智能小車主控系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

隨著科技的不斷進(jìn)步，智能電子產(chǎn)品發(fā)展步驟不斷加快，各種應(yīng)用層次的機(jī)器人等大量出現(xiàn)，目前應(yīng)用在智能小車或機(jī)器人的微控制器主要是8/16單片機(jī)或ARM和數(shù)字信號(hào)處理器DSP等。本設(shè)計(jì)采用TI公司生產(chǎn)的功耗低運(yùn)行速度快且價(jià)格便宜的MSP430F2274為核心，避障檢測(cè)采用測(cè)距精準(zhǔn)的超聲波傳感器，該傳感器采集小車周圍的環(huán)境信息并傳遞給MSP430進(jìn)行程序判斷處理，從而達(dá)到控制小車自動(dòng)避障的目的。

主控芯片

該設(shè)計(jì)是以MSP430F2274單片機(jī)為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機(jī)，采用了精簡(jiǎn)指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，片內(nèi)資源豐富，處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，主要是它具有多路PWM輸出，以作為該設(shè)計(jì)電機(jī)控制的有利資源，系統(tǒng)主控設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主控設(shè)計(jì)圖

超聲波模塊

避障是智能小車運(yùn)動(dòng)過(guò)程中最基本的功能，而避障首要是確定機(jī)器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測(cè)模塊采用 SRF08超聲波收發(fā)模塊，其波頻率為40 kHz，檢測(cè)距離范嗣為3 cm~6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設(shè)計(jì)共采用4個(gè)超聲波收發(fā)模塊分別安裝在小車的正前方，右前方和左前方和后方，4個(gè)模塊分別接在MSP430單片機(jī)的I/OP1.0、I/OP1.1、I/OP1.2、I/OP1.3、I/OP1. 4、I/OP1. 5、I/OP1.6、I/OP1.6端口上，采用I/O觸發(fā)測(cè)距，單片機(jī)給SDA提供25μs高電平信號(hào)，模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40 Hz方波，并且檢測(cè)是否有返回信號(hào)，若有返回信號(hào)，SCL管腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間，從而計(jì)算出超聲波從發(fā)射到接收所用的時(shí)間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度(其中T為攝氏溫度)，此時(shí)可得到是否避障的距離為s=vt/2。

測(cè)溫和電源模塊

為了使計(jì)算的距離更精確而不受溫度影響，該設(shè)計(jì)中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上，實(shí)時(shí)檢測(cè)機(jī)器人周圍環(huán)境的溫度T(T的值要精確到小數(shù)點(diǎn)后3位)，以修正聲速的傳播公式V，從而提高測(cè)距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用12 V電壓，測(cè)速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用LM7812、LM7805和LM1117組成穩(wěn)壓電路。。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是智能車的重要組成部分，它和電機(jī)共同組成智能小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪是由2個(gè)M1和M2交流永磁同步電機(jī)，因此采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，通過(guò)控制輸入端IN1-IN4信號(hào)，來(lái)控制 H橋的通斷，使得電機(jī)形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過(guò)控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制小車運(yùn)行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機(jī)的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機(jī)之間加入8個(gè)二極管形成續(xù)流達(dá)到保護(hù)的作用，再則為了防止L298N輸出負(fù)載端電機(jī)對(duì)輸入端信號(hào)傳輸產(chǎn)生影響，以及對(duì)MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號(hào)輸入端通過(guò)連接 TLP521可控制的光電電耦合器件，達(dá)到對(duì)L298N信號(hào)輸入前端的信號(hào)電路與負(fù)載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號(hào)干擾。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是方波驅(qū)動(dòng)的交流永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)信號(hào)的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)速性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠且便于維護(hù)。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制模塊電路如圖3所示。

編輯點(diǎn)評(píng)：介紹一種基于MSP430F2274單片機(jī)為核心的智能小車。小車采用超聲波測(cè)距技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，同時(shí)通過(guò)語(yǔ)音模塊來(lái)播報(bào)出小車與障礙物的距離。為了使測(cè)距不受溫度影響，用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)小車周圍環(huán)境的溫度并修正距離計(jì)算公式的參數(shù)，采用光電編碼器來(lái)檢測(cè)小車的速度，運(yùn)用PID控制算法和PWM來(lái)控制小車的精確穩(wěn)定的運(yùn)行，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。智能小車涉及到高級(jí)計(jì)算機(jī)控制、電子機(jī)械、自動(dòng)化等諸多學(xué)科。