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摘要
設(shè)計并制作了一輛可遠距離遙控的小車。車體以TI公司Stellaris Cortex-M3系列單片機LM3S615為控制核心，配合步進電機系統(tǒng)、紅外傳感器、zigbee無線通信模塊，實現(xiàn)小車行走、自動避障、遠距離通信控制等功能。遙控器部分采用TI公司MSP430G系列MSP430G2452單片機，配合電容觸摸板和zigbee無線通信模塊，實現(xiàn)了對小車的遠距離全方位控制。
實際測試表明，遙控小車的有效控制距離超過500米，觸控板控制精確，小車行走流暢、避障迅速可靠。
關(guān)鍵詞：Cortex-M3; Stellaris; MSP430; Zi
2、gbee
1. 設(shè)計功能思想:
要設(shè)計的是一個可以遠距離遙控，靈活快速運動的遙控小車。同時為了防止小車在遙控運動時意外撞到障礙物后發(fā)生損壞，所以給小車增加自動避障功能。小車在無障礙物時按遙控指令行進，遇到障礙物時，優(yōu)先執(zhí)行避障程序。主要涉及內(nèi)容包括：
（1） 對小車運動電機的控制
（2） 對紅外傳感器的信息讀取及檢測距離控制
（3） 控制器控制臺的選取及其驅(qū)動軟件設(shè)計
（4） 無線通信協(xié)議，命令收發(fā)的軟件設(shè)計
2. 系統(tǒng)方案
（1） 系統(tǒng)設(shè)計框圖：
圖1為系統(tǒng)設(shè)計框圖。
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MSP430G2452處理器
觸摸
3、板
（控制小車任意轉(zhuǎn)向及運動）
觸摸信號
控制命令傳輸
ZM2410P0無線模塊
ZM2410P0無線模塊
LM3S615
微處理器
小車
傳感器
控制器部分
小車部分
障礙信息
控制命令
無線信號傳輸
圖1 系統(tǒng)設(shè)計框圖
（2） 其中使用的關(guān)鍵算法：
（a）控制器部分，待機狀態(tài)下，且設(shè)置了8.3秒自啟動的算法。并且通過軟件模擬UART，實現(xiàn)了命令的準(zhǔn)確發(fā)送。
（b）小車部分， 5個紅外傳感器，由M3內(nèi)部硬件集成的PWM控制，由5個GPIO單獨讀取障礙信息
3. 硬件清單
系統(tǒng)硬件：控制器、小車（帶有步進電機和紅外傳感器）、無線模塊。
（1
4、） 控制器部分：
圖2 電容觸摸板
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圖2為電容觸摸板，型號為430BOST SENSE1。電容觸摸板是一種無損耗按鍵，操作界面美觀，作為遙控器的控制臺。
圖3 MSP-EXP430G2 LaunchPad
圖3為TI公司MSP430G2系列開發(fā)板，所用單片機位MSP430G2452。G2板作為遙控器的處理器，實現(xiàn)對觸摸信號的處理和無線通信。
圖4 小車
圖4為小車部分。使用周立功公司的電腦鼠為車體，小車使用TI公司Stellaris Cortex-M3系列單片機LM3S615為控制核心。結(jié)合高性能的無線模
5、塊，改裝成遠距離遙控的小車。
圖5 無線模塊
圖5為 Zigbee無線通信模塊，型號：ZM2410P0。
4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計
（1） 軟件流程圖：
圖6所示為軟件流程圖。
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開始
初始化觸摸板及‘UART’定時器
定時8.3s，進入低功耗待機，等待觸摸
定時時間>8.3s?
‘UART’發(fā)送命令
Y
N
觸摸中斷喚醒，并關(guān)閉8.3s定時器
開始
初始化電機、紅外傳感器及其UART
等待控制命令和障礙信息
遇到障礙？
控制小車準(zhǔn)確運動
繼續(xù)完成運動
N
Y
2）小車
1）控制器
6、
圖6 軟件流程圖
（2） 軟件設(shè)計概述：
（a） 電容觸摸板信號的讀取。采用捕獲中斷方式來識別觸摸信號，并且設(shè)計了判別誤動作的消抖算法，使控制更可靠。
（b） 按鍵中斷掃描。通過軟件設(shè)計，對每個按鍵的中斷狀態(tài)快速掃描，提高了觸摸板信號的識別速度。
（c） 遙控器通信部分。在MSP430G2452上用定時器虛擬了‘UART’通信協(xié)議，設(shè)置了同步波特率，實現(xiàn)了與Zigbee無線模塊的串口通信，完成了命令的的發(fā)送環(huán)節(jié)。
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（d） Zigbee模塊部分。對ZM2410P0模塊波特率的設(shè)定和收發(fā)狀態(tài)的初始化，完成可靠準(zhǔn)確地?zé)o線傳
7、輸環(huán)節(jié)。
（e） 步進電機控制部分。使用LM3S615內(nèi)部兩個32位定時器，實現(xiàn)對步進電機的“半步驅(qū)動”控制，步進角度為3.75度。
（f） 調(diào)制紅外探測器。使用LM3S615的兩個硬件PWM模塊來完成對5個調(diào)制紅外探測器的驅(qū)動。通過改變PWM的頻率，可實現(xiàn)對不同距離障礙物的檢測。
（g） 小車通信部分。利用LM3S615內(nèi)部UART模塊實現(xiàn)了與Zigbee無線模塊硬件的串行通信。
5. 系統(tǒng)創(chuàng)新
（1） 實現(xiàn)了遠距離遙控小車，快速靈活運動，并自動避障。
（2） 充分利用MSP430G2板載資源，實現(xiàn)了方便快捷的人機交互。
（3） 將兩塊ZM2410P0模塊來進行MSP430G2
8、452和LM3S615兩塊處理器之間的無線通訊，通訊控制距離達到500米。
6. 評測與結(jié)論
實際測試：（效果見作品視頻）
（1） 檢測小車對無線控制的響應(yīng)：
經(jīng)實測，小車可做到快速的響應(yīng)控制器信號和障礙信號。燒寫入M3測試程序后，小車可在障礙物之間快速流暢穿梭，無碰撞發(fā)生。
（2） 待機8.3s自啟動檢測：
實測可看到，控制器待機狀態(tài)下每8.3s自啟動一次，經(jīng)多次測試，準(zhǔn)確無誤。
（3） 小車8個方向轉(zhuǎn)向測試：
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左轉(zhuǎn)45 右轉(zhuǎn)45
左
9、轉(zhuǎn)90 右轉(zhuǎn)90
左轉(zhuǎn)135 右轉(zhuǎn)135
實測可見，小車在接受控制器的命令后，可準(zhǔn)確地完成八個方向控制命令。（上下兩幅分別為8.3s自啟動和后轉(zhuǎn)180動態(tài)過程）
（4） 小車前方5個紅外傳感器檢測障礙，并作出相應(yīng)避障運動測試：
表1為程序預(yù)設(shè)的避障指令和實測的避障運動對照表。
表1 避障指令測試表
測試傳感器
預(yù)設(shè)避障指令
實測結(jié)果
右方
小車左轉(zhuǎn)90度
符合
右前方
小車左轉(zhuǎn)135度
符合
左方
小車右轉(zhuǎn)90度
符合
左前方
小車右轉(zhuǎn)135度
符合
前方
小車先后退，然后后轉(zhuǎn)
符合
經(jīng)實測，小車可以做到自動準(zhǔn)確避障，動作靈活快速可靠。
（
10、5） 整體運動測試：
經(jīng)測試，小車接收到“前進”命令后，快速加速啟動并前進控制的距離。當(dāng)前方遇到障礙時，會立刻終止當(dāng)前控制器命令，并后退然后后轉(zhuǎn)180度。
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在運動中，當(dāng)其他方位遇到障礙時，小車也會立刻調(diào)整運行狀態(tài)！然后等待控制器命令。
（6） 遙控距離測試：
測試Zigbee模塊通信距離的方法如下：兩個人間隔500米，一人手持遙控器，另一人站在小車周圍。兩人使用手機報告遙控操作和小車實際動作。結(jié)果表明，小車準(zhǔn)確完成了所有待測動作，證明遙控距離可達500米以上。受無障礙場地條件限制，極限通信距離未作測試。
（7） 控制觸
11、摸板靈敏度測試：
當(dāng)手指觸碰到正確的電容觸摸區(qū)域后，觸摸板相應(yīng)小燈迅速亮起，小車同時立刻做出相應(yīng)的動作反應(yīng)，控制臺靈敏、美觀。
7. 總結(jié)
小車使用了TI公司的兩種主要單片機Stellaris Cortex-M3和MSP430單片機為控制核心，結(jié)合業(yè)界先進的Zigbee無線通信技術(shù)，實現(xiàn)了精確的遠距離遙控控制。
本小車目前主要功能為學(xué)習(xí)Cortex-M3和MSP430單片機構(gòu)架，掌握Zigbee無線通信的基本功能原理。如果能再結(jié)合攝像頭，則小車可實現(xiàn)小型“探測機器人”的實用功能。
最后，非常感謝TI公司和周立功公司對我們學(xué)校創(chuàng)新實驗室硬件上的贊助和技術(shù)上的支持！
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（注：可編輯下載，若有不當(dāng)之處，請指正，謝謝!）
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自動避障小車
