基于MSP430的智能循迹运料小车设计

高振新， 孙建红

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)



基于MSP430的智能循迹运料小车设计

高振新， 孙建红

(南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094)

用MSP430单片机设计了一种智能循迹运料小车，介绍了运料方式和系统总体设计框架。小车装料并检测有料后，通过红外反射式传感器TCRT5000检测路面信息并反馈给单片机，单片机输出PWM信号并通过L298N全桥驱动芯片控制小车电机运转，从而控制小车的路径和速度。当到达终点后，停车等待卸料，检测卸料完成后，返回起点重新装料，从而实现小车循迹运料的目的。小车运行还可通过红外遥控人为控制。试验结果表明，整个系统的电路结构简单，可靠性高，运行灵活方便，实现了预期的智能小车循迹运料功能。

MSP430; 智能循迹运料小车； PWM

0 引 言

智能小车，也称为轮式机器人，最适合在那些人类无法工作的恶劣环境中或劳动强度大的场合工作，因其成本低，电路结构简单，可靠性高，抗干扰小，目前已在许多工业场合得到应用[1-2]。例如无人驾驶机动车、无人生产线、仓库、服务机器人和航空航天等领域。

如今工商业运料小车普遍采用铺设轨道的方式实现运料[3-4]，或采用传送带运输。对于那些不需要实时进行两点间运输的情况，传送带运输明显具有高成本、变化轨迹不便、占用空间等缺点。为了更深入研究运料小车和运输方式，本文基于实验室环境，设计了智能循迹运料小车。图1为小车循迹运行示意图。

本文采用MSP430单片机为控制核心，设计了一种具有自动循迹和变速功能的运料小车，该小车装料后，沿黑色引导线前进，并可通过自动识别不同区域路段实现变速，或是通过红外遥控控制运行情况，最终将料送到终点。通过构建由单片机系统、电源电路、电机驱动电路、循迹电路、检料电路等组成的智能小车系统，实现小车循迹运料的功能。

图1 小车运行示意图

1 系统总体设计方案

1.1 循迹运料小车系统整体结构

循迹运料小车系统采用模块化的设计思想，主要包括供电电池、稳压电源模块、电机驱动模块、路面探测模块、红外遥控模块、检料模块、MSP430单片机最小系统模块等。系统结构框图如图2所示。

图2 系统整体框图

1.2 循迹运料小车原理

小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，由单片机输出PWM信号控制前面两轮转动，后轮是万向轮，起支撑作用。小车行驶采用循迹的方式行驶，循迹的路径使用黑色胶带在白色地板上黏出一条跑道。小车装料后完全按黑色跑道行驶。

循迹运料小车的工作过程为：小车静止在起始位置，并给小车上料。上料完毕，4个光电传感器探测路径信息，并将这些信息反馈给单片机控制系统，控制系统对采集到的信号进行处理和判别，通过控制算法对驱动系统发出控制命令，并产生不同占空比的PWM波控制小车左右电机的转速、转向，驱动小车沿着黑线轨迹前进。到达终点时，路面探测系统探测到终点标志，小车会停车10 s，机械对小车货物进行下料。检料装置检测下料完毕后，小车按原路返回起点。

操作人员也可通过红外远程控制小车的行速。

2 硬件设计

2.1 控制芯片MSP430

主控芯片的主要任务是判断和处理各种传感器传回的信息，向电机驱动发指令，控制小车的行驶。该设计以MSP430F149单片机为控制核心部件，它具有低功耗，高速实时控制以及数据计算能力，并拥有更多的片上资源供设计使用[5]。

2.2 直流电机

用两个直流伺服电机驱动小车前面两个轮子转动，后面一个轮子为万向轮。为了灵活地控制小车的行径，需要对电机进行调速控制。直流电机力学特性[6]的一般形式为：

U=E+IaRa

(1)

E=Keφn，T=KmφIa

转速特性

(2)

力学特性

(3)

式中：U为电枢供电电压，V；Ia为电枢电流，A；Ra为电枢回路内阻，Ω；φ为励磁磁通，Wb；E为感应电势，V；T为电磁转矩(N·m)；Km为电势系数，Km=9.55Ke。

直流电机有3种调速方法[7-8]：

(1)改变串入电枢回路电阻RT。力学特性公式：

(4)

相应的曲线如图3(a)所示。

改变电枢回路电阻调速的特点：力学特性较软，电阻越大则特性越软，稳定度越低；调速指标不高，调速范围不大，而且调速为有级调速；调速电阻消耗大量电能，所以这种方法一般不用。

(2)改变主磁通调速。力学特性见式(3)。相应的曲线如图3(b)所示。

改变主磁通调速的特点：只能在高于额定值的范围内调节，可无级调速，调速平滑，但调速范围过小，且调速不方便。

(3)改变电源端电压U调速。力学特性与式(3)相同，力学特性曲线如图3(c)所示。

这种调速方法可以实现无级调速，力学特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大，并且它是通过减少输入功率来减少输出功率从而降低转速，因此低速运行时不会增加功耗，整个调速范围都比较经济，且调速方便，因此智能小车的电机控制普遍采用调节电机供电电压来调速。

目前应用比较广泛的一种方式是采用PWM控制对电机进行调速。即通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变电机的供电电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。

(a) 改变电框回路电阻RT

图4是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形图。图4(a)中，当开关管输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端电压为Us。t1后，输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为零。t2后，输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。以此来控制电机两端电压导通关断。直流电机电枢绕组两端的电压波形如图4(b)所示。电动机的电枢绕组两端的电压平均值Ua为：

(6)

式中，占空比α=t1/(t1+t2)。转速公式为：

(6)

令

故n=Kα-b。

所以只要改变开关管的占空比就能达到控制电动机的转速的目的。改变两电机的转速差，还可以控制小车行驶方向。

(a) 原理图

2.3 电机驱动电路

电机驱动模块在单片机控制系统中是必不可少的，它和电机共同组成智能小车的运动控制系统。本设计选用L298电机驱动芯片[9-10]。

在该实验中，控制芯片输出PWM脉冲送给驱动器，通过驱动器实现PWM速度调节。

本文采用一个L298驱动一个电机，以增强信号，减少扰动，提供更高的动力，保证电机的运行。L298的逻辑功能图如表1所示。

表1 L298的逻辑功能图

2.4 红外循迹模块

此模块使用反射式红外光电管作为车头传感器。黑线检测原理是红外发射管发射光线到路面，红外光遇到白底则被反射，接收管接收到反射光，经施密特触发器整形后输出低电平；当红外光遇到黑线时则被吸收，接收管没有接收到反射光，经施密特触发器整形后输出高电平[11]。把高低电平信号传递到单片机里，并以此为依据产生PWM信号。

红外模块的数量选择为4个，相对于2个或者3个能更好地反映路面状况，其大致摆放如图5所示。

2.5 电源模块

电源模块采用灵活方便的单电源供电模式，为所有模块供电。

由于MSP430和各集成模块采用的是5 V供电，而电机的工作电源是12 V。因此采用12 V镍镉充电电池给电机供电，采用稳压电源模块将12 V直流电降压到5 V给各模块供电。

图5 循迹模块位置图

2.6 红外遥控模块

本设计使用红外遥控模块实现对小车远程控制。红外遥控模块由控制信号发出装置和一体化红外接收装HS0038B[12]组成。

使用遥控器作为控制信号发出装置，当按下遥控器的指令键后，指令编码电路产生所需的指令编码信号，指令编码信号对载波进行调制，再由驱动电路进行功率放大后由发射电路向外发射经调制定的指令编码信号。一体化红外接收装置接收到遥控器发出的红外控制信号，并进行放大后送解调电路，解调电路将已调制的指令编码信号解调出来，即还原为编码信号。然后将此信号传到单片机中，单片机对这个信号进行解码，并根据解码信息驱动执行电路实现各种指令的操作控制。图6为红外遥控系统框图。

图6 红外遥控系统框图

2.7 检料模块

检料模块采用TCRT5000传感器并将其安装在托料架上，通过判断托料架上是否有物体而输出高低电平给单片机。输出高电平时，表示小车上没料；输出低电平表示小车上有料，单片机据此做出相应控制指令。

3 软件系统设计

软件系统主要是完成一个决策和导向的功能，采用C语言编写，用PWM信号控制直流电机的速度及正反转，用反射式红外光电管判断小车是否有料。当小车装料后，小车进入循迹模式运行，程序不断扫描与红外探测器连接的单片机I/O口，对路径信息进行判断处理。单片机再将相应的信号发给电机驱动模块纠正小车的运行状态，达到自动循迹的功能[13-14]。当操作人员通过红外遥控器发出控制指令时，小车优先执行红外指令。小车到达终点后停车、下料，10 s后检测料是否下完，若下完则按原路返回起点；若没下完，过10 s后继续检测，从而达到小车运料的功能。小车系统自动控制过程整体流程图如图7所示。

图7 系统软件流程图

3.1 PWM波的设置

本文采用MSP430中TIMERA的增计数模式的输出模式7来使P1.2和P1.3产生PWM波，并可以随时改变PWM信号的占空比，从而控制电机转动。具体的做法是：保持TACCR0的值不变(周期不变)，改变TACCR1值(改变占空比)。

3.2 循迹模块的软件设计

本文运料小车的行驶完全按循迹的方式来。A、B、C、D四个模块对应的状态见表2。

表2 小车循迹与转向对应表

3.3 运料平稳性设计

基于实验中小车运料的实际情况，本文对传统的匀速行驶进行改进。即先低速行驶，再高速行驶，再低速行驶，停车卸料后，再高速返回。这种控制方式，既避免了小车运行过程中的过猛地机械冲击，从而防止出现小车所运货物的抛洒和行驶的不稳定性，又实现了小车的安全启动，快速运料，可靠停车[15]。

4 结 语

本设计中循迹运料小车采用模块化设计，各模块间独立性强,以MSP430单片机作为核心控制单元，通过处理外部传感器传回的数据，自动实现以循迹的方式运料并返回。通过对小车的测试，小车能很好地完成所有功能，且运输平稳，方便。循迹运料体现出了一定的优越性，有助于工商业中小型运输系统的研发。

[1] 王 品．智能小车运动控制技术的研究[D]．武汉：武汉理工大学,2009．

[2] 尹 杰，杨宗帅，聂 海.基于红外反射式智能循迹遥控小车系统设计[J]．电子设计工程,2013，23:178-184.

[3] 郝敏钗,乔振民.基于PLC的自动运料小车硇控制[J].煤炭技术,2011(1): 60-61.

[4] 董海兵，姚胜兴.基于组态王软件的小车运动控制系统设计[J].计算技术与自动化,2014(3):18-21.

[5] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位单片机原理与应用[M].北京：北京航空航天大学出版社，2000.

[6] 胡枯德,马东升.伺服系统原理与设计[M].北京:北京理工大学出版社, 1999.

[7] 秦继荣.现代直流伺服控制系统及其系统设计[M].北京:机械工业出版社, 1999.

[8] 尔桂花,窦曰轩.运动控制系统[M].北京:清华大学出版社,2002.

[9] 宋 健．基于L298的直流电动机PWM调速器[J]．潍坊学院学报，2004(4):87-88.

[10] 刘作新.高电压、大电流电机驱动芯片L298[J].电子世界，2000(9):48-49.

[11] 弋英民，刘 丁．有色过程噪声下的轮式机器同步定位与地图构建[J]．电子学报，2010,38(6):1339-1343．

[12] 张玉香.新型遥控接收模块HS0038[J].无线电杂志,1998(7):4-5.

[13] 师树恒，孙 明，师素娟．基于Mc9s12xsl28的智能循迹小车设计[J].自动化与仪表，2012(4):50-60．

[14] 林 康，肖 建，成谢锋．基于特征提取的分离循迹智能车系统[J]．微型机与应用，2013，32(10):84-86．

[15] 刘庆华.智能控制在小车有动运料系统中的应用[J].工业仪表与自动化装置,2008(4):74-75.

Design of Intelligent Tracking Material Car Based on MSP430

GAOZhen-xin,SUNJian-hong

(School of Electronic and Optical Engineering, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

This paper designs a kind of intelligent tracking the material car based on MSP430, and introduces the material handling methods. Microcontroller outputs PWM signal to control the car motor running, so as to control the path of the car by using TCRT5000 test road information and feeding back to the microcontroller. As reaching the finish line, the car waits for unloading. After completion of discharge, it returns to the starting point to charge, so as to realize the purpose of the car tracking and delivery. We can also make the car run by infrared remote control. Test results show that the circuit of the whole system has simple structure, high reliability and the car runs agilely and conveniently. Finally, we realize the expected functions of the smart car tracking and shiping the material.

MSP430； intelligent tracking material car； PWM

2015-12-17

江苏省产学研联合创新基金(BY2014004)

高振新(1991-)，男，江苏南通人，硕士生，研究方向：电路与系统。Tel.：13770328271; E-mail:gaozhengxin51744@126.com

孙建红(1966-)，女，江苏苏州人，副教授，研究方向：电路与系统。Tel.：025-84303086;E-mail: sunjh@njust.edu.cn

TP 273+.5

A

1006-7167(2016)08-0071-04