基于MSP430的小车自动保护系统

基于MSP430的小车自动保护系统【摘要】本小车以MSP超低功耗单片机系列MSP430F449为核心，模拟我国自主研发的ATP列车自动保护系统，完成寻迹、检测站台（金属）、避障、测速并显示等功能。

采用PWM 驱动芯片控制电机，使小车在一个的圆形轨道上行驶，利用接近开关检测站台控制停车，红外传感器检测黑线模拟的轨道及障碍物进行避障，能够实时显示当前速度和停靠时间。

基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法，整个系统的电路结构简单，可靠性能高，测试结果满足要求。

【关键词】MSP430；A TP；寻迹；避障；测速0 引言为保证列车的正常运行，我国自主研发了ATP列车自动保护装置。

ATP （Automatic Train Protection），是指列车自动保护装置，主要功能是防止列车相撞列车运行方式：正常情况下，列车是以一定的间隔时间与间隔距离追踪运行的。

ATP子系统采用自动闭塞方式，也就是将轨道线路划分成若干个小区间，称为闭塞分区。

每个闭塞分区都装有轨道电路，轨道电路内有列车检测信号的发送和接受装置，以及机车信号的发送装置。

本设计就是模拟ATP列车自动保护系统制作的。

采用PWM驱动芯片控制电机，使小车在一个半径4米的圆形轨道上行驶，利用接近开关检测站台控制停车，红外传感器检测黑线模拟的轨道及障碍物进行避障，能够实时显示当前速度和停靠时间。

1 系统设计1.1 基本要求1.1.1 制作一个半径4米的圆形轨道，可用黑色胶带（宽度在1-2cm之间）铺设在地面来模拟轨道。

轨道下方需分开放置5枚一角硬币以示站台，旁边架设标识分别为站台1至站台5。

要求每两个站台之间距离不得小于2米。

1.1.2 制作一辆列车（可用一般小车构架），能够沿着铺设的轨道正常行驶，不能脱轨。

并可以设置速度（10cm/s至25cm/s之间）；每到一个站台可以停靠一段时间（2秒到10秒之间）。

要求列车停靠位置与站台的偏移不超过10cm（不允许后退）。

1.1.3 前方障碍物在100cm之外绿灯亮，以示安全车距；前方障碍物在35～100cm时黄灯亮，以示预警车距；前方障碍物在35cm之内红灯亮，以示危险车距，并能够自动停止。

误差不大于5cm。

检测到障碍排除后能继续自动运行，障碍物为遥控小车或者同种类型的列车。

1.1.4 设列车与障碍物的距离为S，预设车速为Vpreset。

当S<100cm时，要求列车速度V=（S-20）×Vpreset/80以防止追尾事件发生。

1.1.5 列车运行过程中能够实时显示当前速度，停靠时间；当小于安全距离100cm时，列车能够实时显示与障碍物之间的距离。

1.2 系统方案的确定根据题目要求，将控制对象及检测目标划分为不同模块，即障碍物检测、站台（金属）检测、路面轨道检测、速度时间检测等模块。

针对不同模块的控制要求分别采用不同的设计方案实现。

系统组成及原理框图如图1所示。

其中收发一体式红外管用来检测小车的运行轨迹，金属探测传感器用来检测轨道下的硬币，红外对管用来检测小车前进方向的障碍物，编码器用于检测小车行驶的速度，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。

图1 系统方案框图图2 电机驱动电路2 硬件电路设计与实现2.1 电机驱动模块电机驱动电路我们选用两半桥驱动芯片BTS7960 构建的全桥驱动电路，BTS7960是集成的大电流半桥驱动，其内部包含了一片NMOS、一片PMOS 和一片半桥门集驱动。

其两路PWM 输入信号由MSP430单片机直接提供，使电路布线更简单，同时降低了系统的不稳定因素。

通过改变PWM 的占空比来改变电机转速的快慢，通过控制输出电压的大小、正负控制电机的正反转，达到直道加速、弯道减速、刹车等效果。

如图2所示。

2.2 轨道寻迹模块由六个Tcrt5000红外传感器构成探测器固定在底盘前沿，贴近地面。

正常行驶时，发射管发射红外光照射地面，光线经白纸反射后被接收管接收，输出高电平信号；电动车经过黑线时，发射端发射的光线被黑线吸收，接收端接收不到反射光线，传感器输出低电平信号后送MSP430单片机处理，判断执行哪一种预先编制的程序来控制车的行驶状态。

模块电路图如图3所示。

图3 轨道寻迹模块2.3 金属检测模块采用LJKD8N金属接近开关来检测硬币，当金属接近时，高频磁场在金属中产生了涡流，使得LC谐振回路的震荡幅度下降到阈值电压，开关输出信号。

LJKD8N为直流三线NPN常闭，电路如图4所示。

图4 金属检测模块2.4 避障模块采用两组红外传感器，分别偏左和偏右一个小角度，使红外能检测到圆弧上的障碍。

利用555定时器发出可调制的38KHz红外线，将红外接收头的信号送给单片机，单片机检测到信号后让小车做出停车动作。

避障模块如图5所示。

图5 避障模块图6 555定时器构成的38K调制信号2.5 测速模块我们通过对编码器脉冲计数的方法来实现对小车速度的检测：在靠近小车右轮的轴上装光电编码器，这样当小车前进，车轮转动时，光电编码器跟随车轮同步转动，产生脉冲送给单片机，单片机捕捉脉冲信号并对其进行计数。

在一特定时间内读出脉冲总数，将该总数除以车轮转动一圈移过的脉冲数目，便可以计算出车轮的转动圈数，再乘以车轮周长，得到行驶路程，再除以计数时间，最后得到小车的速度。

2.6 电源模块小车采取单电源供电，由于传感器需采用5V 供电，主控制芯片采用3.3V供电，故电源模块的电路如图7所示。

利用LM2941制作稳压电源，其中Vin接电池，用电位器可以调节输出电压。

分别用电位器将输出电压调到3.3V和5V，分别给传感器和控制芯片供电。

图7 电源模块2.7 显示模块采用DM12864M汉字图形点阵液晶显示屏，在小车行驶过程中显示行驶速度及停靠站台时间。

3 软件设计3.1 MSP430本系统采用两片MSP430F449“双核”结构。

之所以采用MSP430 单片机，主要时因为该系列单片机有许多优秀的特点，非常适合用于本系统。

首先，MSP430 单片机引入了时钟系统的概念，将CPU、外围功能模块、休眠唤醒机制三者相互独立，这就可以通过软件设置时钟分频实现系统不同程度的休眠，让系统以间歇方式工作最大限度的节省电力，我们小车系统就是使用Basic Timer 定时唤醒。

其次，MSP430单片机内核时16 位RISC 处理器，单指令周期，运算能力，处理能力都具有一定的优势，完全可以满足我们小车寻线、避障、寻光等多个功能的实现，CPU可以在1.8-3.3V宽电压供电。

第三，MSP430系列单片机采用模块化的结构，每一种模块（内部资源）都具有独立而完整的结构，在不同型号的结构中，同一种模块的使用方法和寄存器都时相同的。

这为学习和开发MSP430 单片机提供了便利。

比如说我们的双核系统内部都用到了TA定时器，UART0 串口，这样的话开发时就可以只对底层程序稍作修改用于不同型号的MSP430单片机。

第四，MSP430 内置资源非常地强大，它不仅仅只是一个微处理器系统，还包含了模拟电路、模数/数模转换电路、显示接口等丰富的外设。

要完成对小车的巡线，寻光，避障，显示距离，计时等功能，除了必要的传感器和电机驱动芯片以外，一个完整系统所需的所有外设都集成在了430 芯片上。

两片MSP430单片机几乎提供小车的解决方法。

3.2 寻迹算法采用PID（PD）控制算法，如果某时刻检测到黑线偏左，就要向左转弯；如果检测到黑线偏右，就要向右转。

偏得越多，就要向黑线方向打越大的转角。

这就是比例控制（P）。

遗憾的是，因为小车有惯性。

假设黑线偏左，说明小车偏右了，需要左传舵，等到小车回到中心的时候，停止转舵，可是小车的惯性会使车身继续左转，直到冲过黑线，黑线又偏右。

然后控制过程反复，车身是在左右摇摆中向前行走的。

这种摇摆叫做“超调”，超调越大，控制越不稳定，容易出轨。

为了克服惯性，我们除了位置信息之外，还需要知道轨迹的变化趋势。

我们可以用黑线位置的微分值来提前得到变化趋势。

用本次位置减去前次位置求出差值，就大致知道偏移量的变化趋势。

将该差值和比例相加后一起作为控制量，即可实现提前控制。

这就叫做比例微分控制（PD控制）4 系统测试4.1 测试仪表（表1）表14.2测量结果（表2）5 总结从测试结果来看，PWM技术能够极大地提高电动机的驱动效率；收发一体式红外传感器解决了小车严格按照轨迹（黑线）运行的问题；金属传感器能够准确找到站台的位置并能使小车准确停车，红外传感器能够精确探测到障碍物，为躲避障碍物提供了较好的测量方法；编码器可精确测量运行中的转速。

从运行情况看，采用本方案设计制作的智能小车，系统可靠性较高，运行稳定，定位准确，达到了设计要求。

表2按照要求，小车已经很好地完成了所有题目要求的任务。

本作品涉及到了一系列光机电一体化的技术。

其中机械结构是小车能否稳定运行的基础，硬件电路决定了小车实现的功能，而软件部分则是控制的灵魂，算法的好坏直接决定了完成任务的质量。

在使用MSP430的开发过程中，我也充分体会到了这款单片机的性能优越性和便利性，其单芯片设计方案对提高产品集成，降低系统成本有很大的帮助。

最终核算，整个小车成本不超过300元。

整个项目的研发无疑是一个充满辛苦和愉快的过程。

【参考文献】[1]雷思孝，李伯成，雷向莉.单片机原理及实用技术[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004.[2]朱益斌湖学龙，朱亚锋，等.自主式寻迹机器人小车的设计[J].国外电子技术测量，2006.[3]王福瑞，编著.单片微机测控系统设计大全[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.1.[4]吴建平，殷战国，曹思榕，等.红外反射式传感器在自主式寻迹机器人导航中的应用[J].中国测试技术，2004.。