摘要：本文首先介紹了移動機器人的控制系統(tǒng)和主控芯片，并具體介紹了遙控器模塊、速度控制模塊、傳感器模塊、液晶顯示模塊和電源模塊的硬件設(shè)計。遙控模塊包括發(fā)射端和接受端的設(shè)計；速度控制模塊由鎖相環(huán)CD4046和電機驅(qū)動芯片KA3082組成。

關(guān)鍵詞：控制系統(tǒng)；模塊；功耗

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1674-7712 (2012) 06-0096-01

控制系統(tǒng)是移動機器人的核心部分，它的優(yōu)劣決定了系統(tǒng)控制性能的優(yōu)劣。移動機器人采用MSP430F149單片機作為主控芯片，主要包括紅外遙控模塊、傳感器模塊、電機速度控制模塊、液晶顯示模塊、電源模塊和JTAG接口共六大模塊。其中傳感器模塊包括黑線檢測、障礙物檢測和金屬探測。

遙控器端的發(fā)射模塊PT2262通過異步串行方式發(fā)射信號，移動機器人上的接收模塊PT2272接收信號，并送往單片機MSP430F149進行處理。程序通過查詢方式判斷相應(yīng)端口的高低電平信號，以調(diào)用相應(yīng)模塊的程序，并通過鎖相環(huán)CD4046和電機驅(qū)動芯片KA3082驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)設(shè)定的運動。光電碼盤以脈沖形式把移動機器人的實際運行速度反饋到鎖相環(huán)比較信號的輸入端和定時器A的捕獲寄存器，以達到對速度的精確控制?？傠娫赐ㄟ^低壓差線性穩(wěn)壓器MAX603和低漏電調(diào)整器TPS77133進行電平轉(zhuǎn)換，以給不同模塊提供電壓。

目前，移動機器人普遍采用TI公司的DSP作為主控芯片，但其芯片本身及其仿真器價格偏高，不適合小規(guī)模開發(fā)。本文選用同是TI公司推出的另一種單片機MSP430F149作為控制核心。采用了JTAG技術(shù)、FLASH在線編程技術(shù)，省去了仿真器，使用自制的仿真接口即可實現(xiàn)在線仿真調(diào)試，具有很高的性價比。

紅外遙控模塊主要由PT2262發(fā)射模塊和PT2272接收模塊組成。PT2262和PT2272是一對帶地址數(shù)據(jù)編碼功能的紅外遙控發(fā)射和接收集成芯片。編碼器PT2262使不同的按鍵及按鍵方式唯一的對應(yīng)一個碼字（一個完整的碼字由地址碼、數(shù)據(jù)碼和同步碼組成）。當按下某個按鍵，PT2262對其進行編碼并將碼字由17腳傳送到發(fā)射模塊中，再由發(fā)射模塊發(fā)射出去；接受模塊接受到碼字后，通過PT2272的14腳輸入，PT2272把自己的地址碼與碼字的地址碼（即PT2262的地址碼）經(jīng)過兩次比較核對后，VT腳才輸出高電平，與此同時相應(yīng)的數(shù)據(jù)腳也輸出高電平。

其中，按下D鍵后，通過按A鍵可以增加設(shè)定速度，按B鍵可以減小設(shè)定速度，速度設(shè)定完成后，按C鍵確認返回。設(shè)置移動機器人停止功能鍵的目的：當周圍環(huán)境發(fā)生大的變化或移動機器人避障功能失敗時，避免移動機器人與障礙物發(fā)生碰撞，對機械本體造成損壞。

遙控器的發(fā)射模塊主要由4個按鍵、編碼芯片PT2262和發(fā)射電路組成。其中TE端為編碼啟動端，低電平有效，使其接地（即編碼一直有效）。Dout為編碼輸出端，輸出數(shù)據(jù)信號到紅外發(fā)射管。

解碼芯片PT2272根據(jù)其后綴不同，輸出有“暫存”和“鎖存”兩種狀態(tài)。在此，選取“暫存”狀態(tài)。對于PT2272紅外接收芯片，為了調(diào)制紅外載波信號，PT2272之前由一紅外接收頭對信號進行處理，然后經(jīng)放大器放大后輸入PT2272芯片，其輸出端與單片機端口相連，單片機中程序通過查詢的方式去檢測這幾個端口的高低電平情況，并根據(jù)電平信號去執(zhí)行相應(yīng)的功能。

PT2272的編碼地址必須和PT2262的編碼地址保持一致。從原理圖知PT2262和PT2272的編碼地址相同，其A0和A1均接地，其它六個腳懸空。

本文由16位定時器TIMER_B來產(chǎn)生PWM，并經(jīng)CD4046鎖相環(huán)芯片和KA3082驅(qū)動芯片來控制電機速度。

TIMER_B支持同時進行的多種時序控制、多個捕獲/比較功能、多種波形輸出，也可以是上述功能的組合。并具有中斷功能，其中斷可由計數(shù)器溢出引起，也可來自具有捕獲或比較功能的捕獲/比較寄存器。有4種定時器模式（停止模式、增計數(shù)模式、連續(xù)模式和增減計數(shù)模式）。7個相同的捕獲/比較寄存器CCRX，為實時處理提供了靈活的控制手段。輸出單元用于發(fā)出輸出信號，每個輸出單元有8種工作模式（輸出模式、置位模式、PWM翻轉(zhuǎn)/復(fù)位模式、PWM置位/復(fù)位模式、翻轉(zhuǎn)模式、復(fù)位模式、PWM翻轉(zhuǎn)/置位模式和PWM復(fù)位/置位模式）。

本文使用TIMER_B的增減計數(shù)模式，輸出模式為PWM翻轉(zhuǎn)/置位。PWM波形的周期是CCR0寄存器數(shù)值的2倍，其占空比大小的改變可通過調(diào)節(jié)CCR1或CCR2寄存器的數(shù)值來實現(xiàn)，最終可實現(xiàn)對電機速度的調(diào)節(jié)。

電機驅(qū)動芯片選用KA3082，可以方便的完成對電機的控制。通過調(diào)節(jié)VCTL的外部電壓就可完成對速度的控制，設(shè)置VIN1和VIN2就可以控制電機正反轉(zhuǎn)和制動。

鎖相環(huán)選用CD4046，它是通用的CMOS鎖相環(huán)集成電路，其特點是電源電壓范圍寬（為3V~18V），輸入阻抗高，動態(tài)功耗小，在中心頻率為10KHz下功耗僅為600μw，屬微功耗器件。

選用CD4046鎖相環(huán)芯片的主要目的是為了提高速度控制的精度。CD4046鎖相環(huán)的信號輸入端輸入的是TIMER_B產(chǎn)生的PWM波，比較信號的輸入端輸入的是光電碼盤的反饋信號，其中光電碼盤以脈沖形式反饋的是移動機器人的實際速度，通過CD4046可求出兩個波形的相位差，將其接到KA3082的電機速度控制端，最終可使移動機器人的實際速度和PWM波輸出的速度相同，實現(xiàn)對速度的精確控制。

鎖相環(huán)芯片CD4046輸出端PH CMPR2接KA3082的電壓控制端VCTL。由VIN1和VIN2來控制電機的正反轉(zhuǎn)和制動。這兩端與單片機引腳相連，即正反控制由單片機來完成。同時光電碼盤測出左右輪轉(zhuǎn)速以脈沖形式反饋到MSP430F149的TIMER_A的捕獲模塊，通過模糊控制算法，以使實際速度快速的達到設(shè)定速度。

[基金項目]項目來源：黑龍江省教育廳高職高專院?？蒲许椖浚豁椖棵Q：基于MSP的移動機器人控制系統(tǒng)的研究；項目編號：12515156