基于MSP430系列单片机控制的智能小车.doc

题 目： 基于MSP430系列单片机控制智能小车 摘要本系统采用TI公司的 MSP430F149/MSP430G4252/MSP430G2221单片机为控制中心。实现的功能有：（1） 红外遥控车的运功;（2） 红外对管ST188测速功能；（3） 温度测试功能；（4） 具有超声波测距功能；（5） 具有红外人体感应功能；（6） 大扭矩步进电机带动电源机壳转动；（7） 在遇到人体的时候高分贝报警；（8） 对周围环境的甲烷浓度、湿度进行检测；（9） 将检测到的数据通过NRF2401 模块发送到CPU部，然后进行处 理，处理之后，再将数据通过串行口发送到上位机上。关键词：智能小车；红外测速；单片机；RE200B；高分贝报警；MQ-2传感器； DHT11；NRF2401；上位机；步进电机AbstractThis system use MSP430F149/MSP430G4252/MSP430G2221 MCU as its core. The functions are:（1）The smart car is controlled by ultrared rays .（2）The speed is measured by ST188.（3）The temperature is measure by DS18B20. （4）Ultrasonic ranging function（5）Infrared human body function with induction. （6）Big torque stepping motor drive the power Case shell move . （7）It may be warning when meets someone. （8）Detecting the Methane concentrations and humidity around the Intelligent car. （9）The detected result can send to CPU through the modules NRF2401, then the CPU also can send the information to PC through serial COM.Key word: Intelligent car Infrared velocimetry RE200B DHT11 42BYGH2NRF2401 single chip High decibel alarm PC MQ-2 sensor1. 引言 当今社会，科学技术日新月异，时代前进的步伐越迈越宽，应用自动化设备,计算机处理,现代化通讯,数字化信息,现代化显示设备等高新技术而建立的现代化智能,监控等系统已经得到充分的发展与应用,智能机器人也就应运而生。同时，在建设以人为本的和谐社会的过程中，智能服务机器人能够完成考古发掘，海底揭密，宇宙探索等危险作业，以保证人身安全。国家中长期科学和技术发展规划纲要一文指出：智能服务机器人是在非结构环境下为人类提供必要服务的多种高技术集成的智能化装备。以服务机器人和危险作业机器人应用需求为重点，研究设计方法、制造工艺、智能控制和应用系统集成等共性基础技术。重点研究低成本的自组织网络，个性化的智能机器人和人机交互系统、高柔性免受攻击的数据网络和先进的信息安全系统。20062020年，既是国家中长期技术发展计划实现阶段，也是我们最具有活力和最激情洋溢的时段。于是，我们两人认识到自己的位置，都对智能小车的研发和制作有着强烈的好奇心，有着共同爱好和理想，想用自己的青春和智慧挥写这段焕发青春活力的乐谱。我们的系统主要分为L298N电机驱动模块、红外对管测速模块、温度测量模块、湿度测量模块、甲烷浓度测量模块、超声波测距模块、上位机显示模块、NRF2401无线收发模块、报警器模块、单片机控制模块。系统方案 红外对管测速模块、L298N电机驱动模块、温度测量模块、湿度测量模块、甲烷浓度测量模块、超声波测距模块、上位机显示模块、NRF2401无线收发模块、报警器模块、单片机控制模块。还有电源等基本供电小模块。系统主框图如21所示：CPUMSP430F149/MSP430G4252/MSP430G2221上位机显示模块报警器模块甲烷浓度测量模块超声波测距模块NRF2401无线收发模块红外对管测速模块湿度测量模块温度测量模块L298N电机驱动模块红外对管测速模块图 2-12. 系统硬件设计3.1 L298N型驱动器的原理与应用电机的驱动是由集成芯片L298N来实现的，由四个IO口经四个与门再由L298N输出四路信号来控制两电机。L298N是SGS公司的产品，部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。 L298N模块电路图如图3-1：图 3-13.2测速模块 测速模块主要是由st188和轮胎的黑白间条组成。st188单光束反射式红外光电传感器。ST188是红外收发一体的器件，发射管发射出红外光线，接收管就可以根据接收的红外光线的强弱，感知车胎的白线。由于此车胎被处理成为黑白两种颜色，通过比较器设置的门限值，可以很方便的感知地面的颜色。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。在黑线检测电路中用LM324来确定红外接收信号电平的高低，以电平高低判断黑线有无。在电路中，LM339的一个输入端续接滑动变阻器，通过改变滑变的阻值来提供合适的比较电压。如图32：图 3-23.3温度测试模块设计DSl820 数字温度计提供9 位(二进制)温度读数指示器件的温度。信息经过单线接口送入 DSl820 或从DSl820 送出，因此从主机CPU 到DSl820 仅需一条线(和地线) 。DSl820 的电源可以由数据线本身提供而不需要外部电源。因为每一个DSl820 在出厂时已经给定了唯一的序号，因此任意多个DSl820 可以存放在同一条单线总线上。这允许在许多不同的地方放置温度敏感器件。DSl820 的测量围从-55 到+125，增量值为0.5，可在l s(典型值)把温度变换成数字。如图33：图 3-33.4 超声波测距模块 通过超声波发射装置发出超声波，根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了。这与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。（超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2） 超声波测距模块原理图:超声波发射电路原理图超声波接收电路原理图3.5 NRF2401无线收发模块在此系统中，之所以要选择采用NRF2401主要原因就是想充分利用其高效高速传输数据的功能，这个模块的优点就是具有2.4GHz全球开放的ISM频段，最大0dBm的放射功率，支持六路通道的数据接收，可以工作在1.93.6V的低电压条件下，最高传输速率是2Mbps，相对其他无线模块具有较低的成本，而且其电路也比较简单，便于阅读和使用。其原理图如下面两个图所示：发射部分接收部分3.6 甲烷浓度测量模块选择MQ-2烟雾传感器的主要原因就是因为它具有以下特点：1. 具有信号输出指示。2. 双路信号输出（模拟量输出与TTL电平输出）3. TTL输出有效信号为低电平。（当输出低电平时信号灯亮，可直接接单片机） 4.模拟量输出05V电压，浓度越高电压越高。5.对液化气，天然气，城市煤气有较好的灵敏度。6.具有长期的使用寿命和可靠的稳定性7.快速的响应恢复特性此电路的原理图如图3-6：图3-64. 系统软件设计该方案的编程思路是先确定主程序，之后根据各硬件电路功能来设计子程序模块，最后再将各模块嵌入主程序中。这样编程结构简单，由于子程序模块与硬件电路一一对应，所以调试起来十分方便。本设计软件方框图如图2-2所示：主函数上位机显示子程序报警器子程序甲烷浓度测量子程序超声波测距子程序无线收发子程序步进电机控制子程序湿度测量子程序温度测量子程序直流电机驱动子程序测速子程序图2-2 为了能够更好的显示数据，表现出数据的直观性，我们采用VB中文企业版软件，编写了如下基于智能小车的上位机界面：5. 系统创新（1）小车的硬件部分采用的是绝缘板制作，在搜集了大量的资料之后，仿照装甲车的外形制作，不怕碰撞，可以灵活的运动；（2） 本智能小车电路在硬件上采用了超声波传感器来测量小车距前方障碍物的距离，显示结果快速，准确；（3） 利用红外对管来测量小车运行速度，灵敏迅速；（4） 小车其中一个特点就是在运动的过程中会持续监测周围的环境，比如空气中的甲烷浓度，空气的湿度、温度，以与周围是否有人的存在，并且会将这些数据进行实时的采集并送到单片机部，单片机会将这些数据发送到PC机上进行显示，另外单片机也会通过无线传输模块NRF2401传出数据对小车进行控制，充分利用了其全双工的通信模式，高效可靠的实现双机通信；（5）在小车的运行过程中小车的“脑袋”（在视频中会看到，就是小车上面转动的机箱壳）会进行不断的转动，而大部分传感器都在小车的“脑袋”里，所以小车可以加准确的判断周围各个方向的环境情况。另外，很重要的一点就是热式红外传感器RE200B在检测有没有人的时候，根据它的原理可以知道，它只能检测动态的东西（卫生间或澡堂里的红外传感器就是一个很好的例子），所以当人出现在传感器检测围的瞬间（时间很短），传感器才能感觉得到，那么CPU就有可能在误操作的情况下忽略传感器产生的这一个脉冲信号，为了克服这个缺点，我们就可以让电机带动传感器进行转动，那么人相对于传感器就是在一直地运动，那么检测就显得更加合理有据；（6） PWM技术的应用解决了电动机驱动效率和电机速度控制的问题，为了在控制电机的同时，又不耽误其他模块的正常工作，我们采用了TI的MSP430G4252对电机进行单独控制，利用CPU部的PWM资源向驱动板发出一定频率的信号，通过频率的调节从而调节电机的转速；（7） 在选择近距离控制的过程中，我们选择了电视机上用的红外遥控器，由于红外遥控器具有成本低，易于解码，而且具有较少的软件程序，所以控制起来比较方便，也具有较高的精度；（8） 当小车检测到周围有人，或者环境指标超过一定值的时候，小车就会报警，报警器是一个具有120分贝的高响度喇叭，所以假如小车跑进一个有大雾或者烟雾浓度比较浓的环境中，小车就能利用声音这一点进行引导或者定位；（9） 在小车行驶可以通过上位机将数据传输到PC机上，这样就更加方便的观测数据的变化； （10）在设计之初，我们的想法是对小车加上视频传输功能，使得小车载行走过程中，能够实时的将其周围的环境通过视频信号，显示在电脑上，另外，为了使小车更加逼真于装甲车，我们在小车的“脑袋”上装上一个模拟的打靶装置，这样就可以使得小车或者说是“装甲车”在应对特殊条件下时进行打击标记。但是由于资金和时间的问题，这一部分还是不能在短期完成，所以只能成为设想。6. 评测与结论 本设计结构简单，调试方便，系统反映快速灵活，硬件电路由可拆卸模块拼接而成有很大的扩展空间。经验收测试，该智能小车设计方案正确、可行，各项指标稳定、可靠。附录14 / 14