智能小車主控系統(tǒng)電路設(shè)計

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

主控芯片

該設(shè)計是以MSP430F2274單片機為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機，采用了精簡指令集(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)計電機控制的有利資源，系統(tǒng)主控設(shè)計圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)主控設(shè)計圖

超聲波模塊

避障是智能小車運動過程中最基本的功能，而避障首要是確定機器人自身與障礙物的距離并且定位。小車的避障探測模塊采用 SRF08超聲波收發(fā)模塊，其波頻率為40 kHz，檢測距離范嗣為3 cm~6 m，SDA和SCL分別為控制端和接收端，設(shè)計共采用4個超聲波收發(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個模塊分別接在MSP430單片機的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)測距，單片機給SDA提供25μs高電平信號，模塊自動發(fā)送8個40 Hz方波，并且檢測是否有返回信號，若有返回信號，SCL管腳輸出高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間，從而計算出超聲波從發(fā)射到接收所用的時間t，常溫下聲波在空氣中的傳播速度(其中T為攝氏溫度)，此時可得到是否避障的距離為s=vt/2。

測溫和電源模塊

為了使計算的距離更精確而不受溫度影響，該設(shè)計中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上，實時檢測機器人周圍環(huán)境的溫度T(T的值要精確到小數(shù)點后3位)，以修正聲速的傳播公式V，從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V，電機驅(qū)動采用12 V電壓，測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 電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動模塊是智能車的重要組成部分，它和電機共同組成智能小車的運動控制系統(tǒng)。該設(shè)計的驅(qū)動輪是由2個M1和M2交流永磁同步電機，因此采用的電機驅(qū)動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)動兩個電機，通過控制輸入端IN1-IN4信號，來控制 H橋的通斷，使得電機形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而達到控制小車運行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機之間加入8個二極管形成續(xù)流達到保護的作用，再則為了防止L298N輸出負載端電機對輸入端信號傳輸產(chǎn)生影響，以及對MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號輸入端通過連接 TLP521可控制的光電電耦合器件，達到對L298N信號輸入前端的信號電路與負載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號干擾。本設(shè)計中的驅(qū)動電機采用的是方波驅(qū)動的交流永磁同步電機，該電機的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動信號的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能優(yōu)良，運行可靠且便于維護。其電機驅(qū)動和控制模塊電路如圖3所示。

編輯點評：介紹一種基于MSP430F2274單片機為核心的智能小車。小車采用超聲波測距技術(shù)實現(xiàn)自動避障，同時通過語音模塊來播報出小車與障礙物的距離。為了使測距不受溫度影響，用溫度傳感器實時檢測小車周圍環(huán)境的溫度并修正距離計算公式的參數(shù)，采用光電編碼器來檢測小車的速度，運用PID控制算法和PWM來控制小車的精確穩(wěn)定的運行，從而達到預期的設(shè)計目標。智能小車涉及到高級計算機控制、電子機械、自動化等諸多學科。