自动测绘小车

-1-自动测绘小车所在院系：电气与控制工程学院作者：李向杰、刘贇超、符祝辉日期：2015年08月7日-2-摘要本设计实现了测绘小车在未知环境下对黑线的循迹，并做出一系列的测量和计算，得出位移、方向、面积、轨迹等一系列数值。设计采用了MSP430F149为核心控制器，PWM输出作为伺服电机驱动小车的控制核心，四个红外循迹模块可实现未知环境下的按黑带轨迹运行。小车可实现行驶过程中对角度的计算，通过算法求出位移、面积并依此解决了小车在行驶面上定位功能。选用128864液晶显示模块实现对需要测量量及小车运动轨迹的显示。最终较好的完成了本题的基本要求。关键词：红外循迹；MSP430F149；PWM-3-1设计任务与要求1.1任务在一个直径为一米的圆形白色平台上，用黑线绘制一个四边形（宽10mm），其中有四个顶点，初始点A和三个中间点B、C、D。（点为黑色空心圆，外径15mm）（1）基本操作车辆从A点启动，沿轨迹运动一圈回到A点，测试结束。（2）提高要求车辆从图外启动后先寻找A点，然后从A点出发，沿轨迹运动一圈回到A点，测试结束。1.2要求（1）显示寻找到A点的时间，显示A-B，B-C，C-D，D-A的运动时间。（2）计算A-B，A-C，A-D的直线距离（3）绘出运动轨迹图，标出A、B、C、D坐标点。（4）计算圈地面积（5）画出复合轨迹。2系统方案设计2.1系统总方案设计整个系统由MSP430F149微控制器，12864液晶显示模块，红外循迹模块，HMC5843电子罗盘，伺服电机等模块构成。系统上电，小车初始化后红外循迹模块进入循环检测模式。在目标场地上根据四个红外循迹检测模块的开关，微控制器通过“&&”运算输出不同占空比的PWM波形，进而控制小车沿着黑带前进。在运行过程中，微控制器根据定时器A计算行驶时间，进而求出位移及面积等量。系统方案框图如图2-1所示。MSP430F149微控制器HMC5843红外循迹模块12864液晶显示模块伺服电机-4-图2-1系统方案框图2.2系统方案论证2.2.1主控制器选择论证方案一：STC89C51单片机是8位单片机。其指令是采用的称为“cisc”的复杂指令集，共具有111条指令。其电源电压为5伏，有两种低功耗模式，待机方式和掉电方式。正常情况下消耗的电流为24mA,在待机状态下其耗电电流仍为3mA，为了保存RAM中的数据，还需提供约50mA的电流。再者，虽然其具有不少开发工具，但如何在线编程还是一很大问题。方案二：MSP430系列的单片机电源电压采用1,8-3.6V低电压，RAM数据保持方式下耗电仅0.1uA，IO口漏电流最大仅为50nA。另外，其采用矢量中断，支持十多个中断源，并可以任意嵌套。独特的时钟系统设计使其具有5种低功耗模式可供选择。基于以上所述，我们选用方案二MSP430F149型单片机。2.2.2电机选型论证方案一：使用直流电机驱动小车直流电机具有廉价，易于操控、驱动的优点，但控制精度差，扭矩小的缺点，并且使用光电码盘很难满足在测距时对精度的要求。方案二：使用直流减速电机驱动小车直流减速电机为直流电机加减速齿轮组的组合，因此直流减速电机克服了直流电机扭矩小，控制精度差的缺点。但直流减速电机普遍体积大，几乎无法满足题目中对小车尺寸的限制。方案三：使用伺服电机驱动小车伺服电机采用PWM控制，将PWM的脉冲个数转换为位移变化，因此伺服电机具有控制精准的优点。并且伺服电机不需要额外的驱动电路，也极大的缩小了使用电机时对车架占用的空间。综合比较后，方案三更适合测绘小车。2.2.3电源部分选型及论证方案一：L7805线形稳压源L7805是常用的线形稳压芯片，其使用方便，硬件电路简单，但芯片发热严重，功耗极高。-5-方案二：LM2596开关电源模块LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，工作稳定，能耗低，具有很好的线性和负载调节特性。综合比较后，方案二更适合作为测绘小车电源稳压部分。3系统硬件设计3.1微控制器及显示电路本作品使用MSP430F149作为微控制器，它将大量的外围模块整合到片内，特别适合于开发和设计单片系统。存储器方面包括多达60kFlashROM和2kRAM，完全可以满足程序及数据的需要。12864液晶显示模块作为位移及角度信息的显示。微控制器及显示电路电路如图3-1所示。图3-1微控制器及显示电路-6-3.2伺服电机驱动及黑带检测电路伺服电机可以使控制速度，位置精度非常准确，不需要额外的驱动电路，可以将控制器输出的PWM信号转化为转矩和转速以驱动控制对象。伺服电机转子转速受输入信号控制，并能快速反应，在自动控制系统中，用作执行元件，且具有机电时间常数小、线性度高、始动电压等特性，可把所收到的电信号转换成电动机轴上的角位移或角速度输出。伺服电机驱动及黑带检测电路如图3-2所示。图3-2伺服电机驱动及黑带检测电路3.3测绘小车电源模块LM2596内含固定频率振荡器（150KHZ），和基准稳压器（1.23v），具有完善的保护电路：电流限制、热关断电路等。利用该器件只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，能够输出3A的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。LM2596S开关电源电路如图3-3所示。-7-图3-3LM2596S开关电源电路4系统程序设计4.1程序设计框架概述4.1.1测绘小车循迹程序框图在循迹过程中，测绘小车首先循迹进入不规则四边形，循迹过程中定时器对转动时间测量，从四个大转动角中判断出A点位置，进而确定各个角的角度。循迹过程程序流程图如图4-1所示图4-1循迹过程程序流程图4.1.1测绘计算程序框图在计算程序过程中，将对循迹过程中得出的角度、位移参数，通过“math.h”函数中的三角函数，即可求出AB、AC、AD、的直线距离和面积参数。测绘计算程序流程图如图4-2所示。开始车辆循迹是否是A点？内圈循迹回到A点结束YESNO-8-图4-2测绘计算程序流程图5系统测试与结果5.1主要测试用的仪器①UTD2062CEL数字示波器②量角器③卷尺、直尺④计时器5.2测绘小车尺寸及其它参数5.2.1小车尺寸参数开始得出角度得出位移计算面积建立坐标系参数或轨迹显示结束-9-小车尺寸参数如图5-1所示。例型长宽高参数（cm）16.013.211.5图5-1小车参数5.2.2场地尺寸参数场地尺寸参数如图5-2所示。类型AB（cm）BC（cm）CD（cm）DA（cm）面积（m²）参数60.033.037.249图5-2场地参数5.3测量参数汇总显示A-B，B-C，C-D，D-A的运动时间如下图5-3所示。参数A-B（s）B-C（s）C-D（s）D-A（s）172442624337234472445634468243图5-3运动时间参数-10-显示A-B，A-C，A-D长度及不规则四边形面积参数如下图5-3所示参数A-B（cm）A-C（cm）A-D（cm）面积（m²）123456图5-4长度及不规则四边形面积参数-11-参考文献[1]蓝和慧等.新版大学生电子设计竞赛单片机应用于指导.电子工业出版社，2013[2]谭浩强.C语言程序设计教程[M].清华大学出版社，2007[3]王守华等.模拟电子技术[M].西安电子科技大学出版社，2011[4]董敏等.数字电子技术[M].西安电子科技大学出版社,2010[5]李瑞、耿立明等.AltiumDesigner14电路设计与仿真从入门到精通[M].人民邮电出版社，2013[6][7]西安电子科技大学.MSP430系列十六位超低功耗单片机教学实验教程[M].西安电子科技大学出版社,2006