基于MSP430的智能循跡運料小車設計

高振新， 孫建紅

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

?

基于MSP430的智能循跡運料小車設計

高振新， 孫建紅

(南京理工大學 電子工程與光電技術學院，江蘇 南京 210094)

用MSP430單片機設計了一種智能循跡運料小車，介紹了運料方式和系統總體設計框架。小車裝料并檢測有料后，通過紅外反射式傳感器TCRT5000檢測路面信息并反饋給單片機，單片機輸出PWM信號并通過L298N全橋驅動芯片控制小車電機運轉，從而控制小車的路徑和速度。當到達終點后，停車等待卸料，檢測卸料完成后，返回起點重新裝料，從而實現小車循跡運料的目的。小車運行還可通過紅外遙控人為控制。試驗結果表明，整個系統的電路結構簡單，可靠性高，運行靈活方便，實現了預期的智能小車循跡運料功能。

MSP430; 智能循跡運料小車； PWM

0 引 言

智能小車，也稱為輪式機器人，最適合在那些人類無法工作的惡劣環境中或勞動強度大的場合工作，因其成本低，電路結構簡單，可靠性高，抗干擾小，目前已在許多工業場合得到應用[1-2]。例如無人駕駛機動車、無人生產線、倉庫、服務機器人和航空航天等領域。

如今工商業運料小車普遍采用鋪設軌道的方式實現運料[3-4]，或采用傳送帶運輸。對于那些不需要實時進行兩點間運輸的情況，傳送帶運輸明顯具有高成本、變化軌跡不便、占用空間等缺點。為了更深入研究運料小車和運輸方式，本文基于實驗室環境，設計了智能循跡運料小車。圖1為小車循跡運行示意圖。

本文采用MSP430單片機為控制核心，設計了一種具有自動循跡和變速功能的運料小車，該小車裝料后，沿黑色引導線前進，并可通過自動識別不同區域路段實現變速，或是通過紅外遙控控制運行情況，最終將料送到終點。通過構建由單片機系統、電源電路、電機驅動電路、循跡電路、檢料電路等組成的智能小車系統，實現小車循跡運料的功能。

圖1 小車運行示意圖

1 系統總體設計方案

1.1 循跡運料小車系統整體結構

循跡運料小車系統采用模塊化的設計思想，主要包括供電電池、穩壓電源模塊、電機驅動模塊、路面探測模塊、紅外遙控模塊、檢料模塊、MSP430單片機最小系統模塊等。系統結構框圖如圖2所示。

圖2 系統整體框圖

1.2 循跡運料小車原理

小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個電機驅動，由單片機輸出PWM信號控制前面兩輪轉動，后輪是萬向輪，起支撐作用。小車行駛采用循跡的方式行駛，循跡的路徑使用黑色膠帶在白色地板上黏出一條跑道。小車裝料后完全按黑色跑道行駛。

循跡運料小車的工作過程為：小車靜止在起始位置，并給小車上料。上料完畢，4個光電傳感器探測路徑信息，并將這些信息反饋給單片機控制系統，控制系統對采集到的信號進行處理和判別，通過控制算法對驅動系統發出控制命令，并產生不同占空比的PWM波控制小車左右電機的轉速、轉向，驅動小車沿著黑線軌跡前進。到達終點時，路面探測系統探測到終點標志，小車會停車10 s，機械對小車貨物進行下料。檢料裝置檢測下料完畢后，小車按原路返回起點。

操作人員也可通過紅外遠程控制小車的行速。

2 硬件設計

2.1 控制芯片MSP430

主控芯片的主要任務是判斷和處理各種傳感器傳回的信息，向電機驅動發指令，控制小車的行駛。該設計以MSP430F149單片機為控制核心部件，它具有低功耗，高速實時控制以及數據計算能力，并擁有更多的片上資源供設計使用[5]。

2.2 直流電機

用兩個直流伺服電機驅動小車前面兩個輪子轉動，后面一個輪子為萬向輪。為了靈活地控制小車的行徑，需要對電機進行調速控制。直流電機力學特性[6]的一般形式為：

U=E+IaRa

(1)

E=Keφn，T=KmφIa

轉速特性

(2)

力學特性

(3)

式中：U為電樞供電電壓，V；Ia為電樞電流，A；Ra為電樞回路內阻，Ω；φ為勵磁磁通，Wb；E為感應電勢，V；T為電磁轉矩(N·m)；Km為電勢系數，Km=9.55Ke。

直流電機有3種調速方法[7-8]：

(1)改變串入電樞回路電阻RT。力學特性公式：

(4)

相應的曲線如圖3(a)所示。

改變電樞回路電阻調速的特點：力學特性較軟，電阻越大則特性越軟，穩定度越低；調速指標不高，調速范圍不大，而且調速為有級調速；調速電阻消耗大量電能，所以這種方法一般不用。

(2)改變主磁通調速。力學特性見式(3)。相應的曲線如圖3(b)所示。

改變主磁通調速的特點：只能在高于額定值的范圍內調節，可無級調速，調速平滑，但調速范圍過小，且調速不方便。

(3)改變電源端電壓U調速。力學特性與式(3)相同，力學特性曲線如圖3(c)所示。

這種調速方法可以實現無級調速，力學特性硬度不變，調速的穩定度較高，調速范圍較大，并且它是通過減少輸入功率來減少輸出功率從而降低轉速，因此低速運行時不會增加功耗，整個調速范圍都比較經濟，且調速方便，因此智能小車的電機控制普遍采用調節電機供電電壓來調速。

目前應用比較廣泛的一種方式是采用PWM控制對電機進行調速。即通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變電機的供電電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。

(a) 改變電框回路電阻RT

圖4是利用開關管對直流電動機進行PWM調速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。圖4(a)中，當開關管輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端電壓為Us。t1后，輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為零。t2后，輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。以此來控制電機兩端電壓導通關斷。直流電機電樞繞組兩端的電壓波形如圖4(b)所示。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值Ua為：

(6)

式中，占空比α=t1/(t1+t2)。轉速公式為：

(6)

令

故n=Kα-b。

所以只要改變開關管的占空比就能達到控制電動機的轉速的目的。改變兩電機的轉速差，還可以控制小車行駛方向。

(a) 原理圖

2.3 電機驅動電路

電機驅動模塊在單片機控制系統中是必不可少的，它和電機共同組成智能小車的運動控制系統。本設計選用L298電機驅動芯片[9-10]。

在該實驗中，控制芯片輸出PWM脈沖送給驅動器，通過驅動器實現PWM速度調節。

本文采用一個L298驅動一個電機，以增強信號，減少擾動，提供更高的動力，保證電機的運行。L298的邏輯功能圖如表1所示。

表1 L298的邏輯功能圖

2.4 紅外循跡模塊

此模塊使用反射式紅外光電管作為車頭傳感器。黑線檢測原理是紅外發射管發射光線到路面，紅外光遇到白底則被反射，接收管接收到反射光，經施密特觸發器整形后輸出低電平；當紅外光遇到黑線時則被吸收，接收管沒有接收到反射光，經施密特觸發器整形后輸出高電平[11]。把高低電平信號傳遞到單片機里，并以此為依據產生PWM信號。

紅外模塊的數量選擇為4個，相對于2個或者3個能更好地反映路面狀況，其大致擺放如圖5所示。

2.5 電源模塊

電源模塊采用靈活方便的單電源供電模式，為所有模塊供電。

由于MSP430和各集成模塊采用的是5 V供電，而電機的工作電源是12 V。因此采用12 V鎳鎘充電電池給電機供電，采用穩壓電源模塊將12 V直流電降壓到5 V給各模塊供電。

圖5 循跡模塊位置圖

2.6 紅外遙控模塊

本設計使用紅外遙控模塊實現對小車遠程控制。紅外遙控模塊由控制信號發出裝置和一體化紅外接收裝HS0038B[12]組成。

使用遙控器作為控制信號發出裝置，當按下遙控器的指令鍵后，指令編碼電路產生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進行調制，再由驅動電路進行功率放大后由發射電路向外發射經調制定的指令編碼信號。一體化紅外接收裝置接收到遙控器發出的紅外控制信號，并進行放大后送解調電路，解調電路將已調制的指令編碼信號解調出來，即還原為編碼信號。然后將此信號傳到單片機中，單片機對這個信號進行解碼，并根據解碼信息驅動執行電路實現各種指令的操作控制。圖6為紅外遙控系統框圖。

圖6 紅外遙控系統框圖

2.7 檢料模塊

檢料模塊采用TCRT5000傳感器并將其安裝在托料架上，通過判斷托料架上是否有物體而輸出高低電平給單片機。輸出高電平時，表示小車上沒料；輸出低電平表示小車上有料，單片機據此做出相應控制指令。

3 軟件系統設計

軟件系統主要是完成一個決策和導向的功能，采用C語言編寫，用PWM信號控制直流電機的速度及正反轉，用反射式紅外光電管判斷小車是否有料。當小車裝料后，小車進入循跡模式運行，程序不斷掃描與紅外探測器連接的單片機I/O口，對路徑信息進行判斷處理。單片機再將相應的信號發給電機驅動模塊糾正小車的運行狀態，達到自動循跡的功能[13-14]。當操作人員通過紅外遙控器發出控制指令時，小車優先執行紅外指令。小車到達終點后停車、下料，10 s后檢測料是否下完，若下完則按原路返回起點；若沒下完，過10 s后繼續檢測，從而達到小車運料的功能。小車系統自動控制過程整體流程圖如圖7所示。

圖7 系統軟件流程圖

3.1 PWM波的設置

本文采用MSP430中TIMERA的增計數模式的輸出模式7來使P1.2和P1.3產生PWM波，并可以隨時改變PWM信號的占空比，從而控制電機轉動。具體的做法是：保持TACCR0的值不變(周期不變)，改變TACCR1值(改變占空比)。

3.2 循跡模塊的軟件設計

本文運料小車的行駛完全按循跡的方式來。A、B、C、D四個模塊對應的狀態見表2。

表2 小車循跡與轉向對應表

3.3 運料平穩性設計

基于實驗中小車運料的實際情況，本文對傳統的勻速行駛進行改進。即先低速行駛，再高速行駛，再低速行駛，停車卸料后，再高速返回。這種控制方式，既避免了小車運行過程中的過猛地機械沖擊，從而防止出現小車所運貨物的拋灑和行駛的不穩定性，又實現了小車的安全啟動，快速運料，可靠停車[15]。

4 結 語

本設計中循跡運料小車采用模塊化設計，各模塊間獨立性強,以MSP430單片機作為核心控制單元，通過處理外部傳感器傳回的數據，自動實現以循跡的方式運料并返回。通過對小車的測試，小車能很好地完成所有功能，且運輸平穩，方便。循跡運料體現出了一定的優越性，有助于工商業中小型運輸系統的研發。

[1] 王 品．智能小車運動控制技術的研究[D]．武漢：武漢理工大學,2009．

[2] 尹 杰，楊宗帥，聶 海.基于紅外反射式智能循跡遙控小車系統設計[J]．電子設計工程,2013，23:178-184.

[3] 郝敏釵,喬振民.基于PLC的自動運料小車硇控制[J].煤炭技術,2011(1): 60-61.

[4] 董海兵，姚勝興.基于組態王軟件的小車運動控制系統設計[J].計算技術與自動化,2014(3):18-21.

[5] 胡大可.MSP430系列超低功耗16位單片機原理與應用[M].北京：北京航空航天大學出版社，2000.

[6] 胡枯德,馬東升.伺服系統原理與設計[M].北京:北京理工大學出版社, 1999.

[7] 秦繼榮.現代直流伺服控制系統及其系統設計[M].北京:機械工業出版社, 1999.

[8] 爾桂花,竇曰軒.運動控制系統[M].北京:清華大學出版社,2002.

[9] 宋 ?。贚298的直流電動機PWM調速器[J]．濰坊學院學報，2004(4):87-88.

[10] 劉作新.高電壓、大電流電機驅動芯片L298[J].電子世界，2000(9):48-49.

[11] 弋英民，劉 ?。猩^程噪聲下的輪式機器同步定位與地圖構建[J]．電子學報，2010,38(6):1339-1343．

[12] 張玉香.新型遙控接收模塊HS0038[J].無線電雜志,1998(7):4-5.

[13] 師樹恒，孫 明，師素娟．基于Mc9s12xsl28的智能循跡小車設計[J].自動化與儀表，2012(4):50-60．

[14] 林 康，肖 建，成謝鋒．基于特征提取的分離循跡智能車系統[J]．微型機與應用，2013，32(10):84-86．

[15] 劉慶華.智能控制在小車有動運料系統中的應用[J].工業儀表與自動化裝置,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

江蘇省產學研聯合創新基金(BY2014004)

高振新(1991-)，男，江蘇南通人，碩士生，研究方向：電路與系統。Tel.：13770328271; E-mail:gaozhengxin51744@126.com

孫建紅(1966-)，女，江蘇蘇州人，副教授，研究方向：電路與系統。Tel.：025-84303086;E-mail: sunjh@njust.edu.cn

TP 273+.5

A

1006-7167(2016)08-0071-04