MSP430單片機對智能小車的硬件控制設計

智能小車涉及到高級計算機控制、電子機械、自動化等諸多學科，隨著科技的不斷進步，智能電子產品發展步驟不斷加快，各種應用層次的機器人等大量出現，目前應用在智能小車或機器人的微控制器主要是8/16單片機或ARM和數字信號處理器 DSP等。本設計采用TI公司生產的功耗低運行速度快且價格便宜的MSP430F2274為核心，避障檢測采用測距精準的超聲波傳感器，該傳感器采集小車周圍的環境信息并傳遞給MSP430進行程序判斷處理，從而達到控制小車自動避障的目的。

1 系統的總體結構框圖

該系統主要由MSP430控制器，超聲波避障模塊，電機驅動，測速，語音模塊，溫度模塊，小車的機械運動部分采用四輪差速轉向式結構，前2個輪是驅動輪，分別由電機控制其運動，后兩輪為隨動輪。采用MSP430F2274單片機作為主控制單元，小車裝有超聲波模塊來負責探測障礙物，做出避障決策。在小車的驅動輪上裝有光電編碼器對小車進行測速。為消除溫度對測距的影響，使用溫度傳感器模塊時刻檢測小車周圍的溫度情況并修正。在小車上裝配語音播報功能模塊，能知道小車的位置和運行狀態，總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統的總體框圖

2 智能小車的硬件設計

2.1 主控芯片

該設計是以MSP430F2274單片機為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式，片內資源豐富，處理能力強大、系統工作穩定，主要是它具有多路PWM輸出，以作為該設計電機控制的有利資源，系統主控設計圖如圖2所示。

MSP430單片機對智能小車的硬件控制設計

圖2 系統主控設計圖

2.2 超聲波模塊

避障是智能小車運動過程中最基本的功能，而避障首要是確定機器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測模塊采用SRF08超聲波收發模塊，其波頻率為40 kHz，檢測距離范嗣為3 cm~6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設計共采用4個超聲波收發模塊分別安裝在小車的正前方，右前方和左前方和后方，4個模塊分別接在MSP430單片機的I/OP1.0、I/OP1.1、I/OP1.2、I/OP1.3、I/OP1. 4、I/OP1. 5、I/OP1.6、I/OP1.6端口上，采用I/O觸發測距，單片機給SDA提供25μs高電平信號，模塊自動發送8個40 Hz方波，并且檢測是否有返回信號，若有返回信號，SCL管腳輸出高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，從而計算出超聲波從發射到接收所用的時間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度（其中T為攝氏溫度）

此時可得到是否避障的距離為s=vt/2。

2.3 測溫和電源模塊

為了使計算的距離更精確而不受溫度影響，該設計中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上，實時檢測機器人周圍環境的溫度T（T的值要精確到小數點后3位），以修正聲速的傳播公式V，從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V，電機驅動采用12 V電壓，測速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩壓電路。

2.4 語音模塊

語音電路采用ISD2560芯片為核心器件，結合外圍電路與單片機接口連接，進行分段尋址，分析所測量數據，并設計出語音元素，包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等語音元素，然后分別錄制好語音元素，把這些信息存儲在ISD2560的存儲器單元內，測量的數據經過軟件處理后，單片機發送語音地址和音控指令，通過和存儲在ISD2560內的地址數據匹配，然后由語音電路通過揚聲器播出測量數據的結果。語音芯片的地址碼接口A4、A5、A6、A7、A8分別接在I/OP2.2、I/OP3.0、I/OP3.1、I/OP3.2、I/OP3.3。

2.5 電機驅動模塊

電機驅動模塊是智能車的重要組成部分，它和電機共同組成智能小車的運動控制系統。該設計的驅動輪是由2個M1和M2交流永磁同步電機，因此采用的電機驅動器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅動兩個電機，通過控制輸入端IN1-IN4信號，來控制H橋的通斷，使得電機形成正反轉或停止，通過控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術成熟的PWM調速原理來控制電機的轉速，從而達到控制小車運行的快慢和轉向的目的。為了防止在啟停電機的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機之間加入8個二極管形成續流達到保護的作用，再則為了防止L298N輸出負載端電機對輸入端信號傳輸產生影響，以及對MSP430芯片產生不利的干擾，在L298N的信號輸入端通過連接TLP521可控制的光電電耦合器件，達到對L298N信號輸入前端的信號電路與負載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號干擾。本設計中的驅動電機采用的是方波驅動的交流永磁同步電機，該電機的轉速與驅動信號的頻率成正比，結構簡單，調速性能優良，運行可靠且便于維護。其電機驅動和控制模塊電路如圖3所示。

MSP430單片機對智能小車的硬件控制設計

圖3 電機驅動模塊

2.6 測速模塊和PID控制

對速度的檢測、調節控制能夠保證小車穩定的運行，避免小車在避障時由于車速過高來不及躲避等問題。該設計中采用256線光電編碼器作為速度檢測，2個編碼器和電機同軸相連。它直接利用光電轉換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉方向，而Z相為每轉一個脈沖，用于基準點定位。在此采用M/T法測速，單片機通過定時器對電機速度進行10 ms定時采樣，把采樣所得速度信息與給定的速度信息所得的速度差傳給PID控制器，來實現對電機速度的最佳閉環控制。從而在小車在前進、后退、轉彎、剎車等動作能快速響應且超調量小，因此系統采用積分分離的PID控制算法，開始取消積分作用，當被調量相差不大時再引入積分作用，實現算法的具體步驟如下：

1）根據實際情況，人為的設定一個值w》0，E（k）=R（k）-H（k），其中R（k）為給定值，H（k）為測量值。

2）當E（k）》w時，采用PD控制調節，可以避免超調過大，還可以使系統有較快的反應。

3）當E（k）

3 軟件的設計

MSP430單片機實時監控超聲波模塊傳送的信號并對其信號進行避障決策判斷，小車在不需要做出避障時沿直線行駛或停止，并且等待定時器的中斷信號產生，當需要避障時，小車就向有障礙物相反的方向調整出（左轉、右轉、倒退并轉向）最佳的運行路線，軟件主要采用C語言進行編程。主控程序流程圖如圖4所示。

MSP430單片機對智能小車的硬件控制設計