1 總體方案

設(shè)計(jì)一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車，從起跑線出發(fā)到達(dá)終點(diǎn)線后停留10 s，然后自動(dòng)倒車返回起跑線。在要求的跑道范圍內(nèi)完成加速、減速、限速、剎車、倒車等功能。停車后顯示一次往返的時(shí)間和路程。

電路設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示，可分為MSP430F149、電路驅(qū)動(dòng)模塊、黑線檢測模塊、測速測距模塊，顯示模塊等幾部分。

采用MSP430F149為核心芯片，選用雙全橋驅(qū)動(dòng)芯片L298作為小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，紅外線光電傳感器（LTH1550）檢測標(biāo)識(shí)線，U型紅外光電傳感器測量路程，在液晶顯示器上顯示行駛時(shí)間、行駛路程等相關(guān)數(shù)據(jù)。微處理器主要處理光電傳感器傳回的地面檢測標(biāo)志信號(hào)和U型傳感器傳回的檢測路程信息，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制小車的加速、減速、限速、剎車、倒車等狀態(tài)，在液晶顯示器上顯示行駛時(shí)間、行駛路程等相關(guān)數(shù)據(jù)。

2 各單元模塊設(shè)計(jì)

2.1 微處理器模塊

微處理器的主要任務(wù)是判斷和處理各種傳感器傳回的信息，向電機(jī)驅(qū)動(dòng)器發(fā)出指令，控制小車在往返過程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速、限速、減速、剎車、倒車，因?yàn)樾≤噷?shí)現(xiàn)功能較少，微處理器選用美國TI公司MSP430系列單片機(jī)。由于MSP430單片機(jī)具有低功耗、高速實(shí)時(shí)控制以及數(shù)據(jù)計(jì)算，并且擁有更多的片上資源供設(shè)計(jì)使用，使得設(shè)計(jì)更加簡練更加有效。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足自動(dòng)往返過程中各種不同的特殊形式要求；可以很方便的實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)對直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。

考慮到小車必須能夠前進(jìn)、倒退、停止，并能靈活專性，選用L298雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。為了能控制車輪的轉(zhuǎn)速，可以采取PWM調(diào)速法，即由單片機(jī)的P1.4和P1.5輸出一系列頻率固定的方波，再通過功率放大來驅(qū)動(dòng)電機(jī)，在單片機(jī)中編程改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機(jī)上的平均電壓，從而可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。左右兩輪兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速的配合就可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、倒退、等功能。

2.3 黑線探測模塊

黑線探測的原理是光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否到達(dá)黑線?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的控制調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾；另外，紅外發(fā)生管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流可以很大（50～100 mA），這樣也大大提高信噪比。設(shè)計(jì)采用紅外線光電反射傳感器，鑒于車底盤低，采用近距離有效的光電傳感器（LTH1550），是由高發(fā)射功率紅外廣電二極管和高靈敏度光電體管組成。檢測距離可調(diào)整范圍為4～15 mm；采用非接觸檢測方式。為了減少環(huán)境光的干擾，需要調(diào)整傳感器的方位使環(huán)境光不能直接射到探測器。最佳探測距離為6～14 mm，在安裝時(shí)應(yīng)與地面保持10 mm左右的距離。

2.4 測速、測距傳感器

由于小車車輪較小，U型傳感器適用于精度較高的場合，可以在車輪上加較多的黑線來滿足脈沖計(jì)數(shù)的精度要求。采用U型紅外光電傳感器，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上加裝測速碼盤，可以在安裝好小齒輪后，將測速碼盤安放在小齒輪下，當(dāng)作光電編碼盤，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強(qiáng)度的不同，改變接收管的導(dǎo)通和截止。用外部中斷對接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

U型傳感器可以精確的計(jì)算出小車的里程。將碼盤固定于小車后輪上，將U型光電開關(guān)架于碼盤之上。電機(jī)旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)測速碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，測速碼盤上刻有許多狹縫，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射光透過狹縫被接收元件接收，光電開關(guān)就會(huì)不斷地發(fā)生導(dǎo)通和截止。這樣在光電開關(guān)的輸出端就會(huì)得到脈沖，用計(jì)數(shù)器對接受到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

2.5 液晶顯示模塊

系統(tǒng)主要需要顯示小車運(yùn)行時(shí)間、里程等各個(gè)測量參數(shù)。采用LCD1602液晶顯示，用自帶中文字符庫的液晶顯示模塊，顯示方便美觀，顯示信息量大，顯示速度較快。采用串口通訊的顯示方式，可以大大節(jié)省單片機(jī)的IO口。

3 主電路工作原理分析

小車開始置于快速前行狀態(tài)，紅外傳感器LTH1550檢測地面黑線，信號(hào)通過單片機(jī)的P1.0傳回微處理器，經(jīng)處理器判斷分析，根據(jù)到達(dá)不同的信號(hào)，通過P1.4、P1.5輸出不同占空比的PWM波驅(qū)使電機(jī)，使小車置于不同的前行狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加速、限速、減速、剎車、倒車等功能。返回起跑線后微處理器從自身計(jì)時(shí)功能TBR取出行駛時(shí)間，在LCD1 602顯示，同時(shí)經(jīng)U型傳感器檢測的里程信息經(jīng)單片機(jī)的P2.3傳回微處理器處理后在顯示器上顯示。

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