李坤峰，傅成華

（四川理工學(xué)院 四川 自貢 643000）

基于MSP430智能小車的設(shè)計(jì)

李坤峰，傅成華

（四川理工學(xué)院 四川 自貢 643000）

介紹一種基于MSP430F2274單片機(jī)為核心的智能小車。小車采用超聲波測距技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，同時(shí)通過語音模塊來播報(bào)出小車與障礙物的距離。為了使測距不受溫度影響，用溫度傳感器實(shí)時(shí)檢測小車周圍環(huán)境的溫度并修正距離計(jì)算公式的參數(shù)，采用光電編碼器來檢測小車的速度，運(yùn)用PID控制算法和PWM來控制小車的精確穩(wěn)定的運(yùn)行，從而達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

MSP430F2274；超聲波模塊；光電編碼器；PID控制算法

智能小車涉及到高級計(jì)算機(jī)控制、電子機(jī)械、自動(dòng)化等諸多學(xué)科，隨著科技的不斷進(jìn)步，智能電子產(chǎn)品發(fā)展步驟不斷加快，各種應(yīng)用層次的機(jī)器人等大量出現(xiàn)，目前應(yīng)用在智能小車或機(jī)器人的微控制器主要是8/16單片機(jī)或ARM和數(shù)字信號處理器DSP[1-2]等。本設(shè)計(jì)采用TI公司生產(chǎn)的功耗低運(yùn)行速度快且價(jià)格便宜的MSP430F2274為核心，避障檢測采用測距精準(zhǔn)的超聲波傳感器，該傳感器采集小車周圍的環(huán)境信息并傳遞給MSP430進(jìn)行程序判斷處理，從而達(dá)到控制小車自動(dòng)避障的目的。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖

該系統(tǒng)主要由MSP430控制器，超聲波避障模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，測速，語音模塊，溫度模塊，小車的機(jī)械運(yùn)動(dòng)部分采用四輪差速轉(zhuǎn)向式結(jié)構(gòu)，前2個(gè)輪是驅(qū)動(dòng)輪，分別由電機(jī)控制其運(yùn)動(dòng)，后兩輪為隨動(dòng)輪。采用MSP430F2274單片機(jī)作為主控制單元，小車裝有超聲波模塊來負(fù)責(zé)探測障礙物，做出避障決策。在小車的驅(qū)動(dòng)輪上裝有光電編碼器對小車進(jìn)行測速。為消除溫度對測距的影響，使用溫度傳感器模塊時(shí)刻檢測小車周圍的溫度情況并修正。在小車上裝配語音播報(bào)功能模塊，能知道小車的位置和運(yùn)行狀態(tài)，總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 System block diagram of the overall structure

2 智能小車的硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

該設(shè)計(jì)是以MSP430F2274單片機(jī)[3]為控制的核心部件。MSP430是一款16位的超低功耗單片機(jī)，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式，片內(nèi)資源豐富，處理能力強(qiáng)大、系統(tǒng)工作穩(wěn)定，主要是它具有多路PWM輸出，以作為該設(shè)計(jì)電機(jī)控制的有利資源，系統(tǒng)主控設(shè)計(jì)圖如圖2所示。

2.2 超聲波模塊

圖2 系統(tǒng)主控設(shè)計(jì)圖Fig.2 The design of the main control system

2.3 測溫和電源模塊

為了使計(jì)算的距離更精確而不受溫度影響，該設(shè)計(jì)中加入了DS18B20溫度傳感器接在I/OP4.6上，實(shí)時(shí)檢測機(jī)器人周圍環(huán)境的溫度T（T的值要精確到小數(shù)點(diǎn)后3位），以修正聲速的傳播公式V，從而提高測距的精確度。由于MSP430工作電壓最大是3.3 V，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用12 V電壓，測速模塊和超聲波模塊采用5 V電壓，所以采用 LM7812、LM7805和LM1117組成穩(wěn)壓電路。

2.4 語音模塊

語音電路采用ISD2560芯片為核心器件，結(jié)合外圍電路與單片機(jī)接口連接，進(jìn)行分段尋址，分析所測量數(shù)據(jù)，并設(shè)計(jì)出語音元素，包括前方、左前方、右前方、后方、厘米等語音元素，然后分別錄制好語音元素，把這些信息存儲(chǔ)在ISD2560的存儲(chǔ)器單元內(nèi)，測量的數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件處理后，單片機(jī)發(fā)送語音地址和音控指令，通過和存儲(chǔ)在ISD2560內(nèi)的地址數(shù)據(jù)匹配，然后由語音電路通過揚(yáng)聲器播出測量數(shù)據(jù)的結(jié)果。語音芯片的地址碼接口 A4、A5、A6、A7、A8 分別接在 I/OP2.2、I/OP3.0、I/OP3.1、I/OP3.2、I/OP3.3。

2.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是智能車的重要組成部分，它和電機(jī)共同組成智能小車的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)輪是由2個(gè)M1和M2交流永磁同步電機(jī)，因此采用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器是高電壓大電流高功率的L298N雙H橋集成電路，L289N可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，通過控制輸入端IN1-IN4信號，來控制H橋的通斷，使得電機(jī)形成正反轉(zhuǎn)或停止，通過控制L298N的使能端EnA、EnB，采用技術(shù)成熟的PWM調(diào)速原理來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到控制小車運(yùn)行的快慢和轉(zhuǎn)向的目的。為了防止在啟停電機(jī)的瞬間所形成的反饋電流損壞L298N，因此在L298N輸出端與電機(jī)之間加入8個(gè)二極管形成續(xù)流達(dá)到保護(hù)的作用，再則為了防止L298N輸出負(fù)載端電機(jī)對輸入端信號傳輸產(chǎn)生影響，以及對MSP430芯片產(chǎn)生不利的干擾，在L298N的信號輸入端通過連接TLP521可控制的光電電耦合器件，達(dá)到對L298N信號輸入前端的信號電路與負(fù)載的完全隔離，從而增加了電路的安全性，減少了電路信號干擾。本設(shè)計(jì)中的驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用的是方波驅(qū)動(dòng)的交流永磁同步電機(jī)，該電機(jī)的轉(zhuǎn)速與驅(qū)動(dòng)信號的頻率成正比，結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)速性能優(yōu)良，運(yùn)行可靠且便于維護(hù)。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制模塊電路如圖3所示。

圖3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊Fig.3 Motor-driven module

2.6 測速模塊和PID控制

對速度的檢測、調(diào)節(jié)控制能夠保證小車穩(wěn)定的運(yùn)行，避免小車在避障時(shí)由于車速過高來不及躲避等問題。該設(shè)計(jì)中采用256線光電編碼器作為速度檢測，2個(gè)編碼器和電機(jī)同軸相連。它直接利用光電轉(zhuǎn)換原理輸出3組方波脈沖A、B和Z相，A、B兩組脈沖相位差90°，從而可方便地判斷出旋轉(zhuǎn)方向，而Z相為每轉(zhuǎn)一個(gè)脈沖，用于基準(zhǔn)點(diǎn)定位。在此采用M/T法測速，單片機(jī)通過定時(shí)器對電機(jī)速度進(jìn)行10 ms定時(shí)采樣，把采樣所得速度信息與給定的速度信息所得的速度差傳給PID控制器，來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)速度的最佳閉環(huán)控制。從而在小車在前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車等動(dòng)作能快速響應(yīng)且超調(diào)量小，因此系統(tǒng)采用積分分離的PID控制算法，開始取消積分作用，當(dāng)被調(diào)量相差不大時(shí)再引入積分作用，實(shí)現(xiàn)算法的具體步驟[5]如下：

1）根據(jù)實(shí)際情況，人為的設(shè)定一個(gè)值 w>0，E（k）=R（k）-H（k）， 其中 R（k）為給定值，H（k）為測量值。

2）當(dāng) E（k）>w時(shí)，采用 PD控制調(diào)節(jié)，可以避免超調(diào)過大，還可以使系統(tǒng)有較快的反應(yīng)。

3）當(dāng)E（k）

此時(shí)：

式中：E為速度的誤差值，T為采樣時(shí)間，β取值如下：

3 軟件的設(shè)計(jì)

MSP430單片機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控超聲波模塊傳送的信號并對其信號進(jìn)行避障決策判斷，小車在不需要做出避障時(shí)沿直線行駛或停止，并且等待定時(shí)器的中斷信號產(chǎn)生，當(dāng)需要避障時(shí)，小車就向有障礙物相反的方向調(diào)整出（左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、倒退并轉(zhuǎn)向）最佳的運(yùn)行路線，軟件主要采用C語言[6]進(jìn)行編程。主控程序流程圖如圖4所示。

在小車運(yùn)行的速度調(diào)控中加入PID算法來調(diào)控PWM對小車的運(yùn)行速度進(jìn)行決策控制，能夠很好的實(shí)現(xiàn)小車運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性，PID調(diào)控PWM的程序流程圖如圖5所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

該智能小車做成后對其性能測試：小車的正常運(yùn)行速度約為0.11 m/s，在遇到的障礙物后做出的避障決策，跟程序中預(yù)先設(shè)定避障距離15 cm相差不多，根據(jù)試驗(yàn)的測量數(shù)據(jù)，小車預(yù)先設(shè)定的避障距離和實(shí)際的情況上下浮動(dòng)0～3 cm，到達(dá)了預(yù)期設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

5 結(jié) 論

圖4 主程序流程圖Fig.4 Flow chart of main program

圖5 PID調(diào)控PWM流程圖Fig.5 Flow chart PID regulate the PWM

該設(shè)計(jì)采用的以MSP430單片機(jī)為平臺(tái)智能小車，能夠滿足控制要求，采用的超聲波避障、PID控制算法以及PWM速度控制，使得小車穩(wěn)定靈活可靠的運(yùn)行。后續(xù)研究為改進(jìn)小車實(shí)現(xiàn)更高智能化，采用ARM嵌入式、Linux操作系統(tǒng)和DSP，并加入各種智能傳感器等來實(shí)現(xiàn)小車的更高的人性化智能化。

[1]閆晶，周浚哲，劉喜梅.基于DSP的智能小車避障系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].沈陽理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2008（1）:37-41.

YAN Jing，ZHOU Jun-zhe，LIU Xi-mei.Design of the obstacle avoidance system for intelligent car based on the DSP[J].Shenyang University of Technology，2008（1）:37-41.

[2]孫亮，阮曉鋼，常青.嵌入式移動(dòng)機(jī)器人控制器設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2007，34（22）：96-98.

SUN Liang，RUAN Xiao-gang，CHANG Qing.Embedded mobile robot controller design[J].Computer Engineering and Applications，2007，34（22 ）:96-98.

[3]沈建華，楊艷琴，翟驍曙.MSP430系列16位超低功耗單片機(jī)原理與應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010.

[4]巫付專，王曉雷.控制電機(jī)及其應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[5]徐麗娜.數(shù)字控制—建模與分析、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[M].北京：科學(xué)出版社，2007.

[6]胡大可.MSP430系列單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)與開發(fā)[M].北京：航空航天大學(xué)出版社，2003.

Design of the intelligent car based on the MSP430

LI Kun-feng，F(xiàn)U Cheng-hua
（Sichuan University of Science&Engineering，Zigong643000，China）

An intelligent car is described，which is based on the MSP430F2274.The car uses ultrasonic ranging technology to achieve automatic obstacle avoidance，and at the same time through voice module to broadcast the distance between the car and the obstacle.In order to make the distance not effected by temperature，the temperature sensor with real-time detection of the environmental temperature around the car and corrected the distance formula parameters，using photoelectric encoder to test the speed of the car， using PID control algorithm and PWM to control the car’s running accuracy and stability， so as to achieve the expected design goals.

MSP430F2274； ultrasound； optical encoder； PID control algorithm

TP23

A

1674－6236（2012）05-0033-03

2011-12-01稿件編號：201112004

李坤峰（1985—），男，河南許昌人，碩士研究生。研究方向：智能控制。