智能小车实验报告

简易智能电动小车

摘要：

本系统基于运动控制原理，以MSP430为控制核心，用红外传感器、超声探头、光敏电阻、霍尔传感器之间相互配合，实现了小车的智能化，小车完成了自动寻迹、避障、寻光入库、铁片检测、行程测量的功能，整个系统控制灵活，反应灵敏。

关键词：MSP430 传感器 运动控制系统 Abstract:

This system based on motion control principle, as control core, with MSP430 infrared sensors, ultrasonic probe, photoconductive resistance, hall sensors, realize the interaction between the intelligent of the car, the car completed the automatic tracing, obstacle avoidance, found the light inventory, iron detection, the function of the trip, the whole system measurement control flexible, sensitive reaction.

Keywords: MSP430 sensor motion control system

2

目 录

摘要： .............................................................................................................................................. 2 一、方案的设计和论证................................................................................................................... 4

1、控制器的选择..................................................................................................................... 4 2、执行部件电动机................................................................................................................. 5 3、电机驱动............................................................................................................................. 5 4、传感器................................................................................................................................. 6

4.1、引导线的检测 ......................................................................................................... 6 4.2、金属的探测 ............................................................................................................. 6 4.3、路程的测量 ............................................................................................................. 7 4.4、障碍物的探测 ......................................................................................................... 7 4.5、寻光入库 ................................................................................................................. 8 5、电源 .................................................................................................................................... 8 6、系统总体设计方案............................................................................................................. 8 二、硬件设计 .................................................................................................................................. 9

1、前向通道............................................................................................................................. 9

1．1、循迹 ....................................................................................................................... 9 1.2、金属探测 ............................................................................................................... 11 1.3、路程测量 ................................................................................................................ 11 1.4、避障 ........................................................................................................................ 12 1.5、寻光入库 ............................................................................................................... 14 2、后向通道........................................................................................................................... 14

2.1、步进电机驱动 ........................................................................................................ 14 2.2、直流电机驱动电路 ............................................................................................... 15 2.3、声光信号 ............................................................................................................... 15 3、电源 .................................................................................................................................. 16 三、软件设计 ................................................................................................................................ 16 四、综合调试 ................................................................................................................................ 18 五、测试结果与分析 .................................................................................................................... 18 六、总结分析 ................................................................................................................................ 18 七、参考文献 ................................................................................................................................ 19

3

一、方案的设计和论证

根据题意可知，本系统是由电动机、功率放大与变换装置、控制器及其相应的传感器所构成的典型运动控制系统，其整体结构如图1所示： 给定 控制器 功率放大与 转换装置 电动机及负载 + 一 信号处理 传感器 图1 运动控制系统及其组成 将题中所给的各个指标转化为数字信号，并将其当作给定信号送给控制器，经过必要的算法处理，最后通过执行部件电动机反映至小车的运动状态上，传感器的作用在于实时检测小车的这种状态，并将运动的非电量转换为电压信号反馈给控制器，从而构成整个运动控制系统。对于每个模块器件的选择与搭建如下： 1、控制器的选择

方案一：采用一片51单片机，配合FPGA进行控制。FPGA直接控制执行元件并通过传感器获得状态参数，单片机负责进行运算和总控制。此方案可简化系统，FPGA能实现控制口的扩展，但对程序的要求较高。

方案二：采用两片51单片机配合进行控制。一片单片机作为主机，另一片单片机作为从机，主机完成控制，从机完成定时，计数等数据处理任务，为主机服务。此方案有着丰富的单片机资源，但硬件上较为复杂，而且两片单片机之间存在协调的问题。

方案三：利用TI的单片机MSP430，该芯片集成了模拟电路、数字电路、微处理器，具有AD采样、比较器、产生PWM控制信号等功能。此外，MSP430有更充足的I/O口，可以很好的实现对小车的控制。

题目对小车的实时性要求不是很高，所以我们所需要的控制单元不必要具备

很高的运算速度，故三种方案都可以很好的实现题目的要求。但为了简化硬件、有效的利用有限的单片机资源和调试的方便，我们采用了方案三，且这可以最大程度上减轻小车的质量，使小车的运动更为灵活。

4

2、执行部件电动机

方案一：不改变小车自带的电机体系，即前轮和后轮都使用直流电机分别控制小车的转向和前进后退，该方案在硬件上节省了部分的驱动电路，且在前轮不给控制时，会处于摆正状态，不需软件调节。虽然直流电机不易精确控制，但对于小车来说，其精确性并不十分重要。而其调速平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强、能承受频繁的冲击负载等优点则显得尤为突出。

方案二：前轮和后轮的电机都换为步进电机，步进电机的优点是具有快速启动和停转能力、转动角度精确。但此方案缺点显著，步进电机的功率小、速度慢，另外，其价格较高，且在原有的小车结构上不易找到合适的步进电机进行安装，硬件改造难度很高。

考虑到步进电机的质量较大，且控制复杂，故综合两种方案，将后轮用直流电机，而前轮用步进电机，这样在转向时可以有足够的档位，以实现较为精确的转向控制，但每次转向完毕，需再次用软件实现摆正。而后轮的直流电机也有足够的驱动能力带动小车的前进和后退。 3、电机驱动

由于系统采用了两种电机，则其驱动也是通过不同的电路实现的，对于直流电机，其驱动方案如下：

方案一：采用H型桥式驱动电路，直流电机驱动使用最广泛的是H型桥式驱动电路，这种电机可以很方便的实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。但是使用时需要注意直通短路，这给电路带来了不稳定因素。

方案二：采用继电器方式。利用继电器控制供电电路的通断，改变其通断频率便可得到合适的转速和驱动功率。此方案电路简单，但继电器的机械特性易损坏、寿命短、可靠性不高。

方案三：利用驱动专用芯片L298，L298是集成的桥式驱动电路，最大驱动

电流可达到4A。该芯片使用时外围电路简单，控制方法十分方便。而且其驱动效果良好。

对直流电机的转速和功率的控制归根结底即是对电机输入电压的控制，根据PWM斩波（直流变压）原理可知：斩波频率越高，变压效果越好，直流电机转速

5

越稳定。而继电器作为机械开关不可避免的会限制电路开关频率的的提高。从方便控制和电路稳定性的角度考虑，采用方案三。

对于步进电机，有如下的驱动方案：

方案一：用L298N驱动该四相的步进电机，其输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出的电压，通过单片机对L298N的IN1~IN4口和ENA、ENB口发送脉冲信号来控制电机的转速和方向。

方案二：L297加驱动器L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且单片机硬件费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A， L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻单片机和程序设计的负担。

综合考虑，采用方案二作为步进电机的驱动电路。 4、传感器 4.1、引导线的检测

方案一：用光敏传感器。地面的黑色和白色反光程度不同，由此判断传感器是否在黑线上方。但此方法易受到外界光源的影响，检测的灵敏度与小车的行驶环境有关，这就降低了系统的适应能力和可靠性。

方案二：采用反射式红外传感器ST188。红外线检测方法则能在一定程度上避免外界光源干扰的问题。一般光源红外线频段能量较弱，对传感器的干扰较小，而且红外线波长大，近距离衰减小，用红外传感器探测近距离黑线更可靠。

考虑到系统调试的过程中，行驶环境会有一定变化，因此选用方案二。引导黑线宽2CM，我们使用四个反射式红外传感器，将中间两个反射式红外传感器装在黑线的两侧，考虑到要使小车有充分的反应时间，将红外装在靠近车头部位，适当加大传感器的距离。当小车偏离引导线时，某一侧的红外传感器会探测到黑线，控制前轮向该方向转向，使小车回到原轨道。 4.2、金属的探测

方案一：采用分立的霍尔元件。由于霍尔元件的电磁效应，在小车接近铁片时会产生脉冲信号。但产生脉冲信号不够稳定，持续时间不长、灵敏度低。

方案二：采用工业用的集成金属检测元件涡流式接近开关。接近开关一检

6

测到铁片就会稳定的输出脉冲信号，抗干扰能力强。且元件使用简单，灵敏度较高。

由于集成式的接近开关的抗干扰能力强，且产生的脉冲波形稳定故我们决定采用方案二。 4.3、路程的测量

要获取小车的行程或距离，关键是得到车轮的转速，转速的测量则有以下几种方案：

方案一：采用红外传感器。在车轮上均匀地安装多个遮光条，用计数光脉冲的方法测量车轮的转速，并据此计算车子的位移。只要合适的选取遮光条就能得到较高的精确度。但为了使测量效果最好，需在安装位置等方面占用较多的调试时间。

方案二：采用霍尔传感器。霍尔传感器由霍尔开关、磁铁组成。其工作原理是将霍尔开关和磁铁分别安装在车架、车轮的适当位置。辆行驶时，在磁铁的作用下，霍尔开关产生开关信号，累计开关信号的总数，再乘上车轮的周长，便可计算出车辆行驶的距离。

方案三：借鉴光电鼠标的工作原理。使用光电传感器ST135，在车轮的轮轴上安装一个齿轮，用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。

考虑到安装传感器的部位在车轮处，此处较弱的光强会影响光电码盘的工作，使得方案一在测量时会受到较大的影响。而霍尔传感器受到的影响这较小，故方案二可以实现较精确的测量。对于方案三，虽然可以减小更多的干扰，但其安装较为困难，所以我们选择方案二。 4.4、障碍物的探测

方案一：利用激光测距来进行探测。此方案探测距离比较准确、性能可靠；但造价较高，已经超出了学生的购买力。

方案二：采用超声波探测。超声波频率高、波长短、定向性好、能量集中，适合于距离测量，且不易受光线干扰，提高了系统的可靠性，另外还可以障碍物的位置进行定位。但是电路结构稍微复杂一些，调试上也存在困难。

方案三：采用反射式红外探测。其电路形式比较简单，但其测量的距离比较近，对小车的避障是很不利的。

综上所述，采用方案二，再进行合适的参数选取以及必要的调试，就可使

7

最终的结果满足题目的要求。 4.5、寻光入库

方案一：采用被动式红外探测器。被动式红外探测器内部有接收红外光的光敏三极管，可以接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测方法利用日光灯发热产生的较强的红外光来检测光源，在能检测到和不能检测到光源的临界点，光敏三极管的射极输出电压有一个较大的跃变，便于后级处理。

方案二：采用光敏电阻。在车头部装朝五个不同方向的光敏电阻，当光敏电阻受到光源照射时，电阻很小，背光时电阻很大。通过MSP430内部的AD采集五路光敏电阻上的分压，通过比较实现光源的探测。

被动式红外探测器在变化的光源下输出的是一个跃变，故只有两种状态，不适合小车的寻光。然而，光敏电阻可以连续的变化，可以比较三个及三个以上方向的光强大小，更合适小车的寻光。于是我们选择方案二。 5、电源

方案一：双电源供电，由于电机的运作对电源的冲击很大，故使用一组电源（6V）对直流电机和步进电机单独供电，另使用一组电源对单片机系统和传感器模块供电，这样可以降低彼此间的干扰，但会使用到将近十节电池，从而加大了小车的重量。

方案二：单电源供电，使用一大功率的电池，且电压足够高，我们选取的为12.6V，再通过不同稳压器件将电压分别提供给电机以及单片机传感器系统，这也达到了隔离的效果。

方案二明显减轻了整个系统的质量，且有很好的隔离效果，故我们选用方案二。

6、系统总体设计方案

本系统以MSP430为控制核心，对各个传感器所得到的数据进行处理。用红

外对管检测黑线和白纸，接近开关检测铁片，超声探头避障，光敏电阻检测光源的位置，霍尔元件测量小车的行驶距离，将这些信号采集后再由MSP430送给电机驱动模块从而控制小车的行驶方向，系统还设置了声光警报用以提示探测到了金属片，以及加入了显示模块12864，用以实时显示小车的运动时间、行驶距离、以及每个贴片距起点的距离。

其总体方案的方框图如下所示：

8

电源系统 电机 循迹ST188 电机驱动 涡流式接近开关 霍尔传感器 超声波探头 光敏电阻 MSP430 声光信号 12864

图2 总体方框图 二、硬件设计

1、前向通道 1．1、循迹

循迹模块使用反射式红外传感器，选用型号为ST188 L3，它由发光二极管和光敏三极管组成，发光二极管发出的光线经地面反射后射入光敏三极管并控制其通断。传感器处于黑线上方时，由于黑线红外光线的反射能力很弱，光敏三极管截止，输出端输出为高电平；反之，传感器检测到白线时，输出端输出为低电平。又由于光敏三极管并非是理想的导通截至两种状态，故在后级电路中加入了电压比较器，另一方面，也使电路输出电平符合msp430单片机的逻辑电平。

图3 ST188工作电路 为了更好的控制前轮的转向，该模块采用四路传感器来确定小车的当前位置以便小车及时转向。传感器放在车头，其分布如图所示，由于黑线为2CM宽，该

9

种设计使前轮的转向只存在六个档位：

①、0档，此时1、4检测到白纸，2、3检测到黑线，向前直走不转向。 ②、右转1档，仅2检测到黑线，其余检测白线，则小车右偏，需左转α。 ③、右转2档，仅1检测到黑线，其余检测白线，则小车右偏，需左转β。 ④、左转1档，仅3检测到黑线，其余检测白线，则小车左偏，需右转α。 ⑤、左转2档，仅4检测到黑线，其余检测白线，则小车左偏，需右转β。 ⑥、后退档，1、2、3、4均检测到白纸，则小车过冲，需后退。

图4 ST188安装位置 其中α<β,而αβ的实际值则是根据实际情况而在软件中设置的。另外，为了使循迹的过程能实时反应处理，模块加入了显示电路，在比较器后加入了反向器和发光二极管，同时也增大了其驱动能力，其电路如左所示。此时，观察四个LED的发光情况便可判断小车的位置.

图5 循迹显示电路 在程序的处理上，软件植入增量型PID算法控制小车的循迹稳定性，增量型相比位置型PID算法最大的好处在于可以大大减小系统的不稳定性，系统不会因为一次的错误数据而使系统出现失控现象。本次程序设计中P(比例)控制小车左右偏转角度的大小，但由于小车的惯性，所以会左右摆动，出现超调现象。故加

10

入D（微分），可以得知循迹的变化趋势，所以可有效的减小超调现象。对于PID参数的调整，在这里介绍一种经验法。这种方法实质上是一种试凑法，它是在生产实践中总结出来的行之有效的方法，并在现场中得到了广泛的应用。这种方法的基本程序是先根据运行经验，确定一组调节器参数，并将系统投入闭环运行，然后人为地加入阶跃扰动（如改变调节器的给定值），观察被调量或调节器输出的阶跃响应曲线。若认为控制质量不满意，则根据各整定参数对控制过程的影响改变调节器参数。这样反复试验，直到满意为止。经验法简单可靠，但需要有一定现场运行经验，整定时易带有主观片面性。当采用PID调节器时，有多个整定参数（将行车速度、小车反应时间、前轮偏转角度），反复试凑的次数增多，不易得到最佳整定参数。 1.2、金属探测

系统采用涡流式接近开关来探测金属片，如图所示，这种接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断，当检测到金属时，输出端输出低电平。但这种传感器的反应距离小，只有在金属离该接近开关很近时才会发生电平的跳变。由于选择的是12VDC,则输出也为12V的脉冲，这是不被单片机所接受的，故接入电压比较器，以实现变压作用。

图6 涡流式接近开关及其接法 1.3、路程测量

小车轮边安装磁片，采用霍尔器件进行检测磁片。当接近磁片时，集成霍尔

11

图7 霍尔传感器的安装 器件输出低电平；当远离磁片时，输出高电平。对下降沿脉冲进行计数，然后与车轮的周长相乘，从而得到小车行驶距离，即L=N*C/n，其中N为所记的脉冲个数，C为车轮转一圈所行驶的距离，测得C为24.5cm，n为车轮上安装的磁片的个数。在相邻的两个磁片不干扰的情况下，应尽量用较多的磁片以提高测量的精度，且整个传感装置应该装在不易打滑的车轮上。初步设计安装8个磁片在后轮上，但在调试过程中，由于对下降沿脉冲采用中断处理，而MSP430一次只能处理一个中断，磁片越多，小车在行驶的过程中进入路程计算的中断就越多，此时便不能处理其它中断（循迹、超声波等），这使得小车的运动很不稳定，解决方案有两个：①、使用两片单片机控制，将循迹和距离检测分开处理，这样可以提高效率且互不干扰；②、减少磁片的个数，从而降低测距中断的进入，这样单片机便有更多的时间来处理循迹的中断。

很显然，方案一优于方案二，现实调试使用方案二，虽然可以让小车在测距同时完成循迹，却不能从根本上解决问题。由于整体构架的影响，系统不方便改装为两片单片机，而方案二可以有所改善，故仍采用了方案二，将车轮上的磁片减少到四片。 1.4、避障

利用超声波测距电路探测障碍物,当检测到障碍物时,单片机控制电动车转弯。发射端是由NE555振荡器产生40khz的脉冲信号，再经由74hc14进行大电流的驱动发送。接收端采用的是红外接收专用的CX20106A芯片。由于其选频的范围的30khz—50khz，完全可用于超声波的接收。接收端采用了CX20106A的典型电路。

12

图8 CX20106A内部原理图 图9 超声波发送 图10 超声波接收 超声发射器要采取间歇的工作方式，即发射出一串脉冲后，停止发送脉冲，等待接收器接收到回波后或者等待超时，没有物体没有回波后再发下一串脉冲，进行下一次测量。设系统的计数器记数频率为f，从超声脉冲序列发出到接受到回波脉冲序列记数次数为n，声波的传播速度为v,则小车与障碍物之间的距离为： S=n*v/f

13

1.5、寻光入库

采用的是光敏电阻，光敏电阻对光线十分敏感。当光敏电阻处于黑暗状态下时，其阻值可达1M?；当光源照度相对较高时，其阻值可以很小，大约到几百?。电路采用光敏电阻阵，与电阻分压，然后对电压量进行A\\D转换。比较各个电压的大小，以进行光源位置的判断。

2、后向通道 图11 光敏电阻的安装 2.1、步进电机驱动

图12 步进电机驱动电路 14

L297加驱动器L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且单片机硬件费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A， L297的特性是只需要时钟、方向和模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻单片机和程序设计的负担。 2.2、直流电机驱动电路

图13 直流电机驱动电路 电机驱动电路采用由达林顿管构成的H型功率放大电路，该放大电路集成于L298N中，该芯片内部有两路H型功率放大电路，在此，我们只取其中一路来控制直流电机，通过控制IN1和IN2的通断来控制电机是正转还是反转，而EN则则为使能端。 2.3、声光信号

在检测到金属片后，小车需发出声光信号，在此，我们采用发光二极管和蜂鸣器来实现这一功能，由于单片机MSP430所给出脉冲不足以驱动蜂鸣器和二极管，故使用一个三极管做驱动电路。其中发光二极管和蜂鸣器串联。

图14 声光信号 15

2.4、显示12864

根据题目要求，小车需要实时显示其行驶的时间、路程以及所探测到的每个铁片到起点的距离，在此，系统选用12864来实现显示功能。 3、电源

系统采用单电源供电，通过不同稳压器件将电压分别提供给电机以及单片机传感器系统，这也达到了隔离的效果。电源的结构如下所示：

DC 12.6V 涡流式 接近开关 前轮 步进电机 7805 7806 后轮 直流电机 12864 光敏电阻 超声波探头 MSP430 3.3V 图15 供电系统 霍尔传感器 红外传感ST188

三、软件设计

本系统采用MSP430F449进行控制，将全程分为三个阶段，在C点之前为循迹区，然后进入障碍区，避障后进入寻光区。

在循迹区段中，我们采用的增量型PID算法控制小车的循迹稳定性。在避障碍寻光区段中，为了使超声波更好的接受信号，我们在c点进行了简易的调整角度，使得小车能够正对第一个障碍物，在程序设计中我们设置障碍物在80—60厘米的时候进行避障，避障后进入寻光区，应用的了状态机的切换。寻光区通过对5个角度的光敏电阻的采样通过12位ADC采样并归一化位21个档位进行角度的调整。当采样电压达到某一数值停止小车各控制端口。

16

开始 红外寻迹 路程计算 铁片检测 是否到c点 否 是 停车5秒 显示铁片数据 调整角度 避障区前 进行驶 否 距离为80-60cm？？ 是 避障调角 避障结束？ 寻光调角 停车 显示总行程 入库 17

四、综合调试

在已有的小车模型的基础上，小车的尺寸应控制在15CM*35CM范围以内，且应尽可能减轻小车的质量。

对于各个模块的制作，我们在理论分析和结果论证上都没有什么问题，但组装后会出现很多串扰，使得小车不能正常的工作，在硬件上主要体现在超声波模块，由于超声波探头和超声波的信号处理模块是分离开来的，所以在引用跳线时便引入了很多串扰，使得测量的数据很不稳定。解决的办法就是将探头和处理模块放在一起，这样便减少了串扰。

在软件上的串扰主要体现在中断的处理，由于只使用了一片MSP430，它一次只能处理一个中断，整个行车过程都需用霍尔传感器的中断来计算路程，这使得小车有时不能进入其转向的中断，则其循迹便不是很稳定，这也是使用一片单片机的劣势，解决的方法是减少磁片数目，使得单片机更少的进入计算路程的中断，这便使得这一串扰有所改善。

另一方面，为了减小小车的功耗，系统使用一继电器来控制循迹的红外传感模块的供电，当达到C点时，关闭红外传感模块的电源，这样也减少了单片机的负担。

五、测试结果与分析

整个过程中，小车完成任务最好的是循迹过程，从A点到C点，小车所用的时间在10S到16S之间，这主要是在程序中加入了PID算法，使得小车能够快速自我调节。而在壁障过程中，做的不是很理想，由于一直没有找到一个合适的标志位使小车转向，这使得小车在障碍物距离发生改变时不能很好的适应，用时会有撞到障碍物的情况。之后的寻光也就比较理想，但寻光的参数需根据现场的情况做改动，因为不同时候光线不同，这使得停车的位置会有变动，这便需要根据现场进行调试。调试结果，小车可以在30S至40S之间完成总任务。

六、总结分析

1、由于只使用了一片单片机的缘故，使得系统没有多余的定时/计数器来完成时间的测量，这是发挥部分没有完成的一个指标。

2、车体结构的限制，小车前轮的改装存在很多隐患，由于是齿轮带动装置，

18

则很多情况下会出现出现齿轮卡死或是齿轮打滑的情况，建议使用舵机来实现前轮的转向，会比较理想。

3、本系统的难点在于避障，为了使超声波检测障碍物时更加灵敏和准确，必须调整超声波接收放大电路的参数为合适值。而且需要从软件上控制避障转弯时距离障碍物的远近，使小车有较大的转弯半径，这样才能有效避免与障碍物接触。 4、正是由于在避障过程中缺少算法，使得避障过程不够理想，得出结论为，软件必需靠算法，没有算法，就会使得系统变得随机而不稳定。

七、参考文献

[1] 黄根春 《全国大学生电子设计竞赛教程》 电子工业出版社 [2] 谢自美 《电子线路设计·实验·测试》 华中科技大学出版社[3] 阮毅 陈伯时 《运动控制系统》 机械工业出版社

19

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/o8ud.html