出低電平，再通過單片機來判斷小車是否偏離引導線，如果偏離就馬上復位，也有將模擬量轉化為開關量的功能，容易信號處理，完成對信號的檢測，這樣單片機就可以通過接收的信號得知小車是否沿著黑線行駛進而做出調節。完成自動循軌的功能。紅外探測器

35、的分辨距離比較短，這是一個缺點，但也可以最大不能超過3cm這個數據來調控小車的行進速度，并無壞處。小車的避障原理也相似。電路圖如圖3-1第三章 硬件設計11圖 3-1 自動尋跡原理圖具體設計：我拿取兩個檢測器平行放置，為了能使小車行進轉動的功能，左右轉動都能夠調節，這樣能更準確的控制小車沿黑線行駛。小車行進的時候，通過單片機的程序來控制方向，如果小車偏離了黑線，那么另一個方向的探測頭會因為紅外線被黑線吸收而發出信號。單片機接收到信號，來進行調節，使其相反方向運動，至不被黑線吸收，這樣就保持了小車沿著軌跡運動。為了能讓小車在惡劣的環境下能夠實現自動循軌，我在實驗中選則了能調節靈敏度的可調電阻。這

36、樣可以根據不同環境所造成的影響，手動的調節電阻的大小，能有效的減少惡劣環境所造成的影響。為了接受紅外線的精確度得到提高，我把接受對管放在了小車底部，再在接收對管上面套一個塑料管，這樣就能擋住外界的光線，配合可調節的電阻，就把控制的精準度大大提高。3.2 超聲測距超聲測距超聲波測距包括兩個部分，即發射與接收部分。本系統中所要設計的接收電路實際上是檢波電路，它需要一個集成電路 CX20106A 和超聲波接受傳感器來實現接收檢波，集成電路 CX20106A 本是專門用來接收紅外線的專門芯片，由于紅外線和超聲波的頻率極為接近，紅外線的頻率大約為 38.5kHz，而我們所使用的超聲波為 40kHz，所以

37、使用此集成電路完全可以實現接收檢波的功能。通過超聲波發射裝置發出超聲波，根據接收器接到超聲波時的時間差就可以知道距離了。超聲測距離的原理跟高中所學習的物理知識一樣，利用聲音的反彈，通過發送端第三章 硬件設計12和接收端的時間差，和聲速來計算這段時間內幾次聲音走過的距離，借此來判斷小車走過的距離。利用第一次超聲波的來回時間能夠計算出第一次小車所在的位置，在利用第二次超聲波的來回又得到了一個新的小車的位置，把這兩個得到的位置數據做差比較一下，就會得到小車在這兩次器件走動了的距離。3.3 光敏測速光敏測速光敏電阻就是當光照射在光敏電阻上的時候，電阻的阻值發生改變，時刻得到光源照射在電阻上，進行光電計

38、數，就能計算出時間。在復試減速箱中的一齒輪上打一過孔，過孔左右分別安置一發光二極管和光電管，保持兩個器件互相正對。齒輪在轉的過程中，每當賺到了有孔的地方，就會有光從孔中照射出來，他們的正中心剛好在一條線上，所以發光二極管發出的光剛好照著到光電管上，導致了光敏電阻的電阻減小，就會發出信號給單片機，再通過小車輪子和該齒輪的周長比，以及光電管相鄰兩次電阻改變的時間，就能計算出小車的速度。這次我直接拿取了一個光敏測速的模塊硬件，使得實驗更為簡便。 3.4 MSP430單片機硬件結構及原理單片機硬件結構及原理可用于低功率的嵌入式設備的MSP430。在待機模式下吸取的電流可小于1A。頂級CPU速度是25兆

39、赫。它可以被節流更低的功耗。 MSP430還可使用六種不同的低功耗模式，它可以禁用不需要的時鐘和CPU。此外，MSP430的喚醒時間小于1微秒，能夠使微控制器能夠留在睡眠模式下較長，其平均電流消耗最小化。該器件采用平常的外設：內部振蕩器，定時器，包括PWM，看門狗，USART，SPI，IC，10/12/14/16-bit型ADC，和掉電復位電路的各種配置。一些不太常用的外設選項，包括比較器（可以用定時器做簡單的ADC），片上運算放大器進行信號調理，12位DAC，LCD驅動器，硬件乘法器，USB，和DMA ADC結果。除了一些較舊的EPROM（MSP430E3xx）和高容量掩膜ROM版本（MSP

40、430Cxxx），所有的設備都在系統可編程通過JTAG（全四線或Spy-Bi系線）或建在引導加載程序（BSL）使用RS-232。有但是排除它的使用的限制，在更復雜的嵌入式系統。 MSP430不具有外部存儲總線，所以它是有限的片上存儲器（高達256 KB閃存和16 KB RAM），這可能是太小了，需要大的緩沖區或數據表的應用。此外，雖然它有一個DMA控制器，它是很困難的，用它來關閉芯片的由于缺乏一個DMA輸出選通到移動數據。MSP430 x1xx系列：該的MSP430 x1xx系列是沒有一個嵌入式LCD控制器的基本代。第三章 硬件設計13他們一般都比較小比3 XX代。這些閃光燈或基于ROM的超低

41、功耗MCU提供8 MIPS1.8-3.6 V操作，高達60 KB閃存，以及廣泛的模擬和數字外設。電源規格概述：0.1ARAM保留的，0.7A實時時鐘模式，200A/ MIPS活躍。特點，從待機模式快速喚醒小于6微秒。設備參數：閃光燈選項：1-60 KBROM選項：1-16 KB內存選項：128 B-10 KBGPIO選項：14，22，48腳ADC選項：斜坡，10位和12位SAR其他集成外設：12位DAC，2個16位定時器，看門狗定時器，掉電復位，SVS，USART模塊（UART，SPI），DMA，1616位乘法器，比較器，溫度傳感器。3.5 最小應用系統設計最小應用系統設計單片機運用了最小應用

42、系統，MCU,電源、復位、時鐘、JTAG構成了這個系統。在下圖具體的描述出了這個系統的構造時鐘電路調試電路等。圖3-2 最小應用設計時鐘模塊：MCU提供了JTAG接口用于調整方案的微控制器的模擬時鐘源，通過MAX232電平轉換模塊運用了串口0（USART0），接著把它連在電腦上進行嵌入式軟件測試，電源模塊為每個MCU和外圍電源模塊供電。電源模塊：由于這個系統不同模塊使用的電壓需求是不一樣的，正常的元器件部分使用5v電壓，第三章 硬件設計14而msp單片機和外部的一些電路需要用到的是313v的電壓，想到此我就選擇了一個電壓轉換器，只要能把5v電壓轉換為313v的電壓就可以了，因為5v電壓最為輸入

43、電壓用干電池進行，簡單容易操作，還很廉價。于是我拿取了LM1117-313這個電壓轉換器把5v的電壓轉換成了313v的電壓。又接著拿取了一個二極管DN4148，它的任務是完成接通電源之后的電源定向，定向之后就可以輸出313v的電源了。同時考慮到穩壓的問題，按照通常的做法，我拿了3個電容，起到了綠薄荷穩壓的作用。如下圖所示，圖中的LED燈的作用是檢測是否通電。復位電路模塊：復位電路是必不可少的，在這里我用的是一種通用的復位電路，數字電路，監視兩個時鐘脈沖和直流電壓，并且能夠提供了一個復位命令，就會檢測到一個低的直流電壓或缺少時鐘脈沖。該裝置使用兩個比較器和一個RC電路，這樣就形成了一個脈沖的定時

44、電路，該電路監視時鐘脈沖。低DC電壓由電橋電路和基準電壓進行監測，第三個比較器接收信號的脈沖定時電路的電橋電路和親 - 產生一個復位命令。復位命令可以重新初始化一個微處理器芯片或一臺主計算機系統的輸入控制器。圖3-3 時鐘電路這個復位電路的工作原理是：系統通電之后，電流通過r4流過c7，c7充電。當7的電壓還沒達到門限電壓的時候，rst不能輸出高電平，輸出低電平。反之rst就輸出高電平。下面復位情況，按下s1，剛才充電的c7的電壓就變為0，本來是高電位的rst端也會慢慢變成低電平，就跟最開始一樣了，達到了復位的效果。晶振電路設計：MSP430單片機的時鐘模塊里面就有晶體振蕩器、DCO和其他三個

45、時鐘源。這是通過在快速處理和低功耗要求的設計多個時鐘源或設計各種不同的操作模式，用來解決某些實時第三章 硬件設計15應用程序的時鐘周部的沖突，也解決系統的數據要求如低頻通信，液晶顯示器，定時器，計數器等晶體振蕩器電路已集成數字控制振蕩器DCO 。MSP430晶振電路如下圖兩個部分組成。低頻晶體振蕩器：低功耗，是為了滿足所需321k768Hz晶體。 LFXT1默認工作在低頻振蕩模式頻率321768kHz即，它可以連接到一個高速的外部的450kHz8MHz的震蕩器，在高頻模式下運轉，我們使用這個電路中，在低頻模式下，在段的輸入和輸出的兩個22PF電容的外部振蕩器連接到MCU以上。高速晶體振蕩器：M

46、SP430F169在高頻模式提供了時鐘，XT2可高達8MHz。系統中使用4MHz振蕩器XT2連著兩個22PF電容，電容連接到MCU通過在XT2輸入輸出。如圖3-4所示圖3-4 晶體振蕩器JTAG接口設計介紹下硬件連接的MSP430器件的JTAG接口相關引腳的功能，在編程時使用。此外，描述信息的軟件的宏例程用于編程MSP430目標和JTAG用來溝通與說明通過JTAG接口控制目標詳細的MSP430系列支持在線編程的閃存通過JTAG端口，適用于所有MSP430器件。所有設備都支持JTAG4線接口。此外，一些設備還支持下一代優化的2線JTAG接口。使用這些信號，接口連接訪問MSP430 JTAG端口使

47、用的PC或其他控制器可以成立的。選擇一個JTAG寄存器和控制CPU是通過使用在JTAG指令移位在上一節所述的IR_SHIFT的宏。下面的說明，可以被寫入到JTAG IR使用，指標閃存編程。所有的指令首先發送到目標MSP430通過JTAG寄存器傳輸LSB。JTAG管腳的意義：測試數據輸出是TDO，數據在JTAG接口輸出經由了TDO引腳，測試數據的輸入是tdi； 經由TDI引腳輸入數據輸入到了JTAG接口， 測試時鐘的輸入是TCK；測試模式選擇稱作TMS，我們用TMS來設置JTAG接口處于各種指定的的測試方式;第三章 硬件設計16TEST是測試復位，在低電平輸入管腳有用。MSP430F169是60

48、KB的FLASH存儲器，它是可以電可擦除型的MCU，它包含JTAG調試接口，運用先通過JTAG調試出來的程序連接到flash，用電腦下載，然后通過JTAG接口控制程序實現，獲得芯片內部CPU狀態和內存內容等信息，交給設計師調整，所有開發、編譯，整合，可以集成在相同的軟件環境，沒有特殊的仿真器和編程。JTAG調試接口設計只需要把單片機的根據標準引線片上調試接口，JTAG調試器調試時購買連接線，就能夠測試程序。展現的JTAG有14條線連接的接口,我們選取了當中的5個接口，剩下的引腳沒用，跳線P2拿做選擇JTAG內部使用JTAG調試器，然后再選擇使用外接電源還是內部電源。如果外圍電路的功率略有高，就

49、用外接電源；如果外圍電路功率比較低,就用JTAG內部電源。3.6 前向通道設計前向通道設計如果在測控系統之中使用了單片機的話，一定需要一個前向通道跟被測的對象緊密連接。所以，被測對象的形態、特點、所在的環境決定了前向通道的設計方法。所以設計前向通道的時候要關注傳感器或敏感元件的一些特征。也要同時兼顧通道的結構、電源選取、信號采集、抗干擾能力等。在這實驗的設計制造之中，用到大學所學習的模擬電路的一些知識點。前向通道的意義是：如果在測控系統之中運用了單片機，一定會有被測信號的輸入通道在系統之中，電腦也會收到信息。測試核心的任務是要求被測物體需要取得原始物的參量信號在控制系統中，控制對象的狀態的一個

50、重要組成部分是測試的檢測和監測控制條件。傳感器或傳感元件的主要作用是測量被測物體的狀態，有密切的關系，得到被測物體，因為數據往往是某些物理量，如溫度，距離，非電動的物理量。但是，該計算機系統是一個數字電路。因此，前向信道，聽起來感光器件，傳感器和模擬電路占據不可撼動的地位。最準確地反映被測物體的測量對象的真實情況的重點是信號的采集，其中包含兼容的檢測精度的特點。當然也應該滿足信號和節奏這兩之間電壓保持相符。第三章 硬件設計17我們對信號輸入、輸出、傳遞、變換在單片機應用系統中應該想的開闊一些。具有TTL 電平的狀態開關就是一個是最為簡單的開關量輸入通道，例如溫度控制器，開關等。所以只要是反映了

51、外界數據的信號的輸入通道都可稱之為前向通道。但是并非所有單片機應用系統都具有前向通道，比如說定時控制系統，較高級別的主計算機和現場測量，控制命令，各子站的電腦，數據傳輸之間的分布式控制系統智能控制。系統里這些應用程序在沒有進行測量時，它就沒必要前向通道。3.7 后向通道設計后向通道設計為了滿足單片機的輸出和控制對象能夠控制信號的功能而設計，后向通道具有以下特點：(1)根據電流限制輸出功率芯片，不能夠輸出所需的功率控制目標信號。所以采用小信號輸出、大功率控制的方法；(2)后向通道是一個輸出通道。輸出的控制信號在伺服驅動系統之中，但是前向通道的檢測信號輸入一般是伺服驅動系統中的狀態反饋信號；(1)

52、功率驅動。為了完成伺服驅動的功率要求，來放大單片機的輸出信號的功率；(2)干擾防治。在實現過程中經常會遇到主控制伺服驅動系統通過對 cpu 系統的信號路徑，功率和空間會進行電磁干擾。所以通常采用把信號和電源隔離開來和對功率開關進行過零切換一些方法來防御各種干擾。雙極式 PWM 變換器的優點如下：(1)電流處于時刻連續；(2)能夠電動機在四象限中運行；(3)在低速情況平穩性良好，調速范圍在 20000 上下；(4)在低速的情況，每一個晶體管的驅動脈沖也稍微寬，有幫助保證晶體管順利的導通；(5)在低速的情況平穩性良好，電機停止時有微振電流，能夠減去靜摩擦盲點。1、脈寬調制原理脈沖寬度調制(PWM)

53、是一個強大的技術來控制模擬電路與微處理器的數字輸出。采用 PWM 在各種各樣的應用程序,這些程序從測量、通信到功率控制與變換許多微控制器包括 PWM 控制器。其中每一個有一個可選擇的時間和周期。占空比是準時期間的比例，調制頻率是逆期內。要啟動 PWM 操作，數據表建議軟件應設置期間在片上定時器/計數器，它提供了方波調制，設置上的時間在 PWM 控制寄存；設置 PWM 輸出的方向，這第三章 硬件設計18是一個一般用途的 I / O 引腳；啟動定時器；使用 PWM 控制器。簡而言之，PWM 是來給數字信號或者模擬信號進行編碼的一個調制。這里可以利用高清晰度計數器給模擬信號盡心編碼，一個正方形的占空

54、比波被調制到一個特定的電平來進行編碼。但是這里的依然是數字信號，因為在任何給定瞬時間，全直流電源在全開或完全關。的電壓或電流源被提供給模擬負載通過一個重復打開和關閉脈沖系列上的時間，在此期間，直流電源被施加到下載的關斷時間期間該供電被切斷。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM 進行編碼。標準 PWM 系列產品包括兩個電流模式（UC 家庭）和電壓模式（SG 家庭）PWM 控制器。兩個系列的產品支持隔離和非隔離式 AC-DC和 DC-DC 電源，使用最流行的電源拓撲結構，無論是單端和雙端。的選擇取決于最終的應用程序的特性。在一般情況下，電流模式 PWM 芯片提供了一個更快的動態響應和音頻易感

55、性較低，這一特點使他們的應用程序的最佳選擇與有效負載瞬態要求。雖然具體的 PWM 控制器在其方案的細節變化，基本思路是一樣的。在小車的控制中，我通過控制輸出的鋸齒波，查看一樣的周期，改變輸出電壓的變化，就能夠改變小車的轉向。通過控制電壓的大小，脈沖的寬度就能夠調整電機的轉速，電壓越大，脈沖越寬，點擊的轉動速度就越快，反而反之。2、邏輯延時環節當可逆 PWM 轉換器連接電源的時候，關閉左，右兩端的兩個功率晶體管定期交換工作。關閉期間內的晶體管的存儲時間和電流的下降時間，這些被稱為關斷時間，但這次并不是所有的晶體管都關閉了。如果在這段時間內存在其他晶體管連接上，它會導致分成上，下兩個途徑，從而導致

56、的正面和負面的電源短路這樣的故障。為了避免這種情況的發生，我設計了 RC 電路延遲設計。由于選擇的是 12Mhz 的晶振，那么機器周期為1us，那么單片機執行一條語句時間大約為 1us，從而有延遲程序如下：void delay(unit z) /延遲函數unsigned char a,b,c;for(c=z;c0;c-)for(b=9;b0;b-)for(a=110;a0;a-);z 一般默認為 1，三個 for 嵌套循環，總共執行次數為，c*b*a=1*9*110=990; 單片機主頻第三章 硬件設計1912MHZ 電路，執行一個語句，時間是約 1 微秒，然后延遲是 990us，1ms 左右

57、。多久你想拖延，X 的值，乘以 1ms 的。這是原理延遲計劃的實施。3、電源設計我采用了 5 號電池當做電源，經計算，采用了 3 節。既能帶動小車的驅動電機，又能保證小車的穩定性。為了使電源穩定性和輸出都正常，單片機系統以及外圍電路通過電壓轉換器 LM1117-313 轉換為 313v 的電壓。LM1117 是一個低壓差穩壓器系列在800mA 的負載電流與 1.2V 之間。它具有相同的引腳輸出作為美國國家半導體的行業標準LM317。LM1117 是可在一個可調版本，它可以只有兩個設置輸出電壓從 1.25V 至 13.8V外部電阻器。此外，它也可用于五個固定電壓，1.8V，2.5V，2.85V，

58、3.3V 和5V。LM1117 提供電流限制和熱關斷。其電路包括一個齊納修剪帶隙參考，以保證輸出電壓精度1以內。LM1117 系列是在 LLP 的 TO-263，SOT-223，TO-220，TO-252 D-PAK 封裝。 10F 最低鉭電容器需要在輸出，以改善瞬態響應和穩定性。3.8 驅動電路驅動電路驅動電路的設計我使用了H橋式的，因為L298N內部集成了H橋式驅動電路，實驗就可以使用L298N的電路來驅動電機。進而來調整小車的速度、行走，通過單片機L298N電路傳送信號給PWM。L298N一般是15腳的，其中的邏輯電路也是4通道的。這樣的驅動電路能夠輕松的實現對各種電機的帶動功能，比如如

59、果是直流電機的話就能驅動兩個。L298N能夠連接一般TTL邏輯電平信號VSS，VSS能夠人4.5-7V電壓。4號腳接的是電源，VS范圍VIH是2.5-46 V。高達2.5 A的輸出電流，能夠驅動電感性的負載。1腳和15腳的發射極分別引線訪問電阻器，向傳感器輸出信號。L298能夠帶動兩個電動機，OUT1，2，3,4四個接口能夠連在電機上，這個實驗我經過考慮使用了一個點擊作為驅動實驗裝置。5，7，10，12 腳聯通輸入控制電平，來達到是電動機正轉反轉的功能。電機的停止或者是轉動，我們用EnA，EnB連上控制使能端來得以控制。當電機不轉動的時候，電機的電流會上升的比較快，如果較長時間電機不轉動可能會

60、燒壞電機。然而電機開始轉動時，通過電機的電流將會上升的比較快，所以我們應該區分了這兩種形態。我使用長延時電路區分了這兩種形態。介紹下長延時電路的原理：當Rs1過流U5A發生過電流時，會發生通過差分一個負脈沖，脈沖觸發555到2引腳位置，這個電路被設置，3號引腳的輸出的是高電平，這時7引腳的打開。其引腳圖如3-6，驅動原理圖如圖3-7。第三章 硬件設計20圖 3-6 L298N 引腳圖圖 3-7 驅動電路圖3.9 信號檢測模塊信號檢測模塊LM393比較器簡介：在電子技術中，比較器比較兩個電壓或電流的裝置和開關的輸出，以指示這是較大的。它們通常使用的設備，如模擬 - 數字轉換器（ADC）。理論上,一個第三