基于MSP430單片機的智能小車尋跡模塊研究

摘要：設計方案以MSP430單片機為系統(tǒng)的控制核心，采用反射式光電傳感器模塊尋跡，實現(xiàn)智能小車的自動尋跡行駛。在實驗中采用與白色相差很大的黑色引導線作為智能小車的既定路線，系統(tǒng)驅(qū)動采用控制方式為PWM的直流電機。詳細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單片機為控制核心的基礎上如何實現(xiàn)智能尋跡小車的自動尋跡行駛。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、服務機器人、倉庫等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：智能小車；MSP430；反射式光電傳感器；PWM

0 引言
    智能小車又稱輪式移動機器人，能夠按預設模式在特定環(huán)境中自動移動，無需人工干預，可用于科學勘測、現(xiàn)代物流等方面。針對路面采用黑色標記線條作為路徑引導線的應用場合，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)簡單的特點而被廣泛應用于結(jié)構(gòu)化環(huán)境和低成本產(chǎn)品中，雖然存在檢測距離近、預測性差的弱點，但通過合理設計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)境場合應用。隨著汽車ECU電子控制的發(fā)展，在汽車上配備遠程信息處理器，傳感器和接收器，通過這些器件的協(xié)調(diào)控制可以實現(xiàn)汽車的無人駕駛。本文提出基于MSP430單片機的控制裝置，通過反射式光電傳感器尋跡，MSP430單片機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，實現(xiàn)智能小車的自動尋跡。

1 系統(tǒng)總體設計方案
    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，單片機通過判斷4個尋跡模塊發(fā)送來的信號進行自動循跡。尋跡模塊在遇到黑線時發(fā)送低電平信號，遇到空白的地方發(fā)送高電平信號，單片機通過判斷高低電平即可作出相應的操作。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)。

    單片機通過判斷當前的運行狀態(tài)，然后對L298驅(qū)動模塊進行相應的操作。當正常時，不進行調(diào)整；當左偏時，通過對L298驅(qū)動模塊進行調(diào)整，使小車的左輪速度大于右輪速度，即可實現(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。當右偏時，處理流程與左偏類似。

2 尋跡模塊的硬件設計
    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：當光耦TCRT5000有光線反射回來，即遇到白色等反光能力強的跑道，放大器LM324AD的輸出端輸出為高電平，反之，輸出為低電平。單片機通過控制LM324AD的輸出端電壓即可做出相應的控制操作。四個相同的此模塊分別與單片機的P41，P42，P43，P44引腳相連。單片機模塊如圖3所示。

3 循跡模塊的軟件設計
    在小車的自動控制模式下，單片機通過判斷4個尋跡模塊發(fā)送回來的不同信號進行相應的操作。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正常，當小車正常時兩側(cè)輪子的速度相同。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。

4 MCU控制與算法實現(xiàn)
    系統(tǒng)控制由微處理器完成，微處理器采用MSP430單片機，當單片機讀入傳感器的信號后即可判斷小車當前的行駛狀態(tài)，具體流程如圖4所示。

5 系統(tǒng)設計
    本文設計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，負責采集軌道信息。U6為L298驅(qū)動模塊，負責控制智能小車兩側(cè)直流電機。

6 結(jié)語
    通過對智能車尋跡模塊的研究，分析MSP430單片機的應用，利用感光傳感器信息來控制智能車的自動轉(zhuǎn)向，實現(xiàn)了智能車的自動尋跡。該尋跡系統(tǒng)的工作流程可概括為：通過四個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行處理，然后將處理后的信息通過PWM信號傳遞給L298驅(qū)動模塊，L298模塊根據(jù)接收到的軌道信號控制智能車兩側(cè)直流電機的運行狀態(tài)，最終達到尋跡的目的。智能車在軍事、工業(yè)和民用領(lǐng)域的實際應用中，涉及到如何構(gòu)造完整的導航系統(tǒng)以及多種傳感器數(shù)據(jù)融合及控制算法等，這需要在實踐中不斷研究探索。