簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文

常州工學(xué)院學(xué)士學(xué)位論文PAGEPAGE17目錄第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研…………3第二部分設(shè)計(jì)說明……………………5第三部分設(shè)計(jì)成果……………………10第四部分結(jié)束語………………………17第五部分致謝…………17第六部分參考文獻(xiàn)…………………18

第一部分設(shè)計(jì)任務(wù)與調(diào)研1.畢業(yè)設(shè)計(jì)的主要任務(wù)：智能小車采用MSP430F2274F單片機(jī)作為核心控制芯片，由液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊組成。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，用兩個(gè)直流電機(jī)作為前輪，再外加一個(gè)從動(dòng)輪，使小車轉(zhuǎn)向更加敏捷。采用PWM驅(qū)動(dòng)控制芯片，紅外LED和一體化接收頭來避障。基于可靠的硬件設(shè)計(jì)和穩(wěn)定軟件算法，實(shí)現(xiàn)避障、測(cè)速等功能。2.設(shè)計(jì)的思路、方法:本系統(tǒng)劃分為控制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。其中信號(hào)檢測(cè)部分包括：障礙物探測(cè)模塊，路程測(cè)量模塊?？刂撇糠职ǎ弘姍C(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，顯示模塊，控制器模塊，計(jì)時(shí)模塊，狀態(tài)標(biāo)志模塊。2.1控制器模塊本系統(tǒng)的控制器采用的MSP430單片機(jī)。MSP430在電池供電的低功耗應(yīng)用中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。其工作電壓為1.8～3.6V，正常工作時(shí)功耗可控制在200μA左右，低功耗模式可實(shí)現(xiàn)2μA甚至0.1μA的低功耗。MSP430系列單片機(jī)作為性能優(yōu)異的MCU已經(jīng)得到了廣泛的應(yīng)用。MSP430具有高集成度，通常在單個(gè)芯片上集成了12位的A/D轉(zhuǎn)換器、比較器、多個(gè)定時(shí)器。一般單片就可滿足大多數(shù)的應(yīng)用需要。支持JTAG在線編程,可以方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載、仿真、調(diào)試和升級(jí)。2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路主要通過電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)小車前后或者左右方向的選擇，并使用PWM控制芯片來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制，L298芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。2.3顯示模塊在小車運(yùn)行過程中，需要對(duì)運(yùn)行的時(shí)間和路程做必要的顯示，系統(tǒng)選用液晶顯示屏顯示時(shí)間和路程。液晶顯示屏(LCD)具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險(xiǎn)，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢(shì)，可視面積大，畫面效果好，分辨率高，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。2.4障礙物探測(cè)模塊采用左右兩個(gè)紅外傳感器。紅外傳感器，是目前使用比較普遍的一種避障傳感器，可調(diào)節(jié)紅外傳感器的檢測(cè)距離為10~80cm，開關(guān)量輸出(TTL電平)，簡(jiǎn)單、可靠。2.5電源模塊雙電源供電。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分、顯示電路、紅外傳感器部分用小型蓄電池供電。小型蓄電池具有，輸出功率大，在負(fù)載不穩(wěn)定的情況下能保證合適的電壓和電流輸出的特點(diǎn)。單片機(jī)和傾角傳感器則對(duì)電壓參數(shù)要求比較高，使用9v干電池穩(wěn)壓到5V。這樣設(shè)計(jì)雖然不如單電源方便靈活，但可以將電極驅(qū)動(dòng)所造成的干擾有較高的抑制，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性能。3.調(diào)研的目的和總結(jié)隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人們的關(guān)注，而汽車的智能化已成為科技發(fā)展的新方向,本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出來的。智能機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、交通等領(lǐng)域，人們也在不斷地著力于改進(jìn)機(jī)器人的智能，讓它更好地為人們提供便捷、舒適的生活。而智能電動(dòng)車作為機(jī)器人的典型代表，也在不斷地發(fā)展，方便人們對(duì)安全性能的追求。智能小車采用MSP430F2274F單片機(jī)作為核心控制芯片，由液晶顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊、電源模塊組成。在機(jī)械結(jié)構(gòu)上，用兩個(gè)直流電機(jī)作為前輪，再外加一個(gè)從動(dòng)輪，使小車轉(zhuǎn)向更加敏捷。采用PWM驅(qū)動(dòng)控制芯片，紅外LED和一體化接收頭來避障?；诳煽康挠布O(shè)計(jì)和穩(wěn)定軟件算法，實(shí)現(xiàn)避障、測(cè)速等功能。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式，也慢慢開始成為人們生活方式的主導(dǎo)。人們?cè)诓粩嗵接?、改造、認(rèn)識(shí)自然的過程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想，以此來提高人們的生活品質(zhì)。智能車輛是一個(gè)運(yùn)用計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)環(huán)境感知、規(guī)劃決策和自動(dòng)行駛為一體的高新技術(shù)綜合體。它在軍事、民用和科學(xué)研究等方面已獲得了應(yīng)用，對(duì)解決道路交通安全提供了一種新的途徑。計(jì)算機(jī)控制與電子技術(shù)融合為電子設(shè)能化開辟了廣闊前景.本設(shè)計(jì)就是其在電動(dòng)車的智能化方面的一種嘗試.文中所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易電動(dòng)車,在多種傳感器的配合下,具有自動(dòng)尋線、障礙物探詢、鐵片報(bào)警告示等性能.近幾十年來，主要工業(yè)化國(guó)家為電動(dòng)車的開發(fā)投入了大量的人力和財(cái)力，電動(dòng)車的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也取得了重大的進(jìn)展，盡管電動(dòng)車在能源和行駛里程的研制方面，至今未取得突破性的進(jìn)展。但是電動(dòng)車的美好前景仍然激勵(lì)著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動(dòng)車，改善其性能。車與世紀(jì)之交的今天，能源和環(huán)境對(duì)人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲越來越高。為了適應(yīng)這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)，世界各國(guó)政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對(duì)電動(dòng)車開發(fā)的投資力度，加快電動(dòng)車商品化步伐。雖然目前電動(dòng)車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿足人類基本需要。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，在走過了漫長(zhǎng)而艱難的發(fā)展程之后，電動(dòng)車正面臨著重大技術(shù)突破，有望成為21世紀(jì)的重要交通工具?，F(xiàn)代電動(dòng)車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)和變速系統(tǒng)，電動(dòng)車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化交通系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)各類系統(tǒng)的不同特點(diǎn)。第二部分設(shè)計(jì)說明1控制電路的設(shè)計(jì)單片機(jī)接收從傳感器檢測(cè)電路輸入的邏輯信號(hào)和脈沖信號(hào)，并將輸入的信號(hào)進(jìn)行處理運(yùn)算，以控制電流或控制電壓的形式輸出給被控制的單元電路，完成各項(xiàng)任務(wù)要求。單片機(jī)MSP730F2274外接各種傳感器電路和顯示電路，其中金屬探測(cè)電路和距離測(cè)量電路是信號(hào)輸入，顯示電路是信號(hào)輸出。為了方便單片機(jī)引腳的使用，我們將單片機(jī)的所有引腳用接口引出。圖2-1為控制電路模塊電路圖。圖2-1控制電路模塊圖2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片選用L298N。工作穩(wěn)定電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)提供，信號(hào)經(jīng)過光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過L298N的輸出腳與兩個(gè)電機(jī)相連。此電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2-2所示。芯片引腳情況為11腳為高時(shí)，當(dāng)10腳電平高于12腳時(shí)，13腳，14腳端電機(jī)正轉(zhuǎn)；12腳電平高于10腳時(shí)，電機(jī)倒轉(zhuǎn)；11腳為低時(shí)，電機(jī)自由控制。圖2-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖3顯示模塊的設(shè)計(jì)液晶顯示模塊以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、模塊化以及接口電路簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)在科研、生產(chǎn)和產(chǎn)品設(shè)計(jì)等領(lǐng)域中發(fā)揮著越來越重要的作用。本系統(tǒng)中采用液晶屏來顯示時(shí)間、路程、小車與起跑線的距離等信息。圖2-3所示為液晶與MSP430F2274的連接圖。為節(jié)省I/O口，采用串口方式與單片機(jī)通信。圖2-3液晶與MSP430F2274的電路連接圖4電源模塊的設(shè)計(jì)系統(tǒng)要求有3.3V，5V，9V混合輸出可充電蓄電池電源。我們采用了一個(gè)蓄電池儲(chǔ)存電提供系統(tǒng)用電要求，所以要設(shè)計(jì)一充電電路，由于單片機(jī)MSP430F2274需要工作在3.3V的電壓下以達(dá)到低功耗的目的，而一些傳感器，液晶等外圍設(shè)備需要5V與9V的工作電壓。所以我們利用一個(gè)7805三端5V穩(wěn)壓管、一個(gè)7812三端12V穩(wěn)壓管和一個(gè)AMS1085CT三端3.3V穩(wěn)壓管做為電路主要組成部分。電路原理圖如圖2-4所示。圖2-4電源電路原理圖5障礙物探測(cè)電路的設(shè)計(jì)小車行駛線路中，有兩個(gè)障礙物，要求小車?yán)@過障礙物，避免與障礙物相撞。為了檢測(cè)障礙物并確定障礙物的距離，在小車的前方安置兩個(gè)紅外線發(fā)射與接收電路。圖2-5為障礙物探測(cè)電路。調(diào)節(jié)其電位器，可以改變紅外發(fā)射與接收的距離。將紅外檢測(cè)到的信息發(fā)送到MSP430F2274，并通過控制電機(jī)避開障礙物。圖2-5障礙物探測(cè)6系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)6.1設(shè)計(jì)思路系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。程序是在WINXP環(huán)境下采用IAREmbeddedWorkbench軟件編寫?？梢詫?shí)現(xiàn)小車對(duì)傳感器的查詢，電機(jī)的控制，液晶顯示等功能。紅外探測(cè)障礙物時(shí)，當(dāng)沒有感應(yīng)到障礙物時(shí)紅外傳感器為單片機(jī)提供高電平，當(dāng)傳感器感應(yīng)到障礙物時(shí)紅外傳感器為單片機(jī)提供低電平，并產(chǎn)生一個(gè)下降沿提供給單片機(jī)觸發(fā)中斷，從而調(diào)用中斷子程序。當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，控制小車左轉(zhuǎn)一定時(shí)間后，再右轉(zhuǎn)一定時(shí)間，再次判斷前方是否有障礙物，直到?jīng)]有障礙物的信號(hào)避障子程序流程如圖2-6所示。其它子程序包括：顯示子程序、延時(shí)子程序、路程測(cè)量子程序等。圖2-6避障子程序流程圖6.2避障單元設(shè)計(jì)在避障單元設(shè)計(jì)中，判斷有無障礙物時(shí)使用的是求平均值，即求概率事件的值方式。因?yàn)橛型饨绲母蓴_和接收電路的延時(shí)，即使你發(fā)射出完全相同的十組信號(hào)，接收時(shí)也有所不同基本上沒有兩組信號(hào)是完全相同，而且還有可能收到多于十組的信號(hào)，這時(shí)只能用軟件進(jìn)行排除和更正。先將所有低電平的時(shí)間計(jì)數(shù)下來，放入數(shù)據(jù)寄存器中。如果某些值太小或者太大就認(rèn)為是無效值，再將有效的幾組值求其平均值，再與閥值進(jìn)行比較。運(yùn)行實(shí)驗(yàn)也證明，本設(shè)計(jì)中采用的L298N芯片基于概率分析的避障單元實(shí)現(xiàn)方式，取得很好的避障效果。6.3避障一體化紅外線接收頭輸出波形圖如下：圖2-7紅外線輸出波形圖第三部分設(shè)計(jì)成果1.系統(tǒng)測(cè)試1.1測(cè)試使用的儀器⑴測(cè)試使用的儀器測(cè)試中所使用的儀器儀表；穩(wěn)壓器、萬用表、軟尺。⑵指標(biāo)測(cè)試和測(cè)試結(jié)果紅外發(fā)射管的電流在5～20mA之間，電流大，發(fā)射的紅外線強(qiáng)，但雜散反射光分量多，不易調(diào)整，檢測(cè)誤差大；電流小，工作可靠，檢測(cè)頭相對(duì)被檢測(cè)的物體的距離范圍窄，對(duì)于寬度為5cm的黑色條紋，電流在10mA左有就可以了。將檢測(cè)頭對(duì)準(zhǔn)在白紙上，適當(dāng)靠近或拉開與白紙間的距離，調(diào)整電位器，使得反向器輸出為一個(gè)高電平。在用一張畫有黑白相間條紋的劃過檢測(cè)頭，用示波器觀察波形是否在高、低電平中跳變。若沒有此現(xiàn)象，可慢慢調(diào)整電位器，直到滿意為止。輪胎測(cè)試:前輪驅(qū)動(dòng)電路直接用穩(wěn)壓可調(diào)直流電源供電，用外加信號(hào)觸發(fā)，觀看電機(jī)轉(zhuǎn)速以及測(cè)量電機(jī)兩端的電壓。電機(jī)在正常行駛下不動(dòng)作，在小車偏離軌道時(shí)電機(jī)發(fā)生了相應(yīng)的轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)電機(jī)在動(dòng)作時(shí)的電流達(dá)到一定的強(qiáng)度，使輪子能偏轉(zhuǎn)到比較大的角度。2系統(tǒng)軟件流程圖鐵片流程圖及程序如下：圖3-1鐵片流程圖鐵片程序：voidiron_1()//檢測(cè)鐵片{uchartemp;last=iron.num; if(P32==0){ delay_ms(10);if(P32==0) { while(P32==0); iron.num++; } if((last==0)&&(iron.num==1)) {for(temp=0;temp<2;temp++)//change { //change delay_ms(100); P27^=1; P26^=1; } }}if(iron.num>=2){ iron.num=0; iron.iron_stop_flag=1;}elseif(iron.num<2){ iron.iron_stop_flag=0;}if(iron.iron_stop_flag==1){iron.iron_stop_flag=0; P23=0; //stop P24=0; //stop for(temp=0;temp<10;temp++)//change { //change delay_ms(100); P27^=1; P26^=1;} init_turn();while(1){while(1){turn_left_right(); iron_1();if(step_mode==1)break;P23=1;P24=0;P22=0;P21=1;delay_ms(200); //changeP22=0;P21=0;} step_mode=1;//準(zhǔn)備進(jìn)入下一狀態(tài)}}行駛轉(zhuǎn)向流程圖及程序如下：圖3-2行駛轉(zhuǎn)向流程圖行駛轉(zhuǎn)向程序：voidinit_turn(){ P21=0; P22=0; P23=1; P24=0; P26=0; P27=0;}voidturn_left_right() //循跡{if((P10==1)&&(P11==0))//turnleft{ delay_ms(0); P21=1; P22=0; }if((P11==1)&&(P10==0))//turnright{ delay_ms(0); P22=1; P21=0; }if((P11==1)&&(P10==1))//stop{ delay_ms(0); P22=0; P21=0; }/////if((P11==0)&&(P10==0))//change{ delay_ms(0); P22=0; P21=0; }/////}voidcheck_block(){if((P12==0)&&(P13==1)&&(P14==1)&&(P15==1))//turnleft 壁障{ delay_ms(0); P21=1; P22=0; }if((P13==0)&&(P14==1)&&(P15==1))//turnright 尋光{ delay_ms(0); P22=1; P21=0; }if((P14==0)&&(P15==1))//stop 找方向{ delay_ms(0); P22=0; P21=0; }/////if(P15==0)//change停車{ delay_ms(0); P23=0; P24=0; step_mode=2; }///// }在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1）單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫及調(diào)試；（2）模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；（3）模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序﹑定時(shí)子程序、避障子程序﹑中斷子程序﹑顯示子程序﹑調(diào)速子程序構(gòu)成。一個(gè)單片機(jī)的控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)和可靠性在很大程度上決定于軟件，本系統(tǒng)軟件采用C語言編程，移植性好，可適應(yīng)不同核心的單片機(jī)采用模塊化結(jié)構(gòu)，每個(gè)功能模塊對(duì)于整體的設(shè)計(jì)都是非常重要的。第四部分結(jié)束語因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：紅外線有一定的缺陷，在光線較強(qiáng)的環(huán)境下輸出的高低電平不穩(wěn)定，因此，可以在光電管上加上固定管以減少與外界環(huán)境的接觸。還有許多的地方是通過老師的指導(dǎo)與講解和同學(xué)討論才得以完成的，本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心部件，利用紅外測(cè)障并配合一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)了小車的方向速度控制、躲避障礙物、時(shí)間顯示等功能，最終使小車完成要求的各項(xiàng)任務(wù)。通過這次設(shè)計(jì)使我懂得了理論與實(shí)際相結(jié)合是很重要的，只有理論知識(shí)是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，只有把所學(xué)的理論知識(shí)與實(shí)踐相結(jié)合起來，從理論中得出結(jié)論，才能真正為社會(huì)服務(wù)，從而提高自己的實(shí)際動(dòng)手能力和獨(dú)立思考的能力。在設(shè)計(jì)的過程中難免會(huì)遇到過各種各樣的問題，同時(shí)在設(shè)計(jì)的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，對(duì)以前所學(xué)過的知識(shí)理解得不夠深刻，掌握得不夠牢固，以后還有待加強(qiáng)。本系統(tǒng)以MSP430單片機(jī)為核心部件，利用紅外測(cè)障并配合一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)了小車的方向速度控制、躲避障礙物、時(shí)間顯示等功能，最終使小車完成要求的各項(xiàng)任務(wù)。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，并充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，來滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。因?yàn)闀r(shí)間有限，該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：紅外線有一定的缺陷，在光線較強(qiáng)的環(huán)境下輸出的高低電平不穩(wěn)定，因此，可以在光電管上加上固定管以減少與外界環(huán)境的接觸。智能機(jī)器人的發(fā)展非常迅速，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于機(jī)械、電子、交通等領(lǐng)域，