分類號：分類號：TD242 密密 級：公級：公 開開 U D C ： 單位代碼：單位代碼：10424 工工 程程 碩碩 士士 學學 位位 論論 文文 基于基于MSP430的清潔機器人的清潔機器人 運動控制系統(tǒng)設計運動控制系統(tǒng)設計 姜堯維姜堯維 申請學位級別：申請學位級別：工程碩士工程碩士 領(lǐng)域名稱：控領(lǐng)域名稱：控 制制 工工 程程 指導教師姓名：指導教師姓名： 王曉寧王曉寧 職職 稱：稱： 副教授副教授 山山 東東 科科 技技 大大 學學 二零一二年五月二零一二年五月 論文題目：論文題目： 基于基于MSP430的清潔機器人運動控制系統(tǒng)設計的清潔機器人運動控制系統(tǒng)設計 作者姓名：作者姓名： 姜堯維姜堯維 入學時間：入學時間： 2010 年年 9 月月 領(lǐng)域名稱：領(lǐng)域名稱： 控制工程控制工程 研究方向：研究方向： 智能機器人智能機器人 指導教師：指導教師： 王曉寧王曉寧 職職 稱：稱： 副教授副教授 論文提交日期：論文提交日期：2012 年年 5 月月 論文答辯日期：論文答辯日期：2012 年年 6 月月 授予學位日期：授予學位日期： DESIGN OF MOTION CONTROL SYSTEM IN CLEANING ROBOT BASED ON MSP430 A Dissertation submitted in fulfillment for the requirements of the degree of MASTER OF PHILOSOPHY from Shandong University of Science and Technology by Jiang Yaowei Supervisor: Associate Professor Wang Xiaoning College of Information and Electrical Engineering May 2012 聲聲 明明 本人呈交給山東科技大學的這篇碩士學位論文，除了所列參考文獻和世所 公認的文獻外，全部是本人在導師指導下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交 于其它任何學術(shù)機關(guān)作鑒定。 本人呈交給山東科技大學的這篇碩士學位論文，除了所列參考文獻和世所 公認的文獻外，全部是本人在導師指導下的研究成果。該論文資料尚沒有呈交 于其它任何學術(shù)機關(guān)作鑒定。 碩士生簽名：碩士生簽名： 日日 期：期： AFFIRMATION I declare that this dissertation, submitted in fulfillment of the requirements for the award of Master of Philosophy in Shandong University of Science and Technology, is wholly my own work unless referenced of acknowledge. The document has not been submitted for qualification at any other academic institute. Signature: Date: 山東科技大學工程碩士論文 摘要 摘 要 摘 要 本文提出了一種智能清潔機器人的運動控制系統(tǒng)設計方案。工作時，該機器人沿著 房間的墻邊行走一周，對清掃房間進行掃描以獲取房間的基本信息。掃描結(jié)束后，機器 人從房間的一個墻角出發(fā)，沿著與房間寬邊墻壁平行的方向前進。當機器人接近長邊墻 壁時，向遠離寬邊墻壁方向后轉(zhuǎn)彎，移動一個車身寬度的距離，向另一側(cè)長邊墻壁行駛， 繼續(xù)清掃房間。遍歷房間后，機器人會執(zhí)行補償清掃。該機器人沿直線行駛，當遇到障 礙物時，自動躲避并繞過障礙物，然后繼續(xù)按躲避前的路線行駛。當行駛到有落差的行 駛路面邊緣時，該機器人會自動退回以避免跌落。 該清潔機器人以 MSP430F149 單片機為核心，單片機輸出兩路 PWM 方波信號，驅(qū) 動 L298N 芯片控制兩個直流減速電機轉(zhuǎn)動，通過調(diào)節(jié)機器人兩個后輪的轉(zhuǎn)速差，令機器 人完成前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等基本動作。同時機器人安裝了一個萬向輪來代替兩個 前輪，使機器人的轉(zhuǎn)向更加靈敏，可任意方向移動。通過超聲波測距傳感器和紅外線避 障傳感器檢測障礙物，機器人能夠及時躲避障礙。通過開關(guān)型霍爾傳感器測量輪子的轉(zhuǎn) 數(shù)，單片機可計算機器人完成特定動作時的行駛距離。通過防跌落傳感器檢測 8cm 以上 的地面落差， 防止機器人從高處跌落。 通過電子羅盤檢測機器人行駛方向， 通過調(diào)整PWM 波的占空比，使機器人始終保持直線行駛。本論文將通過可靠的硬件設計和穩(wěn)定的軟件 算法，使清潔機器人清掃時盡量減小重復率并加大覆蓋率。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞: 清潔機器人，MSP430F149，避障，導航，L298N 山東科技大學工程碩士論文 Abstract Abstract This paper designs a kind of control system for the intelligent cleaning robot. Firstly, the robot walks along the walls of the room which the robot will clean for the basic information of the room. Secondly, after the scan, from a corner of the room , the robot walks along with the direction which parallel the width of the room .After cleaning the blind area, the robot will walk all over the room. The robot runs along the straight line. When encountering an obstacle, it can automatically go around the obstacle and continue the former route. When traveling near the stairs or the edge of the table, the robot will automatically return to avoid dropping. The cleaning robot is based on the MSP430F149 microprocessor. The MSP430F149 outputs two PWM square waves to drive L298N and control two DC motors. By adjusting the speed of the two wheels, the robot can move forward or backward and turns left or right. At the same time with the installation of a universal wheel which replaces the two front wheels, the robot moves more smoothly in any direction. By means of ultrasonic sensor and infrared sensors to detect obstacles, the robot can always avoid any obstacle. By means of the hall sensor to measure the speed of the two wheels, the MSP430F149 calculates the distance when the robot completes a specific step. Through the fall sensor to detect the drop of the ground level, the robot is prevented from a fall from a height. Through the electronic compass to detect the moving direction of the robot, by adjusting the duty cycle of the PWM wave, the robot always walks on a straight line. This task will be based on the reliable hardware and steady software, so the cleaning robot can minimize the repetition and increase the coverage. Keywords：Cleaning robot，MSP430F149，L298N，Obstacle avoidance，Navigation 山東科技大學工程碩士論文 目錄 1 目 錄 目 錄 1 緒論緒論1 1.1 課題的提出.1 1.2 清潔機器人的發(fā)展現(xiàn)狀.1 1.3 本課題主要研究內(nèi)容.3 2 整體設計方案整體設計方案.4 2.1 硬件設計方案.4 2.2 軟件設計方案.5 2.3 機器人的機械結(jié)構(gòu).6 3 硬件設計硬件設計.8 3.1 微控制器.8 3.2 電源管理.10 3.3 電機驅(qū)動模塊.14 3.4 測速模塊.21 3.5 紅外避障模塊與紅外防跌落模塊.22 3.6 電子羅盤.24 3.7 超聲波測距模塊.25 4 軟件設計軟件設計29 4.1 系統(tǒng)主程序的設計.29 4.2 串口接收中斷程序.32 4.3 讀取串口接收數(shù)據(jù)程序.33 4.4 定時器A中斷程序34 4.5 定時器B中斷程序 41 4.6 I/O中斷程序42 5 實驗中遇到問題及擬解決方案實驗中遇到問題及擬解決方案.44 山東科技大學工程碩士論文 目錄 2 5.1 清潔機器人的重心問題.44 5.2 電源芯片負載問題.44 5.3 避障模塊的檢測范圍問題.45 5.4 超聲波測距模塊的信號串擾問題.45 5.5 步進電機與直流電機的比較.47 5.6 電子羅盤的種種問題.47 5.7 計算障礙距離時變量的范圍問題.47 致謝致謝 . 48 參考文獻參考文獻 . 49 附錄附錄 電路原理圖電路原理圖. 51 山東科技大學工程碩士論文 目錄 1 Contents 1 Introduction.1 1.1 Raising of project1 1.2 Present situation of cleaning robots1 1.3 Research contents.3 2 OVERALL DESIGN 4 2.1 Hardware design.4 2.2 Software design.5 2.3 Mechanical structure of the robot.6 3 Hardware Design 8 3.1 MCU.8 3.2 Energy management.10 3.3 Motor drive.15 3.4 Speed test.21 3.5 Infrared obstacle avoidance and protection from falling.21 3.6 Electronic compass.24 3.7 Ultrasonic sensor.25 4 Software Design. 29 4.1 Main program.29 4.2 Serial port receive interrupt program32 4.3 Read the serial receive data program.33 4.4 TimerA interrupt program.34 4.5 TimerB interrupt program41 4.6 I/O interrupt program42 5 System Debugging. 44 山東科技大學工程碩士論文 目錄 2 5.1 Gravity center of cleaning robot .44 5.2 Load of power supply .44 5.3 Testing scope of obstacle avoidance module.45 5.4 Signal crosstalk.45 5.5 Problems of electronic compass.47 5.6 Scope of variable .47 Acknowledgements 48 References. 49 Appendix. 51 山東科技大學工程碩士論文 緒論 1 1 緒論緒論 1.1 課題的提出課題的提出 在當今世界，科學技術(shù)使人類的生活和思維方式不斷變革，科技產(chǎn)品已深入到人類 生活的各個角落。在控制、感知、驅(qū)動、材料等領(lǐng)域不斷進步的技術(shù)背景下，機器人開 始出現(xiàn)在制造之外的服務領(lǐng)域，開辟了機器人應用的新天地1。服務機器人的出現(xiàn)有著 深刻的社會因素，其中包括勞動力成本上升、人類想擺脫枯燥乏味的日常事務、人口的 老齡化和社會福利制度的日益完善。 清潔機器人是一種能夠自動執(zhí)行房間清掃的家用服務機器人，涉及了機械學、傳感 器技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)、機器人技術(shù)、人工智能技術(shù)等多門學科2。20 世紀 80 年代人們開始進行清潔機器人的研究，現(xiàn)在已經(jīng)開發(fā)出多種成功的產(chǎn)品，許多發(fā)達國家 都將其視為機器人研究的新領(lǐng)域并給予重視。在很多國家里，車站、機場、辦公室、工 廠等公共場合的清潔任務已經(jīng)逐步交由機器人來完成3。專家預測清潔機器人是未來幾 年需求量最大的服務機器人，將會有很大的成長空間。同時，只要其性能優(yōu)越，價格又 可以令大眾接受，相信清潔機器人會大量走入普通家庭。 從技術(shù)層面來講，研究智能清潔機器人會運用到機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有很強 的代表性；從市場前景層面來講，智能清潔機器人將大大降低人們的勞動量，提高勞動 效率，特別適合家庭和公共場合的室內(nèi)清潔。因此，清潔機器人的開發(fā)既具有科研上的 挑戰(zhàn)性與前瞻性，又具有廣闊的市場前景4。 1.2 清潔機器人的發(fā)展現(xiàn)狀清潔機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 清潔機器人最早出現(xiàn)于美國，隨后進入到歐洲與日本，風靡港澳臺，進入大陸的時 間是上世紀 90 年代末期。現(xiàn)在清潔機器人的生產(chǎn)廠商有很多，比較著名的有德國 Karcher，英國 Dyson，澳大利亞 Floorbotics，美國 irobot，瑞典伊萊克斯，荷蘭飛利浦， 韓國三星、LG，臺灣聯(lián)騰電子以及國內(nèi)的 KV8。 與傳統(tǒng)吸塵器相比，智能清潔機器人更省時、省力，整個清潔過程不需要人參與， 山東科技大學工程碩士論文 緒論 2 幫助人們省下更多的時間上網(wǎng)、看電視、陪家人5；清潔機器人在工作時，噪音極小， 不影響人們生活和休息；有些機器人內(nèi)部裝有活性炭，可吸附空氣中的有害物質(zhì)；由于 其體積很小，一些普通吸塵器清掃不到的死角，它都可以處理；工作過程中電量不足時， 機器人會停止工作移動到充電器進行自動充電，充電完畢后，會返回到原來清掃中斷時 的地點繼續(xù)清掃工作；機器人工作時，當探測到有障礙物時會自動選擇躲避障礙物，然 后自主選擇新的清掃路徑；機器人有防跌落智能感應器，當機器人行駛到邊沿時會自動 退回來，所以不用擔心它掉下去；機器人不但有真空吸口，還有底部的旋轉(zhuǎn)滾刷以及側(cè) 部的旋轉(zhuǎn)毛刷，這些都強化了清潔去污能力；機器人能夠檢測污垢情況，進行多次的清 掃工作；用戶可通過“虛擬墻”設置一個對機器人有阻隔作用的墻壁，控制機器人的活動 空間；最新型的智能清潔機器人使用新型 3D 地圖影射技術(shù)定位自身位置，用戶能夠通 過互聯(lián)網(wǎng)操作家中的機器人，在家中無人時，監(jiān)視家中情況。 目前，大多數(shù)投入市場的清潔機器人的結(jié)構(gòu)組成基本一致。清潔機器人的基本結(jié)構(gòu) 一般包括四部分：控制系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、移動機構(gòu)、清潔系統(tǒng)6。控制系統(tǒng)是清潔機器 人的核心，一般采用微控制器，通過對感知系統(tǒng)采集到的信號分析與計算，對移動機構(gòu) 和清潔系統(tǒng)發(fā)出控制信號，控制機器人完成移動和清掃等各種行為；感知系統(tǒng)依賴于傳 感器技術(shù)， 主要作用是感知外部的環(huán)境信息并將其讀入控制系統(tǒng)， 一般常用的傳感器有： CCD 攝像儀、超聲波測距傳感器、紅外避障傳感器、接觸傳感器和碰撞傳感器等；移動 機構(gòu)確保清潔機器人可以自動移動7，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進式或其他方 式，輪式和履帶式適合移動在平整的地面上，步進式適合于條件較差的路面移動；清潔 系統(tǒng)一般有：噴水器、地刷和吸塵器，噴水器向地面噴灑清水，地刷用于強力清掃地板 上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體及灰塵。 盡管國內(nèi)對于清潔機器人的研究取得了很大的進展，但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需 要解決或提高。例如，有些機器人只能隨機移動，有的能在單個房間內(nèi)較簡單的以一定 路線移動，有的機器人當遇到障礙物時，雖然能夠做出躲避動作，但繞過障礙物時卻無 法沿著之前的清掃路線繼續(xù)清掃。由于清潔效果不佳、無法遍歷或者重復率高而遍歷時 間太長等原因，很多產(chǎn)品無法令人滿意，所以路徑規(guī)劃是一個比較重要亟待解決的技術(shù) 問題。 山東科技大學工程碩士論文 緒論 3 1.3 本課題主要研究內(nèi)容本課題主要研究內(nèi)容 本課題旨在設計一種基于單片機的清潔機器人，在路徑規(guī)劃上追求高覆蓋率與低重 復率，在用時更少的情況下達到更好的清掃效果。機器人的具體設計要求如下： (1) 清潔機器人在清掃房間前，先繞房間一周，利用測速傳感器測行駛速度，利用單片 機內(nèi)部定時器計時，計算房間的長與寬，并規(guī)劃好路徑。 (2) 清潔機器人利用方向傳感器對行駛方向進行檢測，單片機根據(jù)檢測信號控制兩個電 機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)動方向， 使機器人可以直線正向或反向行駛， 以及轉(zhuǎn)90度彎或180度彎。 (3) 清潔機器人利用避障傳感器對障礙物進行檢測，能夠及時躲避，繞過障礙物后，能 夠回到原路線上繼續(xù)前進，盡量做到既不重復已經(jīng)清掃過的路徑，又不漏掉未清掃 的路徑8。 (4) 當行駛到有落差的路面邊緣時，即桌子上或樓梯附近運行時，機器人通過防跌落傳 感器對路面落差進行檢測，當有跌落危險時會自動退回。 本課題的研究主要包括智能機器人的硬件設計與軟件編程。其中硬件設計包括傳感 器的選取，單片機的選取，電機的選取，各種控制芯片的選取，全部電路的設計等；軟 件設計包括控制各傳感器采集信號，接收、處理與計算傳感器傳回的信息，根據(jù)計算結(jié) 果規(guī)劃機器人行駛路徑，并輸出控制信號驅(qū)動電機。 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 2、整體設計方案、整體設計方案 2.1 硬件設計方案硬件設計方案 該清潔機器人以單片機為核心，與行駛方向檢測模塊、速度檢測模塊、避障模塊、 防跌落模塊、電機驅(qū)動模塊和電源模塊組成了閉環(huán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)的電路原理框圖如圖 2.1 所示。 電機驅(qū)動模塊 4 圖 2.1 系統(tǒng)原理框圖 Fig2.1 The block diagram of the system 系統(tǒng)主要包括： (1) 行駛方向檢測模塊: 通過電子羅盤采集方向數(shù)據(jù)信號，使機器人始終保持直線行駛， 最大可能減小路徑重復率。 (2) 速度檢測模塊: 通過霍爾傳感器采集電機轉(zhuǎn)數(shù)信號， 讀入單片機計算單位時間內(nèi)的行 駛距離。 (3) 避障模塊：避障模塊分別由超聲波測距傳感器與紅外線避障傳感器組成。超聲波測 距傳感器發(fā)出超聲波，通過單片機記錄的超聲波遇到障礙物后的返回時間計算障礙 距離檢測障礙，使機器人可以時時躲避障礙；紅外線避障傳感器發(fā)出紅外線，紅外 線遇到障礙物后發(fā)生反射，傳感器檢測到頻率匹配的反射紅外線后，向 I/O 口輸出 避障模塊 防跌落模塊 方向檢測模塊 單片機 速度檢測模塊 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 5 低電平信號，單片機由此知曉前方有障礙物。 (4) 防跌落模塊：通過紅外線傳感器發(fā)射紅外線并檢驗規(guī)定距離內(nèi)是否返回紅外線，檢 測路面落差，防止跌落。 (5) 電機驅(qū)動模塊：通過單片機輸出的兩路 PWM 方波信號，經(jīng)光電隔離后，驅(qū)動 L298N 芯片控制兩路直流減速電機，令機器人完成前進、后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)等基本動作。 (6) 電源模塊：通過線性穩(wěn)壓芯片穩(wěn)壓得到系統(tǒng)需要的各種電源電壓。 2.2 軟件設計方案軟件設計方案 軟件設計上，編寫了相應程序使清潔機器人能夠自主導航避障。清潔機器人的清掃 工作包括三個步驟：掃描房間信息、“弓”形清掃和反“弓”形清掃。模擬房間情況如圖 2.2 所示。 (1) 掃描房間信息:清潔機器人清掃起點為 AB 墻夾角， 先沿著房間的四面墻壁行駛一周， 對清掃房間進行掃描，檢測房間基本信息。在此過程中，根據(jù)前、左、右三個方向的 避障傳感器檢測結(jié)果判斷行駛方向，機器人的行駛方向的選擇順序為：左、前、右。 只要左方無障礙物機器人就左轉(zhuǎn) 90 度，當左方檢測到障礙物時，機器人直線前進， 當前方和左方同時有障礙物時，機器人右轉(zhuǎn) 90 度，繼續(xù)前進。檢測房間基本信息后， 計算房間的長和寬，為接下來的清掃工作做準備。 (2) “弓”形清掃：機器人 R 回到房間 AB 角，以此墻角為出發(fā)點，沿著墻壁 A 前進，并 默認此路徑為清掃區(qū)域一，當接近墻壁 D 時，機器人的右輪子轉(zhuǎn)動、左輪子靜止不 動， 向左后轉(zhuǎn)彎， 這樣保證了每次掉頭時， 只移動了一個車身寬度， 進入清掃區(qū)域二； 當接近墻壁 B 時，機器人的左輪轉(zhuǎn)動、右輪靜止不動，向右后轉(zhuǎn)彎，進入清掃區(qū)域 三。這樣，機器人沿與房間寬邊墻壁平行長邊墻壁垂直的方向上下往返清掃，直到遍 歷房間。當遇到障礙物時，機器人向左（或向右）轉(zhuǎn) 100 度彎行駛，右側(cè)面（左轉(zhuǎn)看 右面，右轉(zhuǎn)看左面）傳感器繼續(xù)檢測障礙，如果已無障礙，機器人向右轉(zhuǎn)彎并繼續(xù)檢 測右側(cè)傳感器， 直到右側(cè)無障礙， 機器人左轉(zhuǎn)回到此次避障轉(zhuǎn)彎前初始行駛的直線軌 跡上；如果有障礙，機器人左轉(zhuǎn) 80 度行駛，即在未行使到墻邊時，進入下一個清掃 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 區(qū)域。單片機記錄此次區(qū)域號和行駛距離。當正“弓”形清掃結(jié)束后，統(tǒng)計所有未完全 清掃區(qū)域，將相鄰區(qū)域合并，組成重點清掃區(qū)域，例如圖中的 J 區(qū)域和 K 區(qū)域。 (3) 反“弓”形清掃：結(jié)束“弓”形清掃后，機器人來到與清掃出發(fā)點橫坐標相同，縱坐標不 同的墻角 AD 作為出發(fā)點，清掃過程與“弓”形階段相同，這樣可對“弓”形階段中漏掉 的地方進行補償清掃，增大清掃覆蓋率。 圖 2.2 房間模擬圖 Fig2.2 The simulator of the room 2.3 機器人的機械結(jié)構(gòu)機器人的機械結(jié)構(gòu) 機器人的機械結(jié)構(gòu)如圖 2.3 所示，在機器人底盤靠近外側(cè)處一共安裝 3 個超聲測距 波傳感和 6 個紅外避障傳感器用于避障，前方，左側(cè)和右側(cè)各有 1 個超聲波傳感器，在 每個超聲波傳感器的兩側(cè)各安裝一個紅外線避障傳感器。機器人正前方底盤外安裝紅外 避障傳感器，傳感器整體垂直地面，以檢測路面落差防止跌落。電子羅盤安裝在機器人 地盤前半部，注意羅盤上的白色箭頭必須與小車的正前方方向一致。底盤反面安裝一個 萬用輪來代替兩個前輪，使小車的轉(zhuǎn)向更加靈敏，可任意方向移動。機器人的主控板和 L298N 電機驅(qū)動板緊挨著安裝在底盤正面后半部，盡量保證兩者在底盤上位置靠后并左 6 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 右對稱，使兩個輪子受力平均。L298N 通過杜邦線驅(qū)動兩路電機， 兩個電機分別控制 一個輪子，通過螺絲固定。測速板在底盤反面，正對兩個電機未安裝減速箱一側(cè)的輸出 軸。 紅外避障傳感器 防跌落傳感器 超聲波傳感器 單片機主控板 萬向輪 電子羅盤 車輪 霍爾傳感器 直流電機 電機驅(qū)動板 圖 2.3 機器人機械結(jié)構(gòu)圖 Fig2.3 The mechanical structure of the robot 7 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 8 3 硬件設計硬件設計 3.1 微控制器微控制器 3.1.1MSP430 簡介簡介 1996 年，由美國德州儀器公司（TI）生產(chǎn)的MSP430 系列單片機華麗登場。它 是一種 16 位、 超低功耗、 具有精簡指令集 （RISC） 的混合信號處理器 （Mixed Signal Processor）。該系列單片機針對實際應用需要，在一個芯片上集成了不同功能的模 擬電路模塊、數(shù)字電路模塊和微處理器，以提供“單片”解決方案9。 MSP430 系列單片機處理能力強，運算速度快。它擁有 16 位數(shù)據(jù)寬度的 CPU 寄存 器，采用精簡指令集（RISC）架構(gòu)，具有十分豐富的尋址方式包括 7 種源操作數(shù)尋址 和 4 種目的操作數(shù)尋址、 簡潔而實用的 27 條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令和高效的查 表處理指令10。同時在 MSP430 單片機中，最大 256KB 的 Flash 只讀存儲器(ROM)和最 大 18KB 隨機存儲器(RAM)可參加多種運算。 該系列單片機可以在最大 8MHz 外接晶 振和內(nèi)置數(shù)字振蕩器(DCO)的驅(qū)動下，可實現(xiàn) 25MHz 的 CPU 主頻。 另外，16 位的數(shù) 據(jù)寬度、最短 40ns 的指令周期和多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加）相配合，能實現(xiàn) 數(shù)字信號處理的某些算法（如 FFT 等）9。 TI 公司宣稱 MSP430 系列單片機是世界上功耗最低的微控制器11。該系列單片機 之所以有超低的功耗是因為其采用 1.83.6V 的電源電壓的同時， 擁有獨特的時鐘系統(tǒng)設 計12。時鐘系統(tǒng)是 MSP430 系列單片機最關(guān)鍵的部件，它包含基本時鐘系統(tǒng)和 DCO 數(shù) 字振蕩器時鐘系統(tǒng)，并可對多種時鐘源進行分類管理。用戶可通過時鐘系統(tǒng)靈活的切換 時鐘源，通過軟件隨時更改 CPU 的運行速度，為不同的外設提供不同頻率的時鐘信號。 MSP430 單片機時鐘系統(tǒng)中共有一種活動模式（ AM ）和五種深度不同的低功耗模式 （ LPM0、 LPM1、LPM 2、LPM 3、LPM4 ） 。通過控制時鐘系統(tǒng)中多個相應的控制位 即 CPUOFF、SCG0、SCG1、OSCOFF，控制內(nèi)部的 CPU、FLL 倍頻環(huán)、數(shù)字時鐘發(fā)生 器和外接晶振的開關(guān)，MSP430 單片機可以進入不同深度的低功耗模式以降低功耗13。 當單片機執(zhí)行程序時，時鐘系統(tǒng)處于活動模式，全部時鐘均開啟，此時功耗正比于 CPU 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 9 主頻， 每 MHz 為 200400 uA， 仍然處于微安級上。 當單片機運行在低功耗模式 4 （LPM4） 下，整個時鐘系統(tǒng)全部關(guān)閉，單片機內(nèi)部所有模塊停止工作，功耗最低可降到 0.1uA 。 因此，用戶通過時鐘系統(tǒng)可以在功耗和性能之間尋求最佳的平衡點，實現(xiàn)理想的設計效 果14。 MSP430 系列單片采用模塊化結(jié)構(gòu)， 擁有較豐富的片內(nèi)外設， 具備高性能集成優(yōu)勢， 完美整合了在程序失控時可使系統(tǒng)迅速復位的看門狗（ WDT ） ；可進行模擬電壓比較 的模擬比較器 A ；具有捕獲與比較功能，可用于測量頻率、周期、計數(shù)、精準定時、 產(chǎn) 生 PWM 方波的 16 位定時器（ Timer_A 和 Timer_B ） ；可實現(xiàn)異步、同步及多址訪問 和多機通信等應用的串行通訊接口（ USART0 、USART 1 ）以及硬件乘法器、LCD 液 晶驅(qū)動器、 10 位 /12 位 ADC 、16 位 Sigma-Delta AD、直接尋址模塊（ DMA ）和 基本定時器 （ Basic Timer ） 等外圍模塊。 其中， 10/12 位硬件 A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率高， 可達 200kbps ，能夠完成大部分數(shù)據(jù)采集任務；LCD 控制器能直接驅(qū)動多達 160 段的 液晶；硬件 I2C 串行總線接口可實現(xiàn)存儲器串行擴展；為快速傳輸數(shù)據(jù)，而采用直接數(shù) 據(jù)傳輸（ DMA ）模塊。另外，MSP430 單片機具有較多的 I/O 端口，最多可達 48 個， 其中 P0 、P1 、P2 端口能夠同時接收多個外部上升沿或下降沿的中斷輸入15。這些模 塊的結(jié)構(gòu)獨立而完整，在不同型號的 MSP430 系列單片機中，同一種模塊的使用方法和 寄存器都是相同的，降低了用戶學習和開發(fā) MSP430 單片機的難度。并且，這種可擴展 的單片機使用戶能夠為不同的設計要求進行適當?shù)倪x型。同時，用戶可以單獨激活需要 使用的模塊，關(guān)閉不用的模塊，以降低系統(tǒng)功耗。此外，MSP430 單片機的高集成度還 能造就物理尺寸較小的解決方案，進而最大限度地降低總物料成本。 由于只讀存儲器目前主要為 FLASH 型，MSP430 單片機擁有十分方便的開發(fā)調(diào)試 環(huán)境。FLASH 型單片機有 JTAG 調(diào)試接口與可電擦寫的 FLASH 存儲器，用戶可以先 下載程序到 FLASH 內(nèi)， 再通過軟件控制程序運行， 通過 JTAG 接口讀取的片內(nèi)信息對 單片機內(nèi)部程序進行調(diào)試。這種方式只需要一臺 PC 機和一個 JTAG 調(diào)試器，而不需 要仿真器和編程器，十分方便靈活。 MSP430 單片機可在-40+ 85 攝氏度的環(huán)境溫度下運行 ，所以以其為核心所設計 的產(chǎn)品可適用于工業(yè)環(huán)境下。 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 10 3.1.2 單片機選型單片機選型 本系統(tǒng)所選用的單片機需要為三個超聲波測距模塊發(fā)出控制信號的同時并接收他們 傳回的障礙物檢測信號；需要接收四個紅外線避障傳感器傳回的障礙物檢測信號；需要 接收兩路測速模塊傳回的電機轉(zhuǎn)數(shù)信號；接收電子羅盤傳回的 TTL 電平的串口數(shù)據(jù)信 號；為控制電機輸出兩路 PWM 方波；系統(tǒng)還需要定時器完成為定時中斷程序定時、輸 出兩路 PWM 波、記錄高電平時間的功能。本系統(tǒng)需要一款 I/O 口比較多、功能比較強 大的單片機。所以，本系統(tǒng)選擇了功能比較齊全且管腳資源豐富的 MSP430F149 單片機 作為本系統(tǒng)的控制器。 3.1.3 單片機電路的設計單片機電路的設計 單片機接口電路如圖 3.1 所示。MSP430 供電電壓為 3.3V，低頻晶振為 32768HZ， 高頻晶振為 8M，復位電路圍繞 IMP809 芯片搭建。在本設計中，由于外圍電路較多，一 共用到了 20 個 I/O 口。 在本系統(tǒng)中，MSP430F149 單片機的 P2.0、P2.1 和 P2.2 為三個超聲波測距模塊發(fā)出 控制信號，同時 P4.1、P4.2 和 P4.3 接收他們傳回的障礙物檢測信號；P1.0、P1.1、P1.2、 P1.3、P1.4、P1.5 接收紅外線避障傳感器傳回的障礙物檢測信號；P2.5 接收防跌落傳感 器傳回的信號；P2.3 和 P2.4 接收兩路測速模塊傳回的電機轉(zhuǎn)數(shù)信號；串行通訊接口 P3.5 接收電子羅盤傳回的 TTL 電平的串口數(shù)據(jù)信號；P1.6 和 P1.7 輸出兩路 PWM 方波。 3.2 電源管理電源管理 對于任何系統(tǒng)而言，電源在提供足夠的電壓同時，必須安全性高、穩(wěn)定性好、散熱 快、帶負載能力達到系統(tǒng)需求。 在本系統(tǒng)中， MSP430 單片機的供電電壓為 3.3V， L298N 電機驅(qū)動模塊的邏輯部分、 超聲波測距模塊、霍爾傳感器測速模塊、電子羅盤以及紅外線避障模塊的供電電壓均為 5V，同時兩個直流減速電機需要 6V 驅(qū)動電壓。另外，電源模塊還需要為系統(tǒng)提供復位 信號。 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 P1.5/TA0 17 P1.6/TA1 18 P1.7/TA2 19 P2.0/ACLK 20 P2.1/TAINCLK 21 P2.2/CAOUT/TA0 22 P2.3/CA0/TA1 23 P2.4/CA1/TA2 24 P2.5/Rosc 25 P2.6/ADC12CLK 26 P2.7/TA0 27 P3.0/STE0 28 P3.1/SIMO0 29 P3.2/SOMI0 30 P3.3/UCLK0 31 P3.4/UTXD0 32 P3.5/URXD0 33 P3.6/UTXD1 34 P3.7/URXD1 35 P4.0/TB0 36 P4.1/TB1 37 P4.2/TB2 38 P4.3/TB3 39 P4.4/TB4 40 P4.5/TB5 41 P4.6/TB6 42 P4.7/TBCLK 43 P5.0/STE1 44 P5.1/SIMO1 45 P5.2/SOMI1 46 P5.3/UCLK1 47 P5.4/MCLK 48 DVcc 1 P6.3/A3 2 P6.4/A4 3 P6.5/A5 4 P6.6/A6 5 P6.7/A7 6 VREF+ 7 XIN 8 XOUT/TCLK 9 VeREF+ 10 VREF-/VeREF- 11 P1.0/TACLK 12 P1.1/TA0 13 P1.2/TA1 14 P1.3/TA2 15 P1.4/SMCLK 16 P5.5/SMCLK 49 P5.6/ACLK 50 P5.7/TBoutH 51 XT2OUT 52 XT2IN 53 TDO/TDI 54 TDI 55 TMS 56 TCK 57 RST/NMI 58 P6.0/A0 59 P6.1/A1 60 P6.2/A2 61 AVss 62 DVss 63 AVcc 64 MSP430F149IPM Y1 32768HZ +3.3 C8 22PFY2 8M C7 22PF Infrared_ray_0 Infrared_ray_1 Infrared_ray_2 Infrared_ray_3 Infrared_ray_5 PWM_Left PWM_Right Sound_1_T Speed_right Sound_2_T Sound_3_T Speed_left Sound_3_R Sound_2_R Sound_1_R CompassInfrared_ray_4 Direct_right Direct_left Fall RST U4 圖 3.1 單片機接口電路原理圖 Fig3.1 The schematic diagram of SCM interface circuit 3.2.1 電池電池 11 系統(tǒng)的能量完全由一塊可充電鋰電池提供， 該電池容量為 900mAh； 標稱電壓為 7.4V， 其開路電壓最高可達 8.4V；工作輸出電流極高，瞬間放電可達 18A，持續(xù)放電達 13.5A； 重量較輕，僅有 44 克，能量體積比高。但是，該電池并未加裝保護板，須提防過放電， 工作電壓不可低于 6.4 伏，這個電壓不是電池開路電壓而是工作電壓，因為所有電池都 有內(nèi)阻，放電時的電壓會低于電池不工作時開路的電壓。實驗中，電池電量下降到開路 電壓為 7.0 伏時就應該及時充電。本文中會用 VCC 來表示該電源輸出的電壓。 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 3.2.2 6V 電源電路電源電路 6V 電源部分通過 L7806 芯片來實現(xiàn)。TO-220 封裝形式的 L7806 芯片為傳統(tǒng)的線性 穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的 6V 輸出電壓，同時輸出電流可達到 1.5A，但要求輸入電壓比輸 出電壓高 2V 至 3V，本系統(tǒng)的電池開路電壓最高為 8.4V，滿足 L7806 的輸入要求。本系 統(tǒng)中使用的電機的額定電壓為 6V，該電源電路單獨為兩個電機供電。該電機在 6V 額定 電壓下運行時電流為 150mA， 但是電機在阻力過大時電流將達到 300mA， 兩個電機需要 的帶負載能力可達 600mA。L7806 芯片基本可以滿足設計要求，但須加裝散熱片。另外， 為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置 0.1uF 濾波電容；為減小輸入端受 到的干擾，輸入管腳放置 0.33uF 的濾波電容16。在穩(wěn)壓芯片輸入端串接一個二極管，防 止電池正負極接反。6V 穩(wěn)壓電路如圖 3.2 所示。 Vin 1 GND 2 Vout 3 L7806 C3 0.33uf C4 0.1uf +6VCC D2 IN4007 圖 3.2 6V 穩(wěn)壓電路原理圖 Fig3.2 The schematic diagram of 6V voltage-stabilizing circuit 3.2.3 5V 電源電路電源電路 12 5V 電源部分通過 L7805 芯片來實現(xiàn)。TO-220 封裝形式的 L7805 芯片為傳統(tǒng)的線性 穩(wěn)壓器，可提供穩(wěn)定的 5V 輸出電壓，同時輸出電流也可達到 1.5A，但要求輸入電壓比 輸出電壓高 2V 至 3V，本系統(tǒng)的電池開路電壓最高為 8.4V，滿足 L7805 的輸入要求。本 系統(tǒng)中不僅 L298N 電機驅(qū)動模塊的邏輯部分、超聲波測距模塊、霍爾傳感器測速模塊、 電子羅盤和紅外線測距模塊需要該電路供電， MSP430 單片機需要的3.3V 電壓也需要 5V 電源電路輸出后降壓提供。L7805 芯片基本可以滿足設計要求，但同樣須加裝散熱片。 另外，為使電源輸出的紋波足夠小，在芯片的輸出管腳放置 0.1uF 濾波電容；為減小輸 入端受到的干擾， 輸入管腳放置 0.33uF 的濾波電容。 在穩(wěn)壓芯片輸入端串接一個二極管， 山東科技大學工程碩士論文 硬件設計 防止電池正負極接反。5V 穩(wěn)壓電路如圖 3.3 所示。 13 Vin 1 GND 2 Vout 3 L7805 C1 0.33uf C2 0.1uf +5VCC D1 IN4007 圖 3.3 5V 穩(wěn)壓電路原理圖 Fig3.3 The schematic diagram of 5V voltage-stabilizing circuit 3.2.4 3.3V 電源電路電源電路 3.3V 電源部分通過 LM-1117-3.3 芯片來實現(xiàn)。 SOT-23 封裝形式的 LM-1117-3.3 芯片 為低壓差線性穩(wěn)壓器，可將輸入最低 4.5V 的電壓穩(wěn)壓到穩(wěn)定的 3.3 伏輸出電壓，只要求 輸入電壓比輸出電壓高 1.3V 至 1.5V，這樣該電路的輸入接+5V 即可，可減小穩(wěn)壓器功 耗，提高能源利用效率。同時輸出電流也可達到 800mA。本系統(tǒng)中 MSP430 單片機需要 的 3.3V 電壓需要該電源電路