基于MSP430單片機(jī)的智能小車尋跡模塊研究

摘 要： 設(shè)計(jì)方案以MSP430單片機(jī)為系統(tǒng)的控制核心，采用反射式光電傳感器模塊尋跡，實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)尋跡行駛。在實(shí)驗(yàn)中采用與白色相差很大的黑色引導(dǎo)線作為智能小車的既定路線，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用控制方式為PWM的直流電機(jī)。詳細(xì)介紹了反射式光電傳感器尋跡模塊的工作原理，尋跡模塊的電路圖以及在以MSP430單片機(jī)為控制核心的基礎(chǔ)上如何實(shí)現(xiàn)智能尋跡小車的自動(dòng)尋跡行駛。并簡要介紹了系統(tǒng)的電路圖。該技術(shù)可用于無人生產(chǎn)線、服務(wù)機(jī)器人、倉庫等領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞： 智能小車； MSP430； 反射式光電傳感器； PWM

中圖分類號： TN911.7?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）13?0105?03

Research on MSP430?based tracing module for smart cars

ZHENG Hui

（College of Electronic Engineering， Heilongjiang University， Harbin 150080， China）

Abstract： Smart car automatically tracing traveling is realized by taking MSP430 microcontroller as the control core of the system， and using the reflective photoelectric sensor module for tracing. In the experiment， black guide line far different from white one is taken as the established way for the smart car， DC motor with PWM control is used for system driver. The detail of the work principle of the reflective photoelectric sensor tracing module， the circuit diagram of the tracing module and how to realize the tracing of the car automatically on the basis of taking MSP430 as the control core are given. The circuit diagram of the system is briefly introduced. The technology could be applied in unmanned production line， service robots and warehouse.

Keywords： smart car； MSP430； reflective photoelectric sensor； PWM

0 引 言

智能小車又稱輪式移動(dòng)機(jī)器人，能夠按預(yù)設(shè)模式在特定環(huán)境中自動(dòng)移動(dòng)，無需人工干預(yù)，可用于科學(xué)勘測、現(xiàn)代物流等方面。針對路面采用黑色標(biāo)記線條作為路徑引導(dǎo)線的應(yīng)用場合，反射式光電傳感器是常用的路徑識別傳感器。反射式光電傳感器因信號處理方式和物理結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境和低成本產(chǎn)品中，雖然存在檢測距離近、預(yù)測性差的弱點(diǎn)，但通過合理設(shè)計(jì)和選擇反射式光電傳感器并結(jié)合合適的信息處理軟件能夠滿足上述簡單環(huán)境場合應(yīng)用[1]。隨著汽車ECU電子控制的發(fā)展，在汽車上配備遠(yuǎn)程信息處理器，傳感器和接收器，通過這些器件的協(xié)調(diào)控制可以實(shí)現(xiàn)汽車的無人駕駛[2]。本文提出基于MSP430單片機(jī)的控制裝置，通過反射式光電傳感器尋跡，MSP430單片機(jī)處理反射式光電傳感器檢測到的信號，從而控制智能車的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)尋跡。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

在小車車體的前端貼近地面的地方安裝有4組尋跡模塊，如圖1所示，單片機(jī)通過判斷4個(gè)尋跡模塊發(fā)送來的信號進(jìn)行自動(dòng)循跡[3]。尋跡模塊在遇到黑線時(shí)發(fā)送低電平信號，遇到空白的地方發(fā)送高電平信號，單片機(jī)通過判斷高低電平即可作出相應(yīng)的操作。通過4組尋跡模塊發(fā)送的信號組合，可將小車行駛狀態(tài)分成如表1所示7種狀態(tài)。

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圖1 循跡模塊示意圖

單片機(jī)通過判斷當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，然后對L298驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行相應(yīng)的操作。當(dāng)正常時(shí)，不進(jìn)行調(diào)整；當(dāng)左偏時(shí)，通過對L298驅(qū)動(dòng)模塊進(jìn)行調(diào)整，使小車的左輪速度大于右輪速度，即可實(shí)現(xiàn)小車向右調(diào)整。由于左偏有三種情形，但每種情形只是使能端的PWM參數(shù)不同。當(dāng)右偏時(shí)，處理流程與左偏類似[4]。

2 尋跡模塊的硬件設(shè)計(jì)

繪制完成的反射式光電傳感器電路圖如圖2所示。該電路的工作原理為：當(dāng)光耦TCRT5000有光線反射回來，即遇到白色等反光能力強(qiáng)的跑道，放大器LM324AD的輸出端輸出為高電平，反之，輸出為低電平。單片機(jī)通過控制LM324AD的輸出端電壓即可做出相應(yīng)的控制操作。四個(gè)相同的此模塊分別與單片機(jī)的P41，P42，P43，P44引腳相連[5]。單片機(jī)模塊如圖3所示。

表1 小車行駛狀態(tài)

[尋跡模塊＼A＼B＼C＼ D＼小車運(yùn)行狀態(tài)＼狀態(tài)1＼低＼高＼高＼高＼右大偏＼狀態(tài)2＼低＼低＼高＼高＼右中偏＼狀態(tài)3＼高＼低＼高＼高＼右小偏＼狀態(tài)4＼高＼高＼高＼高＼正常＼狀態(tài)5＼高＼高＼低＼高＼左小偏＼狀態(tài)6＼高＼高＼低＼低＼左中偏＼狀態(tài)7＼高＼高＼高＼低＼左大偏＼]

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圖2 尋跡模塊電路

3 循跡模塊的軟件設(shè)計(jì)

在小車的自動(dòng)控制模式下，單片機(jī)通過判斷4個(gè)尋跡模塊發(fā)送回來的不同信號進(jìn)行相應(yīng)的操作。整體的思路為：小車左偏則左輪的速度要大于右輪的速度小車才能恢復(fù)正常，小車右偏則右輪的速度要大于左輪的速度小車才能恢復(fù)正常，當(dāng)小車正常時(shí)兩側(cè)輪子的速度相同[6]。由上面的分析可知速度的快慢可通過對L298使能端PWM值的控制進(jìn)行調(diào)節(jié)。通過多次調(diào)試可得出如表2所示的PWM數(shù)值。

表2 PWM數(shù)值

[狀態(tài)＼左輪PWM值＼右輪PWM值＼1 右大偏＼88＼60＼2 右中偏＼84＼55＼3 右小偏＼80＼50＼4 正 常＼60＼65＼5 左小偏＼55＼80＼6 左中偏＼50＼84＼7 左大偏＼60＼88＼]

4 MCU控制與算法實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)控制由微處理器完成，微處理器采用MSP430單片機(jī)，當(dāng)單片機(jī)讀入傳感器的信號后即可判斷小車當(dāng)前的行駛狀態(tài)[7]，具體流程如圖4所示。

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圖4 程序流程圖

5 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的智能小車尋跡系統(tǒng)的電路如圖5所示。其中U1、U5、U7、U8分別為反射式光電傳感器A、B、C、D，布局如圖5所示，負(fù)責(zé)采集軌道信息。U6為L298驅(qū)動(dòng)模塊，負(fù)責(zé)控制智能小車兩側(cè)直流電機(jī)[8?9]。

6 結(jié) 語

通過對智能車尋跡模塊的研究，分析MSP430單片機(jī)的應(yīng)用，利用感光傳感器信息來控制智能車的自動(dòng)轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)了智能車的自動(dòng)尋跡。該尋跡系統(tǒng)的工作流程可概括為：通過四個(gè)外置的反射式紅外線傳感器收集軌道信息，在通過微處理器對采集到的信息進(jìn)行處理，然后將處理后的信息通過PWM信號傳遞給L298驅(qū)動(dòng)模塊，L298模塊根據(jù)接收到的軌道信號控制智能車兩側(cè)直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，最終達(dá)到尋跡的目的。智能車在軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用中，涉及到如何構(gòu)造完整的導(dǎo)航系統(tǒng)以及多種傳感器數(shù)據(jù)融合及控制算法等，這需要在實(shí)踐中不斷研究探索。

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