基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計本科畢業(yè)設(shè)計說明書(論文).doc

畢業(yè)設(shè)計基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計基于超聲波的智能避障小車的研究與設(shè)計摘要 在這個智能普及的時代，智能小車也逐漸吸引著高校學(xué)生和研究工作者們的眼球。基于單片機的智能小車制作成本較為低廉，操作起來比較方便，電路簡單，程序方便易調(diào)試，且其比較考驗制作者的細(xì)膩及用心程度，趣味性比較強，所以在本設(shè)計中的核心就是用單片機控制智能小車并使其搭載超聲波測距儀，通過程序的編寫以及對硬件各部分的調(diào)試，使其最終達到在障礙物小于編程中設(shè)定的距離的情況下能夠進行自動避障。超聲波也是現(xiàn)在時代發(fā)展的主流。應(yīng)用在各個大品牌的汽車上。自動泊車和拐彎都是在基于超聲波的測距情況下來完成并實現(xiàn)其功能的。本設(shè)計的最初靈感是來自倉庫管理機器人，在如今勞動力較為飽和的社會現(xiàn)狀下，能夠用更小的投資獲得最大的收益也成為企業(yè)家們更加關(guān)注的問題，若本設(shè)計能夠完成并且能夠完美收官，也會被不少企業(yè)家們所看重。在本設(shè)計中綜合運用了在大學(xué)四年間學(xué)到的單片機程序編寫的知識、電路連接、硬件焊接以及電子設(shè)計等多種真正在學(xué)校學(xué)習(xí)到的本領(lǐng)。比較考驗本人的知識融合能力以及動手操作的實踐能力。對將來步入社會都起著舉足輕重的作用。關(guān)鍵詞：超聲波；避障；單片機；程序編寫research and design of ultrasonic intelligent vehicle obstacle avoidanceabstractin this era of universal intelligent, smart car has gradually attracted college students and research workers of the eye. based on single-chip smart car production is low in cost, convenient to operate, simple circuit, easy debugging procedures, and the comparative test and delicate intentions of the creators, interesting and relatively strong, so the core in this design is to use scm smart car which equipped with ultrasonic range finder, through the program and the debugging of the hardware, so that it can reach the obstacle distance less than a set of programming in case of automatic obstacle avoidance.ultrasonic is the mainstream of the development of the times now. used in various brands of cars. automatic parking and turning are in the situation of the ultrasonic ranging down to complete and based on the realization of its function.the original inspiration of this design is from the warehouse management in the social status of the robot, now labor is saturated, can obtain the maximum profit with less investment has become entrepreneurs pay more attention to the problem, if the design can complete and perfect ending, many entrepreneurs will be valued.in this design, the integrated use of the knowledge learned in the four years of university circuit microcontroller programming the hardware connection, various welding and electronic design of real learning skills in school. the comparison test of the knowledge integration ability and practice ability of the operation. to enter the society in the future will play a decisive role. key words：singlechip；ultrasonic；obstacle avoidanc；program目錄第一章緒論11.1 項目研究背景及意義11.2 國內(nèi)外發(fā)展情況11.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀11.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀21.3 畢業(yè)設(shè)計目標(biāo)與內(nèi)容31.4 論文結(jié)構(gòu)安排3第二章器材介紹42.1 寶貝車底盤42.1.1 亞克支架底盤配件清單42.1.2 tt變速電機42.1.3 小車車輪2個52.1.4 萬向輪 1個52.2 uln200362.3 msp430f149單片機82.4 繼電器142.5 超聲波測距儀器 us-100模塊簡介16第三章程序編寫203.1 us100超聲波測距模塊程序203.1.1 超聲波測距模塊觸發(fā)方式203.1.2 單片機串口配置213.2 電機驅(qū)動方式25第四章硬件平臺的搭建274.1 模塊接線274.1.1 us-100超聲波測距儀器284.1.2 繼電器284.1.3 電機294.2 小車運行實際效果30第五章結(jié)論34參考文獻35致謝36天津理工大學(xué)中環(huán)信息學(xué)院2015屆本科畢業(yè)設(shè)計說明書第一章緒論1.1 項目研究背景及意義世界終將是嵌入式的天下。微軟在80年代看到了個人pc，卻沒有預(yù)測到更遠的未來。喬布斯重新定義了智能手機，更加貼近人類生活。然而谷歌放眼的是改變世界。開放式的平臺才是世界未來的發(fā)展主流。時代在變，時代的主流在變，人們心中的定義的流行更新替換的也是越來越快。在進入21世紀(jì)以來，世界發(fā)展的總體大方向是“智能”。什么是智能呢？職能作為新時代的產(chǎn)物，被定義為“它能夠按照人類預(yù)先給定的模式，在某個特定的環(huán)境和條件下自動運行，不需人為的管理，就可以完成預(yù)期所想要達到的或者是更高級的目標(biāo)?！痹诒驹O(shè)計中，就體現(xiàn)了小車的智能模式。通過程序的編寫和硬件的調(diào)試，在單片機控制下，驅(qū)動小車底盤上的變速電機的轉(zhuǎn)動，帶動小車的前進，通過搭載在小車底盤上的超聲波測距儀判斷在障礙物距離，并在小車與障礙物的距離小于編程中的設(shè)定值時，小車就會自己做出自動的動作，朝著沒有障礙物的方向繼續(xù)前行，完成開始設(shè)計時的目標(biāo)。在當(dāng)今這個社會的大背景下，所有人力不可及的事情好像都可以通過人類的智慧，讓更多的現(xiàn)代高科技產(chǎn)物代替人類去完成。比如在地震之后，檢測在廢墟下是否還有待拯救人類；在家庭主人忙碌一整天之后，回到家之后看到亂作一團的家里衛(wèi)生環(huán)境，通過簡單的一個開關(guān)按鈕，就可以讓吸塵器機器人進行自動動作，幫助打理家庭環(huán)境衛(wèi)生；在陰暗的工廠倉庫中，工人們不方便操作，本設(shè)計就是工廠倉庫搬運機器人的雛形。我國作為世界上的經(jīng)濟大國，在科技領(lǐng)域已經(jīng)取得不小的成就。但是在汽車制造業(yè)，我國跟世界上的頂尖制造國還是有一定的差距。在頂尖的汽車中，都會應(yīng)用到超聲波的智能避障，當(dāng)汽車與障礙物之間的距離小于一定距離的時候，系統(tǒng)就會提示車主，讓車主做出相對應(yīng)的處理措施。若司機沒有采取措施，汽車便會制自行制動，避免發(fā)生危險。我國的科研人員也可以參照此方向做研究并進行發(fā)展。1.2 國內(nèi)外發(fā)展情況1.2.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀在國外，機器人的發(fā)展有如下趨勢。一方面機器人在制造業(yè)應(yīng)用的范圍越來越廣闊，其標(biāo)準(zhǔn)化，模塊化，網(wǎng)絡(luò)化和智能化的程度越來越高，功能也越來越強大，并向著計算機技術(shù)和裝備成套化的方向發(fā)展；另一方面，機器人向著非制造業(yè)應(yīng)用以及微小型方向發(fā)展，如表演型機器人，服務(wù)型機器人，機器人玩具等1。國外研究機構(gòu)正試圖將機器人應(yīng)用于人類活動的各個領(lǐng)域。外太空探索，倉庫管理，智能家庭清潔機器人，智能避障小車，航空航天，兒童玩具，以及人們?nèi)粘Ｋ玫降氖謾C，電腦等都充斥著智能，智能是這個社會發(fā)展的大方向，是社會發(fā)展的必然趨勢，國外在這方面的研究早于我國，因此在這方面，我國還是比較落后于歐美及日本等發(fā)達國家的。1.2.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀自人類進入科技世紀(jì)后，隨著各領(lǐng)域的科技技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們對生活、生產(chǎn)、工具使用安全性的要求也越來越高，相比于古代的人力，人們現(xiàn)在更愿意讓機器去代替人力來完成一些工作，因此，科學(xué)技術(shù)的發(fā)展必然會改變這一現(xiàn)狀，各類高科技產(chǎn)品交替衍生，小則人們的衣食住行，行車安全，智能交通，兒童玩具等，大則到國家的國防安全，航天航空領(lǐng)域，外太空探索等，這些都已成為人們生活必不可少的一部分。機器人是現(xiàn)代社會的發(fā)展產(chǎn)物，是人類文明進步的標(biāo)志，是世界發(fā)展史上的一個重要的里程碑。它可以作為人類勞動成產(chǎn)中的主要力量，可以在很大程度上幫助人們減輕工作負(fù)擔(dān)，減小工作量；不會危及到人類的安全，在人類不適宜去到的環(huán)境下可以驅(qū)使只能小型機器人代替人類涉足，將信息傳回人類所能接受到的媒介中，使人總結(jié)并得出應(yīng)有的結(jié)論。對于機器人的定義從來都沒有一個統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。但是在大多數(shù)專家學(xué)者看來，所謂機器人就是通過軟件編程控制硬件，使其能夠?qū)崿F(xiàn)它應(yīng)該完成的功能。在1979年，美國的機器人學(xué)會對機器人進行了定義：一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工具的操作機；或是位了執(zhí)行不同任務(wù)而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)。而日本的學(xué)者則認(rèn)為：機器人就是一種自動化的機械。但是在我國的學(xué)者眼中，機器人就是一種自動化機器，它能夠具有高度的靈活性，并且具備一些和人或生物相似的智能能力的自動化機器2。智能小車就是在這樣的前提下演變而成的，智能小車其實就是一種簡易的智能機器人，它具有很強的自我組織能力和自我適應(yīng)能力，可以在沒有人操作的情況下完成很多提前規(guī)劃好的任務(wù)。其被開發(fā)出的主要目的就是完成一些危險的，費時費力的，一些對人們正常生活有障礙的工作，此時，智能避障小車就能很好的去完成這些工作，并達到預(yù)期的目的，障礙物檢測是智能移動機器人、智能汽車對周邊環(huán)境感知技術(shù)研究領(lǐng)域中的重要方面。可移動的智能機器人自適應(yīng)能力強，高度的自規(guī)劃能力和較強自組織能力使其性能強勁，操作方便，在沒有人類的干預(yù)和擾動條件下，不用特定環(huán)境和外部因素的改變，就能夠在初始設(shè)定中有效的完成設(shè)計時的目標(biāo)，完成任務(wù)。智能避障小車是智能汽車研究的雛形，通過傳感器的數(shù)據(jù)接收能夠快速的進行判斷并且迅速作出反應(yīng)，對感知周圍環(huán)境技術(shù)也有一定的研究意義。社會的發(fā)展，科技的進步，使得如今技術(shù)越來越向利益方向發(fā)展，歐美各國及日本等發(fā)達國家都對該研究方向做出一定的探索和研究，并且取得了比較可觀的成果。我國因為發(fā)展起步晚，理論技術(shù)不足，基礎(chǔ)設(shè)施不全，資金分配不夠合理等因素，導(dǎo)致我國在這方面的研究領(lǐng)域中取得的成果與發(fā)達國家存在較大的差距，只有一些小研究機構(gòu)能做出一些小的研究成果。在本設(shè)計中，通過使用“基于超聲波的障礙物檢測測距系統(tǒng)”，用單片機msp430f149驅(qū)動小車的電機轉(zhuǎn)動，通過裝配的單片機程序驅(qū)動，負(fù)載超聲波的測距程序，實現(xiàn)小車在障礙物的距離小于設(shè)定距離時能夠自動作出判斷并執(zhí)行拐彎動作，向沒有障礙物的方向繼續(xù)前行。此設(shè)計可以說是就在機器人的雛形，也可以是倉庫搬運機器人的雛形，也可以用于兒童玩具開發(fā)，發(fā)展前景較為廣闊，使用價值比較高。1.3 畢業(yè)設(shè)計目標(biāo)與內(nèi)容研究us-100超聲波模塊的測距工作原理，學(xué)習(xí)本模塊的使用方法；研究車輪電機的驅(qū)動方法，并了解電機的負(fù)載及其驅(qū)動電壓，設(shè)計合理的電機驅(qū)動電路；用ccs編寫程序，實現(xiàn)智能避障小車的控制算法，利用us-100超聲波測距模塊，測量障礙物和小車之間的距離，通過單片機程序的編寫驅(qū)動超聲波模塊反饋的距離，與在設(shè)計中的設(shè)定值進行比較，當(dāng)距離小于設(shè)定值時，小車能夠自動避開障礙物并繼續(xù)前進。智能避障小車也會在倉庫管理等方面有廣泛的應(yīng)用，設(shè)計并實現(xiàn)智能避障小車的控制算法，在鍛煉學(xué)生動手能力、提高學(xué)生理論聯(lián)系實際能力的同時，可以為工程實踐積累經(jīng)驗。1.4 論文結(jié)構(gòu)安排第1章，緒論。介紹本設(shè)計中的設(shè)計研究目的，研究背景、研究意義以及主要研究內(nèi)容，并對相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀做簡要分析；第2章，本設(shè)計的相關(guān)器件的介紹；第3章，系統(tǒng)軟件程序設(shè)計，在ccs編程環(huán)境中利用c語言對系統(tǒng)編程實現(xiàn)各個功能，包括超聲波測距，智能避障等程序的編寫；第4章,系統(tǒng)硬件平臺的搭建；第5章,本模型的運行效果行調(diào)試；第6章,結(jié)論。通過對本次設(shè)計中的方法和方式進行總結(jié)，得出本次設(shè)計的結(jié)論，并總結(jié)設(shè)計收獲和體會，同時指出再設(shè)計工作中的不足之處和需要改進的地方。第二章器材介紹2.1 寶貝車底盤 2.1.1 亞克支架底盤配件清單亞克力底盤1個。本小車底盤的規(guī)格為：長為20cm，寬為15cm，頭部寬為15cm,中部寬為10cm。底盤實物圖如圖2.1所示：圖2.1 寶貝車底盤fig.2.1 baby car chassis2.1.2 tt變速電機本設(shè)計所用的小車電機實物如圖2.2所示：圖2.2 tt變速電機實物圖fig.2.2 tt variable speed motor physical map電機采用扭力強勁抗干擾強磁電機, 超省電，空轉(zhuǎn)電流0.1-0.2a,電機運行穩(wěn)定，無抖動。本設(shè)計中對速度無要求，要穩(wěn)定巡線，調(diào)速運行，用1：120的電機，6v電壓，速度約90轉(zhuǎn)/分鐘，可以載重1公斤左右。2.1.3 小車車輪2個本設(shè)計中小車的車輪如圖2.3所示：圖2.3 小車車輪實物圖fig.2.3 the car wheel physical map2.1.4 萬向輪 1個本設(shè)計中小車轉(zhuǎn)彎是由如圖2.4所示的萬向輪控制的：圖2.4 小車萬向輪fig.2.4 the car wheel亞克力tt電機支架 4個銅柱 4 個與 螺絲3x6mm 8個（固定萬向輪）螺絲3x30mm 4個 螺帽3mm 4個 （固定電機）2.2 uln2003復(fù)合晶體管iculn2003是高耐壓、大電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅npn 復(fù)合晶體管組成3。uln2003實物圖如圖2.5所示：圖2.5 uln2003實物圖fig.2.5 uln2003 physical mapuln2003的每一對復(fù)合三極管都串聯(lián)一個2700歐姆的基極電阻,在5v 的工作電壓下它能與“晶體管-晶體管邏輯電路”和“金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成的集成電路”直接相連，它能夠處理原本需要用標(biāo)準(zhǔn)邏輯緩沖器來緩沖處理的數(shù)據(jù)。uln2003晶體管的工作輸出電壓高，工作輸出電流大，灌電流可達500ma，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受輸入為50v的電壓，輸出還能在高負(fù)載電流并行運行4。uln2003采用dip16或sop16塑料封裝。uln2003的內(nèi)部存在一個二極管可以用來消除線圈的反電動勢，所以它可以用來驅(qū)動繼電器。它是雙列16腳封裝,npn晶體管矩陣,最大驅(qū)動電壓是50v,電流是500ma,輸入電壓=5v,適用于“晶體管-晶體管邏輯電路”和“金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的晶體管構(gòu)成的集成電路”,由復(fù)合三極管組成驅(qū)動電路。uln是集成復(fù)合三極管的集成電路,內(nèi)部有一個用于消除線圈反電動勢的二極管,它輸出的電流最大為200ma，飽和壓降大約為1v左右，最大承受電壓大約為36v。uln2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、plc、數(shù)字量輸出卡等控制電路中?？芍苯域?qū)動繼電器等負(fù)載5。 uln2003的電氣特性如表2.1所示：表2.1 uln2003的絕對最大額定值及電氣特性table 2.1 the electrical characteristics of the absolute maximum ratings of the uln2003特點符號等級單位輸出電流（最大值）iout500毫安工作溫度 opr85攝氏度工作溫度 opr-40攝氏度儲存溫度（最大） 英鎊150攝氏度儲存溫度（最小值） 英鎊-55攝氏度輸出擊穿電壓v ce（sus）50v特點條件單位等級直流電流增益（最小值） fe-1000單位v in（on）（最大值）vin（on）-24-v in（on）（最小值）vin（on）-2.8v推薦系統(tǒng)電源電壓（最大值）v in（推薦）-24v推薦系統(tǒng)電源電壓（最小值）v in（推薦）-0v輸入5vttl電平，輸出可達500ma/50v。 uln2003是高壓大電流復(fù)合三極管陣列系列產(chǎn)品,它可以使電流變大、工作電壓變大、適應(yīng)溫度范圍大、帶負(fù)載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求較大功率速率快的系統(tǒng)6。引腳介紹如表2.2所示：表2.2 uln2003各個引腳功能介紹table 2.2 uln2003 introduced the function of each pin引腳1cpu脈沖輸入端，端口對應(yīng)一個信號輸出端。引腳9是7個續(xù)流二極管負(fù)極的公共端引腳2cpu脈沖輸入端引腳10脈沖信號輸出端，對應(yīng)7腳信號輸入端引腳3cpu脈沖輸入端引腳11脈沖信號輸出端，對應(yīng)6腳信號輸入端引腳4cpu脈沖輸入端引腳12脈沖信號輸出端，對應(yīng)5腳信號輸入端引腳5cpu脈沖輸入端引腳13脈沖信號輸出端，對應(yīng)4腳信號輸入端引腳6cpu脈沖輸入端引腳14脈沖信號輸出端，對應(yīng)3腳信號輸入端引腳7cpu脈沖輸入端引腳15脈沖信號輸出端，對應(yīng)2腳信號輸入端引腳8接地引腳16脈沖信號輸出端，對應(yīng)1腳信號輸入端 2.3 msp430f149單片機msp430系列單片機是德州公司新開發(fā)的一類單片機。它集成度較高，操作比較簡便，價格低廉，性能強勁，因此高校學(xué)生和科研開發(fā)人員比較青睞。它的傳輸速度比較快，因為具有16位總線，操作簡便，因為外部設(shè)備和內(nèi)部存儲都可以進行統(tǒng)一編址，尋址范圍達到64kb，并且可以進行外擴展存儲器。單片機的實物圖如下圖2.6所示：表2.3 msp430f140單片機的片內(nèi)部構(gòu)成table2.3 msp430f140 mcu internal structure片內(nèi)構(gòu)成數(shù)量/片16位定時器2個比較器1個看門狗1個p口6路dco內(nèi)部晶體振蕩器1個異步通信端口2路外部時鐘2個圖2.6 msp430單片機實物圖fig.2.6 msp430 mcu physical mapmsp430f149單片機的規(guī)格如下表2.4所示，功能框及模塊復(fù)位電路如下如2.7和2.8所示：表2.4 msp430單片機規(guī)格table2.4 msp430 microcontroller specifications程序存儲器類型flash工作電源電壓1.8 v to 3.6 v程序存儲器大小60 kb最大工作溫度+ 85 c數(shù)據(jù) ram 大小2 kb封裝 / 箱體lqfp接口類型spi or uart or usart封裝tube最大時鐘頻率8 mhz最小工作溫度- 40 c可編程輸入/輸出端數(shù)量48片上 adc8-chx12-bit定時器數(shù)量2圖2.7 msp430f149功能框圖fig.2.7 msp430f149 functional block diagram圖2.8 單片機復(fù)位模塊電路fig.2.8 mcu reset circuit modulemsp430系列單片機具有一種活動模式和五種軟件可選的低功耗運行模式。一個中斷事件可以將芯片從五種低功耗模式中的任何一種模式中喚醒，請求服務(wù)并在從中斷程序返回時恢復(fù)低功耗模式7。表2.5列出了六種運行模式由軟件配置下的運行模式：表2.5 單片機的運行模式the operation mode of scm低功耗模式0低功耗模式1低功耗模式2低功耗模式3低功耗模式4cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉cpu關(guān)閉aclk、smclk活動aclk、smclk活動mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉aclk、mclk、fll+，dcoclk關(guān)閉mclk關(guān)閉mclk關(guān)閉dco的直流發(fā)生器保持活動，aclk保持活動若未使用dco，則自動關(guān)閉aclk保持活動co的直流發(fā)生器關(guān)閉，晶體振蕩器停止msp430f149單片機的地址分配如下表2.6所示：表2.6 單片機地址分配table 2.6 mcu address allocation地址7654321000hutxieurxieaccvienmiieofiewdtierw-0rw-0rw-0rw-0rw-0rw-0wdtie：看門狗定時器中斷使能信號。ofie： 振蕩器故障中斷使能信號。nmiie：非屏蔽中斷使能信號。wdtifg：溢出，或安全鍵違例，或vcc上電復(fù)位，或rst/nmi有復(fù)位條件時，置位。ofifg：振蕩器發(fā)生故障時標(biāo)志置位。msp430f149單片機的內(nèi)部時鐘模塊電路圖如下圖2.9所示：圖2.9 單片機時鐘模塊電路圖fig.2.9 mcu clock module circuit diagrammsp430系列單片機存儲器組織如下表2.7表2.7 msp430系列單片機存儲器組織table 2.7 msp430 series mcu memory organizationmsp430f133msp430f135msp430f147msp430f148msp430f149memorymain:ineterrupt vector main:code memory information memoryboot memorysizeflashflash8kb0ffffh-offe0h0ffffh-0e000h16kb0ffffh-offe0h0ffffh-0c000h32kb0ffffh-offe0h0ffffh-08000h48kb0ffffh-offe0h0ffffh-04000h60kb0ffffh-offe0h0ffffh-01100hsizeflash256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000h256byte010ffh-01000hsizerom1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00h1kb0ffffh-0c00hramsize256byte02ffh-0200h512byte05ffh-0200h1kb05ffh-0200h2kb09ffh-0200h2kbe09ffh-0200hperipherals 16-bit 8-bit 8-bit sfr 01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00h01ffh-0100h0ffh-010h0fh-00hrom引導(dǎo)程序裝載程序的目的是把數(shù)據(jù)下載到閃速存儲器中。各種讀，寫和擦除操作都必須在正確的下載環(huán)境中完成。引導(dǎo)裝載程序只能在f版本的器件上使用。引導(dǎo)裝載程序的功能：將外部設(shè)備寄存器或存儲器中的數(shù)據(jù)施加并發(fā)送到引腳p1.1上(bsltx)。寫定義：寫進閃速存儲器的數(shù)據(jù)是從引腳p2.2(bslrx)中讀取的。其端口功能如下表2.8所示：表2.8 msp430單片機端口功能table2.8 scm msp430 port function端口功能p1、p2i/o、中斷功能、其他片內(nèi)外設(shè)功能p2、p3、p4、p5、p6i/o、其他片內(nèi)外設(shè)功能s、comi/o、驅(qū)動液晶閃速存儲器有n段主存儲器和每段128字節(jié)的兩段。信息存儲器(a和b)。主存儲器每個段長為512字節(jié)8。段0到n可以一步擦除，也可以每段分別擦除。段a和b可以分別擦除，或與段0到n作為一組擦除。安全熔絲燒斷是不可逆的;然后對jtag進一步的訪問完全不可能。編程/擦除電壓的內(nèi)部產(chǎn)生：無須使用任何外部元件，但是vcc需求的電源電流增大。編程和擦除定時由閃速存儲器中的硬件控制，無需軟件干涉。在首次使用之前,用戶應(yīng)該執(zhí)行一次對信息存儲器的擦除。單片機的存儲設(shè)備圖注如下圖2.10所示：圖2.10 msp430f149單片機的存儲設(shè)備圖注fig.2.10 msp430f149 microcontroller storage device map外圍設(shè)備:外設(shè)通過數(shù)據(jù)、地址和控制總線連接到cpu，并能容易地用內(nèi)存操作指令處理。數(shù)字i/o有6個已實現(xiàn)的8位端口-p1到p6。端口p1和p2用個控制寄存器，端口p3，p4，p5，p6僅使用4個寄存器，為應(yīng)用提供數(shù)字輸入/輸出的最大靈活性：所有單i/o口可獨立編程。任何輸入輸出和中斷條件的組合都是可能的。端口p1和p2的所有8位對外部事件的中斷處理完全實現(xiàn)。利用所有指令對所有寄存器的讀/寫訪問都是可能的。msp430f149單片機特點：低電壓、超低功耗。工作電壓3.6v1.8v ，正常工作模式280a1mhz，2.2v，待機模式1.6a，ram數(shù)據(jù)保存的掉電模式下0.1a。五級節(jié)電模式?？焖偬K醒，從待機模式下恢復(fù)工作，只需要不到6s時間。16位精簡指令集mcu，命令周期125ns。12位adc，具有內(nèi)部參考電壓源，并且具有采樣、保持、自動掃描等功能。具有12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器可以得到很高的精度，并且省去了使用專門的模數(shù)轉(zhuǎn)換器給設(shè)計電路板帶來的麻煩。2個16位計數(shù)器。具有捕獲、門限功能。具有片內(nèi)比較器。支持isp（在線系統(tǒng)編程），方便開發(fā)和項目升級。支持序列號，熔絲位燒寫。方便簡單。雙串口支持超小型封裝：64p-qfp、64p-qfn。2.4 繼電器在本設(shè)計中采用的是hk4100f型繼電器。因為單片機的輸出電壓不足以驅(qū)動電機，所以采用輸出為5v的繼電器作為中間變壓器來驅(qū)動。本設(shè)計中繼電器與uln2003同時焊接在一塊pc板上，方便接線。hk4100f繼電器的實物圖如圖2.11所示：圖2.11 繼電器實物圖fig.2.11 relay physical map本型號的繼電器基本參數(shù)如下表2.9和2.10所示：表2.9 hk4100f繼電器的基本參數(shù)table 2.9 the basic parameters of hk4100f relay觸點形式1c1a1b觸點材料silver alloy觸點負(fù)載3a 250vac/3a 30vdc最大轉(zhuǎn)換電壓300vac/60vdc最大轉(zhuǎn)換電流3a最大轉(zhuǎn)換功率750va/90w接觸電阻100m（at 1a 6vdc）電器壽命1105ops(30ops/min)機械壽命1107ops(300ops/min)表2.10 hk4100f繼電器的基本性能參數(shù)table 2.10 the basic performance parameters of hk4100f relay絕緣電阻100m 500vdc觸點與線圈間耐壓1000vac 1min觸點間耐壓500vac 1min吸合時間max.10ms釋放時間max.5ms溫度范圍-25 to +70穩(wěn)定性98m/s2強度980m/s2振動10 to 55hz 1.5mm濕度35% to 85%rh重量approx 3.5g安規(guī)認(rèn)定cul tuv cqchk4100f繼電器的外形圖，接線圖，及安裝孔尺寸如下圖2.12所示：圖2.12 hk4100f繼電器的外形圖、接線圖、及安裝孔尺寸fig.2.12 hk4100f relay figure, wiring diagram, and mounting hole sizehk4100f繼電器的電氣特性曲線如下圖2.13所示：圖2.13 hk4100f繼電器電氣特性曲線fig.2.13 the electrical characteristics of hk4100f relay curve2.5 超聲波測距儀器 us-100模塊簡介us-100超聲波測距儀器可實現(xiàn)0.02到0.045m的非接觸測距功能，它擁有比較寬的電壓輸入范圍，大約在2.45.5v之間，靜態(tài)功耗低于2ma，自帶溫度傳感器，可以對測量距離的結(jié)果進行校正,同時，它具有多種通信方式，如gpi0，串口等通信方式。它內(nèi)部自帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。超聲波測距儀的基本參數(shù)如下表2.11所示：表2.11 us-100超聲波測距儀的基本電氣參數(shù)table 2.11 basic electrical parameters of us-100 ultrasonic range finder工作電壓dc 2.4v5.5v靜態(tài)電流2ma工作溫度-20+70度輸出方式電平或uart（跳線帽選擇）感應(yīng)角度小于15度探測距離2-450cm探測精度0.3cm+1%uart模式下串口配置波特率9600，起始位1位，停止位1位，數(shù)據(jù)位8位，無奇偶校驗，無流控制。us-100的實物圖如下圖2.14和2.15所示：圖2.14 us-100正面圖fig.2.14 us-100 front view圖2.15 us-100背面圖fig.2.15 on the back of the us-100 map下圖2.16為us-100超聲波測距儀的五個管腳及模式選擇跳線接口圖2.16 模式選擇跳線接口fig.2.16 mode selection jumper interface本模塊的尺寸：45mm*20mm*1.6mm。板上有兩個半徑為 1mm的機械孔，如圖2.17所示:圖2.17 us-100超聲波測距模塊尺寸圖fig.2.17 us-100 ultrasonic ranging module size map從左到右依次編號1，2，3，4，5。它們的定義如下：1號pin：接vcc電源（供電范圍2.4v5.5v）。2號pin：當(dāng)為異步收發(fā)接收器模式時，接外部電路異步收發(fā)接收器的tx端；當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的trig端。3號pin：當(dāng)為異步收發(fā)接收器模式時，接外部電路異步收發(fā)接收器的rx端；當(dāng)為電平觸發(fā)模式時，接外部電路的echo端。4號pin：接外部電路的地端。5號pin：接外部電路的地端。us-100超聲波測距儀器的電平觸發(fā)測距的時序如圖2.18所示：10us8 40k圖2.18 us-100 測距時序圖fig.2.18 us-100 ranging sequence diagram在此模式下測得的距離值為：(高電平時間*340m/s)/2。注：不管溫度是多少，只需將聲速看作是340m/s即可。串口觸發(fā)測距工作原理在模塊上電前，首先插上模式選擇跳線上的跳線帽，使模 塊處于串口觸發(fā)模式。輸出的距離值共兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是距離的高8位（hdate），第二個字節(jié)為距離的低8位（ldata），單位為毫米9。即距離值為（hdata*256 +ldata）mm。第三章程序編寫3.1 us100超聲波測距模塊程序void sendchar(unsigned char data)while(!(ifg1&utxifg0);/等待發(fā)送寄存器為空txbuf0=data;unsigned char getchar(void)while(!(ifg1&urxifg0);return rxbuf0;unsigned int distance(void)unsigned char data_h,data_l;sendchar(0x55);data_h=getchar();data_l=getchar();return (data_h*256+data_l);3.1.1 超聲波測距模塊觸發(fā)方式1、 電平觸發(fā)第一步：采用單片機io口觸發(fā)模塊trig(控制端），給至少10us的高電平信號。第二步：觸發(fā)trig端之后，模塊自動發(fā)送8個40khz的方波，模塊再自動檢測是否有信號返回10。第三步：如果有信號返回，模塊echo端輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間11。第四步：單片機計算echo端高電平的時間，計算距離并顯示。測試距離=(高電平時間*聲速(340m/s)/2;2、 串口觸發(fā)輸出格式說明：模塊每次輸出一幀，含4個8位數(shù)據(jù)，幀格式為：0xff+h_data+l_data+sum第一步：0xff：為一幀開始數(shù)據(jù)，用于判斷。第二步：h_data：距離數(shù)據(jù)的高8位。第三步：l_data：距離數(shù)據(jù)的低8位。第四步：sum:數(shù)據(jù)和，用于效驗。其0xff+h_data+l_data=sum（僅低8位）。3.1.2 單片機串口配置一、msp430的串口通訊模塊（usart）由于本設(shè)計解決的是串口通訊問題，所以通信的基本原理是利用msp430的串口通訊模塊（usart）來實現(xiàn)單片機和pc機之間的串口通信12。1、usart的硬件構(gòu)成：msp430f149的串行通訊模塊的作用主要是實現(xiàn)對外通信，它可以實現(xiàn)異步通信和同步通信兩中通訊功能。圖3.1是usart的通訊模塊。圖3.1 usart的控制寄存器和工作模式fig.3.1 usart control register and work mode串口通訊的控制寄存器是其八個寄存器之中的一個，表3.1是其位的格式。表3.1 控制寄存器table 3.1 control registerpenvpevspcharlistensyncmmswrstusart的控制寄存器有8個有效控制位，通過對這些控制位的設(shè)置可以對工作模式，通信協(xié)議，校驗位等進行選擇13。用戶對usart的所有操作都是通過操作該寄存器的控制位來完成的。下面圖3.3是各個位的簡單功能描述,知道這些控制位的功能,有助于我們在后面進行硬件連接和軟件設(shè)計。單片機的主電路圖如下圖3.2所示,單片機的引腳圖如下圖3.3所示：圖3.2 單片機電路圖fig.3.2 microcontroller circuit diagrampenv：校驗使能位。該位為0不允許校驗；為1時，允許校驗，且在發(fā)送時產(chǎn)生校驗位，在接收時希望接收到校驗位。在地址位多機模式中地址位包括在校驗計算中。pev：奇偶校驗位。為0時，奇校驗，為1時進行偶校驗。sp：停止位。接收時停止位只有一個。發(fā)送時，該位為0，只有一個停止位；該位為1時，有兩個停止位14。char：字符長度位。該位為0表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為7位，該位為1時表示發(fā)送的數(shù)據(jù)為8位。圖3.3 單片機引腳圖fig.3.3 pin diagram二、通訊方式1、異步模式（uart）的選擇msp430f149單片機支持兩種不同的串行協(xié)議，異步通信（uart）協(xié)議和同步通信（spi）協(xié)議。這兩種協(xié)議的選擇是通過控制寄存器中的sync位來決定的。本設(shè)計中主要是利用msp430的異步通信（uart）模式原理實現(xiàn)單片機與pc機之間的串口通信的。msp430控制寄存器內(nèi)的信息決定了usart的基本操作，選擇異步模式（uart）需要通過設(shè)置sync=0來實現(xiàn)；本設(shè)計中對于其他控制位的設(shè)置還有：設(shè)置char=1，選擇字符長度為8位；設(shè)置sp=0，選擇停止位1位；設(shè)置pev=0，選擇奇校驗；設(shè)置mm=1，選擇地址位多機模式協(xié)議?？刂莆坏倪x擇基本上決定了系統(tǒng)的通信方式和通信格式。2、uart模塊的特點由于msp430單片機具有兩個片內(nèi)的uart：串口0和串口1，實現(xiàn)兩個串口通信相當(dāng)容易，只需要設(shè)置適當(dāng)?shù)募拇嫫骶涂梢允勾诠ぷ髌饋恚瑑蓚€串口都采用中斷方式，當(dāng)接收有數(shù)據(jù)時，設(shè)置一個標(biāo)志通知主程序有數(shù)據(jù)到來，當(dāng)主程序有數(shù)局要發(fā)送時，設(shè)置一個中斷標(biāo)志進入中斷發(fā)送數(shù)據(jù)15。本設(shè)計選用串口1與上位機進行通信。單片機的主流程序如下圖3.4所示：圖3.4 單片機主流程序圖fig.3.4 the main mcu program diagram下面是uart通信的一些特點：（1）異步通訊模式，包括線路空閑/地址位通信協(xié)議。（2）有兩個單獨的移位寄存器，輸入/輸出移位寄存器。（3）傳輸7位或8位數(shù)據(jù)，可采用奇偶或無校驗。（4）可編程實現(xiàn)波特率調(diào)整。（5）分別發(fā)，收單獨中斷。（6）有效地檢測到起始位實現(xiàn)從低功耗喚醒。（7）狀態(tài)標(biāo)志檢測錯誤或者地址位。三、基本通信協(xié)議：在pc機和多臺單片機的通訊中，確定一個明確而合理的通訊協(xié)議是關(guān)鍵，包括對數(shù)據(jù)格式、通訊方式、傳送速度、傳送步驟、檢糾錯方式以及控制字符定義等問題做出統(tǒng)一規(guī)定。數(shù)據(jù)格式采用數(shù)據(jù)包的形式，一次傳輸一組數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包格式如表3.2所示：表 3.2 數(shù)據(jù)包格式fig.3.2 packet format起使標(biāo)志位下位機地址操作命令數(shù)據(jù)長度數(shù)據(jù)內(nèi)容和校驗結(jié)束標(biāo)志起始標(biāo)志位:1 個字節(jié)分機地址: 1 個字節(jié)命令/ 數(shù)據(jù): 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)長度: 1 個字節(jié)數(shù)據(jù)內(nèi)容: n 個字節(jié) 和檢驗: 2 個字節(jié)結(jié)束標(biāo)志位: 1 個字節(jié) 3.2 電機驅(qū)動方式電機主要分交流電機和直流電機兩大類，驅(qū)動方式有直流直接驅(qū)動，交流直接驅(qū)動，直流變頻驅(qū)動和交流變頻驅(qū)動。直流直接驅(qū)動即為在電機上加額定的直流電壓，使電機能夠正常工作。交流直接驅(qū)動即為在電機上加交流電壓220v，電機能夠正常工作，切工作頻率是50hz。直流變頻驅(qū)動即為在電機上加直流電壓，改變電機的供電頻率，是電機能夠正常工作。交流變頻驅(qū)動即為在電機上加交流電壓，再轉(zhuǎn)換為直流電壓之后，再轉(zhuǎn)換成電機的額定交流電壓，使電機進行正常工作。電機的驅(qū)動方式機器運行特點如表3.3所示：表3.3 電機驅(qū)動方式及其特點table3.3 the way and characteristics of motor drive低電壓高電壓定義電機繞組工作過程中只用一個方向電壓對繞組進行供電在導(dǎo)通前沿用高電壓供電來提高電流的前沿上升率，在前沿過后用低電壓維持繞組的電流特點電路簡單，元件少、控制也簡單，實現(xiàn)起來比較簡單。但是在使用時必須提供足夠大的電流的三極管來進行開關(guān)處理，電機運轉(zhuǎn)速度比較低，電機震動比較大，發(fā)熱大。且危險系數(shù)較高。高低壓控制在一點程度上改善了震動和噪音，第一次提出細(xì)分控制步進電機的概念，同時也提出了停止時電流減半的工作模式。電路相對恒電壓驅(qū)動復(fù)雜，對三極管高頻特性要求提高，電機低速仍然震動比較大，發(fā)熱仍然比較大。在本次設(shè)計中，采用的是直流變速電機，該電機采用扭力強勁抗干擾強磁電機，超省電，空轉(zhuǎn)電流0.1-0.2a,電機運行穩(wěn)定，無抖動。本設(shè)計中對速度無要求，要穩(wěn)定巡線，調(diào)速運行，用1：120的電機，6v電壓，速度約90轉(zhuǎn)/分鐘，可以載重1公斤左右。第四章硬件平臺的搭建4.1 模塊接線本設(shè)計在最開始的時候是打算直接用單片機驅(qū)動小車的變速電機來實現(xiàn)小車的行駛并進行后續(xù)的工作。msp430f149單片機的各個引腳功能如下表4.1所列。但是后來在實驗中發(fā)現(xiàn)msp430單片機的p34端口的輸出電壓不足以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，影響后續(xù)工