【導讀】本文詳述了一款自動往返小車的設計，該設計采用MSP430F149為核心芯片，選用雙全橋驅(qū)動芯片作為小車電機驅(qū)動，利用PWM技術動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)速，紅外線光電傳感器檢測標識線，U型紅外光電傳感器測量路程。本次設計集合了智能控制、模式識別、傳感技術、電子電氣、計算機、機械等多學科的科技創(chuàng)意性設計。
1 總體方案
設計一個能自動往返于起跑線與終點線間的小汽車，從起跑線出發(fā)到達終點線后停留10 s，然后自動倒車返回起跑線。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間和路程。
電路設計原理框圖如圖1所示，可分為MSP430F149、電路驅(qū)動模塊、黑線檢測模塊、測速測距模塊，顯示模塊等幾部分。
圖1 電路設計原理框圖
采用MSP430F149為核心芯片，選用雙全橋驅(qū)動芯片L298作為小車電機驅(qū)動，利用PWM技術動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)速，紅外線光電傳感器（LTH1550）檢測標識線，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間、行駛路程等相關數(shù)據(jù)。微處理器主要處理光電傳感器傳回的地面檢測標志信號和U型傳感器傳回的檢測路程信息，向電機驅(qū)動器發(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間、行駛路程等相關數(shù)據(jù)。2 各單元模塊設計
2.1 微處理器模塊
微處理器的主要任務是判斷和處理各種傳感器傳回的信息，向電機驅(qū)動器發(fā)出指令，控制小車在往返過程中實現(xiàn)自動加速、限速、減速、剎車、倒車，因為小車實現(xiàn)功能較少，微處理器選用美國TI公司MSP430系列單片機。由于MSP430單片機具有低功耗、高速實時控制以及數(shù)據(jù)計算，并且擁有更多的片上資源供設計使用，使得設計更加簡練更加有效。
2.2 電機驅(qū)動模塊
采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的快速啟動和反轉(zhuǎn)；能滿足自動往返過程中各種不同的特殊形式要求；可以很方便的實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。
考慮到小車必須能夠前進、倒退、停止，并能靈活專性，選用L298雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片。內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機或一個兩相步進電機。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)動電機，在單片機中編程改變輸出方波的占空比就可以改變加到電機上的平均電壓，從而可以改變電機的轉(zhuǎn)速。左右兩輪兩個電機轉(zhuǎn)速的配合就可以實現(xiàn)小車的前進、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)接收到的反射光強弱判斷是否到達黑線?？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，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，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大（50～100 mA），這樣也大大提高信噪比。設計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，在安裝時應與地面保持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數(shù)的精度要求。采用U型紅外光電傳感器，在電機轉(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，當作光電編碼盤，當電機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強度的不同，改變接收管的導通和截止。用外部中斷對接收到的信號進行計數(shù)。
U型傳感器可以精確的計算出小車的里程。將碼盤固定于小車后輪上，將U型光電開關架于碼盤之上。電機旋軸轉(zhuǎn)動，帶動測速碼盤轉(zhuǎn)動，測速碼盤上刻有許多狹縫，碼盤轉(zhuǎn)動時發(fā)射光透過狹縫被接收元件接收，光電開關就會不斷地發(fā)生導通和截止。這樣在光電開關的輸出端就會得到脈沖，用計數(shù)器對接受到的信號進行計數(shù)。
2.5 液晶顯示模塊
系統(tǒng)主要需要顯示小車運行時間、里程等各個測量參數(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，信號通過單片機的P1.0傳回微處理器，經(jīng)處理器判斷分析，根據(jù)到達不同的信號，通過P1.4、P1.5輸出不同占空比的PWM波驅(qū)使電機，使小車置于不同的前行狀態(tài)，實現(xiàn)自動加速、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時功能TBR取出行駛時間，在LCD1 602顯示，同時經(jīng)U型傳感器檢測的里程信息經(jīng)單片機的P2.3傳回微處理器處理后在顯示器上顯示。
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