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1、目录目录1课程设计目的2课程设计目的题目和要求3设计内容3.1总体设计3.2 硬件电路设计3.2.1 主控制模块3.2.2 电机驱动模块3.2.3 寻迹模块3.2.4 金属检测模块3.2.5 寻光避障模块3.2.6 测距和显示模块3.2.7 电源模块3.3 软件设计3.3.1 寻迹算法3.3.2 寻光避障算法3.3.3 串口通信4.设计总结参考书目附录1.1.课程设计目的课程设计目的微机控制技术是机械电子工程专业的专业课程，是一门实践性很强的课程。课程设计是课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程实践之间的衔接，也是加强学生实践能力的一个强有力手段。通过此课程设计，使学生进一步学习与理解微机控制
2、系统的构成原理、接口电路与应用程序，进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能；培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力，并掌握微机控制系统的单片机的硬件接口方法（包括 A/D 转换、显示技术、键盘处理、报警等）以及软件设计方法。同时，通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次科学研究工作的初步训练。严格实施课程设计这一环节，对于学生基本硬/软件的设计素养的培养和综合运用知识的能力是一次很好的训练，将起到显著的促进作用，在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设
3、计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。总体来说，本次课程设计的目的如下：（1）通过本设计，使学生综合运用微型计算机控制技术、C 语言程序设计、汇编语言程序设计以及电子技术等课程的内容，为以后从事计算机检测与控制工作奠定一定的基础。 （2）主要掌握各种芯片的可编程器件的使用。 （3）学会用 C 语言（或汇编语言）编写一个较完整的实用程序。 （4）掌握微型计算机控制技术应用开发的全过程：分析需求确定方案、设计原理图、选用元器件、编程、调试、撰写报告等步骤。2.2.课程设计目的题目和要求课程设计目的题目和要求（1）课程设计题目：智能小车寻迹避障系统设计 （2）要求 1、基本要求 （1）电动车从起跑线出发
4、（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1-3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。 电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道 区”检测到的薄铁片数目。 （2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆 弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C 点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。 （3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须 在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 （4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能
5、大于90秒，行驶 时间达到90秒时必须立即自动停车。 2、发挥部分 （1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起 跑线间的距离。 （2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完 全进入车库。 （3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。 （4）其它。3.设计内容设计内容3.13.1总体设计总体设计1.电机驱动方案的选择与论证 方案一：使用继电器对电机进行开关控制和调制。但缺点很明显，继电器 响应慢而且机械结构容易坏。 方案二：使用三极管或者达林顿管，结合单片机输出PWM信号实现调速的目 的，此方案易于实施，但若控制电机转动方向较为困难。方案三：
6、使用PWM控制芯片来实现对电机的控制。 方案选择：采用方案三。该方案电路简单，性能稳定，可以轻松实现对电机方 向的控制。 2.路面寻线模块 方案一：采用光敏传感器，根据白色背景和黑线反光程度的不同来判断传 感器是否位于黑线上。 方案二：采用反射式红外传感器来进行探测。只要选择数量和探测距离合 适的红外传感器，可以准确的判断出黑线的位置。 方案选择：采用方案二。方案一受环境光的影响太大，效果不佳。而红外光不 易受到环境光的干扰。 3.金属检测模块 采用金属接近开关来检测铁片，当金属接近时，高频磁场在金属中产生了 涡流，使得LC 谐振回路的震荡幅度下降到阈值电压，开关输出信号。 4.寻光模块 方案
7、一：采用单一的光敏电阻，利用其在不同的光强下阻值不同，确定小 车的转向，保证其朝着光源最强的角度前进，这样做电路实现简单，但是精度 不易控制。 方案二：采用多个光敏电阻，在小车车头排列成为半圆状结构。根据矢量 合成原理，按照各个传感器测量光强的不同，确定小车相对于光的位置。 方案选择:采用方案二。此方案实现较为复杂但能取得良好的效果。 5.避障模块 方案一：采用一体化红外接收头，在38KHz附近，接收头的灵敏度不同。依 次在38KHz发射频段不同的红外线，在距离障碍物一定距离时测出障碍物。 方案二：采用超声波测距的方法，利用超声波传感器，监视测量发射脉冲 和接受脉冲的时间差，计算超声波和物体之
8、间的距离。可以将避障和寻光模块 一起排列为环状结构。 方案选择：虽然超声波测距有其性能上的优势，但其价格过高，且通过算法上 的优化红外测距完全可以满足设计要求，故采用方案一。 6.测距模块 方案一.采用断续式光电开关测距 方案二.利用磁钢和干簧管，在车轮上均匀粘贴若干磁钢。每当车轮上磁钢 转动至干簧管处，单片机进行一次计数，结合车轮半径就能求出小车行进距离。方案选择：考虑到小车的实际机械结构，如果采用方案一必然会对小车结 构有较大的改变。方案二结构简单、市场上的磁钢、干簧管体积小巧，易于在 我们的小车上很好的固定安装。而且软件上也易于实现。3.2硬件电路设计硬件电路设计本系统以MSP430F1
9、49 和MSP430F425为控制核心。整个硬件框图如下图所示：图2.1系统硬件框图3.2.1 主控制模块主控制模块MSP430系列单片机是美国TI公司1996年开始推向市场的一种16位的超低功 耗的混合信号处理器。其之所以称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实 际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提 供“单片”解决方案。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，是设计的不错选择。 由于本小车实现功能较多，因此我们选择了MSP430F149和MSP430FE425为双 核心的系统。通过编写通信协议，完成其之间的
10、串行通信。 MSP430F149主要完成电机驱动、寻迹、避障、寻光等功能。 MSP430FE425主要完成金属检测、测速、液晶显示等功能。3.2.2 电机驱动模块电机驱动模块电机的驱动芯片选用L298N作为驱动芯片。工作稳定电机驱动信号由单片机 提供，信号经过光耦隔离后，传至PWM 控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与 两个电机相连。 芯片控制方法如下图2.5，11脚为高时，当10脚电平高于12脚时，13脚，14 脚端电机正转；12脚电平高于10 脚时，电机倒转；11脚为低时，电机自由控制。图2.5 L298N控制电机方法3.2.3 寻迹模块寻迹模块当小车在白色地面行驶时，装在车下的红
11、外发射管发射红外线信号，经白 色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，输出端将输出低电平；当 小车行驶到黑线时，红外线信号被黑色吸收后，将输出高电平，从而实现了通 过红线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机的I/O口，当I/O口检测到 的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑线吸收了，表明小车处在黑色的引 线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。 反射式红外传感器ST188 采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电 晶体管组成。检测距离可调整范围为415mm；采用非接触检测方式。图2.6 反射式红外传感器工作原理 图2.6是反射式红外传感器的工作原理图
12、。封装在矩形壳体中的是发射器 LED（由左侧的白色方块表示）和探测器装置（在右侧）。虚线表示光线从发射 器LED中发出并反射回探测器；探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射 率，而这一光强就是传感器的输出值。 选通信号（高电平）经过三极管扩流后送到传感器的K脚，如果检测到黑线， 传感器C脚输出高电平；否则输出为低电平。 为了提高控制精度，要求传感器排列紧密，越紧越好。但传感器排列紧密， 传感器发射管的光线可能会从地面反射进入临近传感器的接收管。所以不能同 时开启这些传感器。其分布如图2.8所示：图2.8 传感器安装图3.2.4 金属检测模块金属检测模块采用市售的接近开关，无信号时，探头输出
13、高电平。检测到金属时，电平 跳变为低，单片机再进行相应处理。相应金属传感器型号为LJ18A3型。3.2.5 寻光避障模块寻光避障模块寻光避障模块均设计为环状传感器结构，共排布若干个传感器组，每个传 感器组包含红外收发模块和光敏电阻。如下图所示，共有五个传感器组：图2.9 传感器的排布 光源检测模块，光敏电阻A组到E组从不同方向采光，每个光敏电阻的电压 信号进入单片机片内ADC，利用F149系列内置的ADC12模块，实现了对五个方向 光强的采集。由ADC的值，判断光强不同来确定小车的趋光方向；同理，可设定 一个阈值比较，得出一开关信号调节最终小车停在车库内。 避障模块，利用单片机定时器发出可调制
14、的38KHz红外线，利用一体化接收头判断，再由小车执行相应的避障动作。3.2.63.2.6 测距和显示模块测距和显示模块利用磁钢和干簧管，在车轮上均匀粘贴若干磁钢。每当车轮上磁钢转动至 干簧管处，单片机进行一次计数，结合车轮半径就能求出小车行进距离。 显示模块采用段码液晶来实现，FE425上有专门的液晶接口，可以很方便地 实现电路。液晶采用4-MUX输入方式的7位半段码液晶。图2.11 液晶显示模块原理图3.2.73.2.7电源模块电源模块小车采取单电源供电，由于传感器需采用5V供电，主控制芯片采用3.3V供 电。 其中Vin接5节1.5V电池，经TLV1117-5可稳到5V，经TLV1117
15、-3.3稳到 3.3V，分别给传感器和控制芯片提供电源。 注意系统在单片机去电机驱动的连接部分要使用光耦进行隔离。 3.3软件设计软件设计本系统采用“双核”结构，一片采用MSP430F149，一片采用MSP430F425， 功能上主要用F149做运动控制芯片，F425做检测金属，计算距离，液晶显示， 计时等功能。之所以采用MSP430单片机，主要时因为该系列单片机有许多优秀 的特点，非常适合用于本系统。 首先，MSP430单片机引入了时钟系统的概念，将CPU、外围功能模块、休眠 唤醒机制三者相互独立，这就可以通过软件设置时钟分频实现系统不同程度的 休眠，让系统以间歇方式工作最大限度的节省电力，我们小车系统的F425就是 使用Basic Timer定时唤醒。
