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基于MSP430智能小车的设计
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日期:2012-08-11 14:03:45来源:物联中国 点击:669
核心提示:智能小车涉及到高级计算机控制、电子机械、自动化等诸多学科,随着科技的不断进步,智能电子产品发展步骤不断加快,各种应用层次的机器人等...
智能小车涉及到高级计算机控制、电子机械、自动化等诸多学科,随着科技的不断进步,智能电子产品发展步骤不断加快,各种应用层次的机器人等大量出现,目前应用在智能小车或机器人的微控制器主要是8/16单片机或ARM和数字信号处理器DSP等。本设计采用TI公司生产的功耗低运行速度快且价格便宜的MSP430F2274为核心,避障检测采用测距精准的超声波传感器,该传感器采集小车周围的环境信息并传递给MSP430进行程序判断处理,从而达到控制小车自动避障的目的。

1 系统的总体结构框图

该系统主要由MSP430控制器,超声波避障模块,电机驱动,测速,语音模块,温度模块,小车的机械运动部分采用四轮差速转向式结构,前2个轮是驱动轮,分别由电机控制其运动,后两轮为随动轮。采用MSP430F2274单片机作为主控制单元,小车装有超声波模块来负责探测障碍物,做出避障决策。在小车的驱动轮上装有光电编码器对小车进行测速。为消除温度对测距的影响,使用温度传感器模块时刻检测小车周围的温度情况并修正。在小车上装配语音播报功能模块,能知道小车的位置和运行状态,总体结构框图如图1所示。

图1 系统的总体框图

2 智能小车的硬件设计

2.1 主控芯片

该设计是以MSP430F2274单片机为控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗单片机,采用了精简指令集(RISC)结构,具有丰富的寻址方式,片内资源丰富,处理能力强大、系统工作稳定,主要是它具有多路PWM输出,以作为该设计电机控制的有利资源,系统主控设计图如图2所示。

图2 系统主控设计图

2.2 超声波模块

避障是智能小车运动过程中最基本的功能,而避障首要是确定机器人自身与障碍物的距离并且定位。小车的避障探测模块采用SRF08超声波收发模块,其波频率为40 kHz,检测距离范嗣为3 cm~6 m,SDA和SCL分别为控制端和接收端,设计共采用4个超声波收发模块分别安装在小车的正前方,右前方和左前方和后方,4个模块分别接在MSP430单片机的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触发测距,单片机给SDA提供25μs高电平信号,模块自动发送8个40 Hz方波,并且检测是否有返回信号,若有返回信号,SCL管脚输出高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间,从而计算出超声波从发射到接收所用的时间t,常温下声波在空气中的传播速度

(其中T为摄氏温度),此时可得到是否避障的距离为s=vt/2。

2.3 测温和电源模块

为了使计算的距离更精确而不受温度影响,该设计中加入了DS18B20温度传感器接在I/OP4.6上,实时检测机器人周围环境的温度T(T的值要精确到小数点后3位),以修正声速的传播公式V,从而提高测距的精确度。由于MSP430工作电压最大是3.3 V,电机驱动采用12 V电压,测速模块和超声波模块采用5 V电压,所以采用LM7812、LM7805和LM1117组成稳压电路。

2.4 语音模块

语音电路采用ISD2560芯片为核心器件,结合外围电路与单片机接口连接,进行分段寻址,分析所测量数据,并设计出语音元素,包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等语音元素,然后分别录制好语音元素,把这些信息存储在ISD2560的存储器单元内,测量的数据经过软件处理后,单片机发送语音地址和音控指令,通过和存储在ISD2560内的地址数据匹配,然后由语音电路通过扬声器播出测量数据的结果。语音芯片的地址码接口A4、A5、A6、A7、A8分别接在I/OP2.2、I/OP3.0、I/OP3.1、I/OP3.2、I/OP3.3.

2.5 电机驱动模块

电机驱动模块是智能车的重要组成部分,它和电机共同组成智能小车的运动控制系统。该设计的驱动轮是由2个M1和M2交流永磁同步电机,因此采用的电机驱动器是高电压大电流高功率的L298N双H桥集成电路,L289N可以驱动两个电机,通过控制输入端IN1-IN4信号,来控制H桥的通断,使得电机形成正反转或停止,通过控制L298N的使能端EnA、EnB,采用技术成熟的PWM调速原理来控制电机的转速,从而达到控制小车运行的快慢和转向的目的。为了防止在启停电机的瞬间所形成的反馈电流损坏L298N,因此在L298N输出端与电机之间加入8个二极管形成续流达到保护的作用,再则为了防止L298N输出负载端电机对输入端信号传输产生影响,以及对MSP430芯片产生不利的干扰,在L298N的信号输入端通过连接TLP521可控制的光电电耦合器件,达到对L298N信号输入前端的信号电路与负载的完全隔离,从而增加了电路的安全性,减少了电路信号干扰。本设计中的驱动电机采用的是方波驱动的交流永磁同步电机,该电机的转速与驱动信号的频率成正比,结构简单,调速性能优良,运行可靠且便于维护。其电机驱动和控制模块电路如图3所示。

图3 电机驱动模块

出处:物联中国
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