随着科技的不断进步，智能电子产品发展步伐不断加快，各种应用层次的机器人等大量出现。目前应用在智能小车或机器人上的微控制器主要是 8/16 位单片机或 ARM 和数字信号处理器 DSP 等。本设计采用 TI 公司生产的功耗低、运行速度快且价格便宜的 MSP430F2274 为核心，避障检测采用测距精准的超声波传感器，该传感器采集小车周围的环境信息并传递给 MSP430 进行程序判断处理，从而达到控制小车自动避障的目的。

一、主控芯片

该设计以 MSP430F2274 单片机为控制的核心部件。MSP430 是一款 16 位的超低功耗单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式、片内资源丰富、处理能力强大、系统工作稳定等特点，主要是它具有多路 PWM 输出，可作为该设计电机控制的有利资源。系统主控设计如图 1 所示。

图 1　系统主控设计

二、超声波模块

避障是智能小车运动过程中最基本的功能，而避障首要是确定机器人自身与障碍物的距离并且定位。小车的避障探测模块采用 SRF08 超声波收发模块，其波频率为 40 kHz，检测距离范围为 3 cm～6 m；SDA 和 SCL 分别为控制端和接收端。设计共采用 4 个超声波收发模块，分别安装在小车的正前方、右前方、左前方和后方，4 个模块分别接在 MSP430 单片机的 I/O P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4、P1.5、P1.6、P1.7 端口上。采用 I/O 触发测距：单片机给 SDA 提供 25 μs 高电平信号，模块自动发送 8 个 40 kHz 方波，并且检测是否有返回信号；若有返回信号，SCL 管脚输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，从而计算出超声波从发射到接收所用的时间 t。常温下声波在空气中的传播速度 v = 331.5 + 0.6T（其中 T 为摄氏温度），此时可得到避障的距离为 s = vt/2。

三、测温和电源模块

为了使计算的距离更精确而不受温度影响，该设计中加入了 DS18B20 温度传感器接在 I/O P4.6 上，实时检测机器人周围环境的温度 T（T 的值要精确到小数点后 3 位），以修正声速的传播公式，从而提高测距的精确度。由于 MSP430 工作电压最大是 3.3 V、电机驱动采用 12 V 电压、测速模块和超声波模块采用 5 V 电压，所以采用 LM7812、LM7805 和 LM1117 组成稳压电路。

图 2　电机驱动模块

四、电机驱动模块

电机驱动模块是智能车的重要组成部分，它和电机共同组成智能小车的运动控制系统。该设计的驱动轮由 2 个交流永磁同步电机 M1 和 M2 驱动，因此采用的电机驱动器是高电压、大电流、高功率的 L298N 双 H 桥集成电路：L298N 可以驱动两个电机，通过控制输入端 IN1～IN4 信号来控制 H 桥的通断，使得电机形成正反转或停止；通过控制 L298N 的使能端 EnA、EnB，采用技术成熟的 PWM 调速原理来控制电机的转速，从而达到控制小车运行快慢和转向的目的。为了防止在启停电机的瞬间所形成的反馈电流损坏 L298N，在 L298N 输出端与电机之间加入 8 个二极管形成续流以达到保护的作用；再则，为了防止 L298N 输出负载端电机对输入端信号传输产生影响以及对 MSP430 芯片产生不利的干扰，在 L298N 的信号输入端通过连接 TLP521 光电耦合器件，达到对 L298N 信号输入前端的信号电路与负载的完全隔离，从而增加了电路的安全性、减少了电路信号干扰。本设计中的驱动电机采用的是方波驱动的交流永磁同步电机，该电机的转速与驱动信号的频率成正比，结构简单，调速性能优良，运行可靠且便于维护。

图 3　系统电路实物

综上，本文介绍了一种基于 MSP430F2274 单片机为核心的智能小车：小车采用超声波测距技术实现自动避障，同时通过语音模块来播报小车与障碍物的距离；为了使测距不受温度影响，用温度传感器实时检测小车周围环境的温度并修正距离计算公式的参数；采用光电编码器来检测小车的速度，运用 PID 控制算法和 PWM 来控制小车精确稳定地运行，从而达到预期的设计目标。