張國強+白明雄+康琦+張驥

摘 要： 為了減少在道路修建時壓路工人受路面的惡劣環(huán)境影響的問題，在此設(shè)計了智能無人壓路小車來代替有人駕駛壓路車。該小車由紅外傳感器模塊實現(xiàn)對車體前方環(huán)境檢測，以MSP430G2553單片機為控制核心，對傳感器所采集到的數(shù)據(jù)進行比較處理，同時通過控制L298驅(qū)動模塊實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)車體的移動、轉(zhuǎn)向、變軌等動作。另外采用無線收發(fā)模塊用以實現(xiàn)壓路小車的無線控制，最終可實現(xiàn)智能壓路小車的自動控制和遙控控制2種工作模式。

關(guān)鍵詞： MSP430G2553； L298驅(qū)動； 無線遙控； 智能壓路小車

中圖分類號： TN919?34； TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）22?0098?03

Design of intelligent roller based on MSP430 microcontroller

ZHANG Guo?qiang， BAI Ming?xiong， KANG Qi， ZHANG Ji

（College of Ming De， Northwest Polytechnical University， Xian 710124， China）

Abstract： In order to reduce the harm to workers health by the harsh environment when roads are constructed， an unmanned intelligent roller was designed instead of manned roller. An infrared sensor module is used to detect the front environment. The microcontroller MSP430G2553 is taken as the control core to compare and process the data collected by the sensor， and control the L298 driver module to realize the forward and reverse rotation of the DC motor for movement， turning， track change and other actions of the roller. In addition， a wireless transceiver module is used to control the roller. The two working modes （autonomous control and remote control） for the roller were realized ultimately.

Keywords： MSP430G2553； L298 drive； wireless remote control； inlelligent roller

現(xiàn)代工程越來越趨于無人化的自動控制，傳統(tǒng)的人工控制將逐漸被智能控制所替代。壓路機的無人化自動控制是指在某一塊設(shè)定區(qū)間范圍內(nèi)，壓路機實現(xiàn)自動無人壓路，另外還可以通過無線遙控器對無人壓路機的工作狀態(tài)進行控制。這既解放了生產(chǎn)力，又提高了生產(chǎn)效率。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)總體框圖如圖1所示。系統(tǒng)以MSP430G2553單片機作為控制器，處理傳感器和無線收發(fā)器接收到的信號，通過2個L298芯片控制4個直流電機正反轉(zhuǎn)改變車體的運動狀態(tài)，實現(xiàn)自動控制和遙控控制2種工作模式。自動控制工作模式是通過紅外線傳感器模塊對壓路小車前方的環(huán)境進行檢測，接收到的信號送給單片機通過程序輸出不同的控制信號。由于MSP430G2553是一款超低功耗的單片機，所以通過COMS非門電路對單片機輸出的信號進行隔離，從非門出來的信號對L298進行控制，實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)控制車體的運動狀態(tài)。遙控控制工作模式是通過遙控器發(fā)射電磁波信號，無線接收器將接收到的信號進行編碼輸入到單片機內(nèi)，單片機通過程序?qū)邮掌鬏斔瓦M來的數(shù)據(jù)進行處理，并輸出相應(yīng)的控制信號對壓路機車體的運動狀態(tài)進行控制。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

1.1 紅外線傳感模塊

紅外線傳感器主要包括發(fā)光二級管、光敏二極管、多級放大器、A/D轉(zhuǎn)換。紅外線發(fā)射電路使發(fā)射管發(fā)射紅外光，經(jīng)過障礙物反射后，由接收電路中的光敏二極管接收反射回來的紅外線，根據(jù)光敏二極管是否接收到紅外線來判斷前方是否有障礙。接收管接收到的信號非常微弱，要把這樣的信號放大到足以帶動負(fù)載，必須經(jīng)多級放大，以滿足工程要求。光敏二極管會產(chǎn)生一個與光強相對應(yīng)的電流。電流經(jīng)由運算放大器多級放大后，再經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后輸出。系統(tǒng)選取的紅外線傳感器采用負(fù)反饋模擬運算放大電路，具有高增益穩(wěn)定性、寬放大器通頻帶與低非線性失真和噪音3大優(yōu)點，并且負(fù)反饋還有對相應(yīng)的輸出量進行自動調(diào)節(jié)作用[1?2]。

1.2 隔離電路

MSP430G2553是一款超低功耗的單片機，帶載能力有限，且引腳輸出為3.3 V左右[3]。而L298芯片所需要的輸入控制信號為5 V，所需的電流相對MSP430G2553較大，很容易造成單片機過載工作，導(dǎo)致電流過大燒毀單片機。因此對單片機的輸出控制信號通過74HC04反相器進行隔離，使它有足夠的帶載能力驅(qū)動L298芯片，74HC04具有高輸入阻抗，低功耗，帶載能力較強等特點[4]。隔離電路如圖2所示。

圖2 隔離電路

1.3 L298驅(qū)動模塊

L298集成了2個H橋，搭成H橋臂的是2個NPN型三極管和兩個PNP型三極管，這4個三極管的各個參數(shù)相同，控制三極管的導(dǎo)通與截止的是4個與門電路，與門的一個輸入為控制信號的輸入，另一個輸入口為信號輸入控制口，控制輸入信號的通過與否來調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速。

1.4 直流電機

壓路機需要足夠的動力才能將碾輪驅(qū)動起來，用4個直流電機作為系統(tǒng)的動力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中采用額定電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為60 rad/min直流減速電機。通過控制每一個直流電機轉(zhuǎn)動時間來控制車體的運動狀態(tài)。對于該系統(tǒng)的直流電機來說不僅要正轉(zhuǎn)還要反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機正常正轉(zhuǎn)的時候突然給電機一個反轉(zhuǎn)的信號，電機就會迅速的反轉(zhuǎn)。這樣對電機轉(zhuǎn)子的扭力非常大，且由楞次定理可知電機兩端的電壓會迅速增高，很容易造成電機的燒毀。基于上述問題在電機的兩端接一個電容，這不僅可以削減反向電壓瞬間的峰值，也可以使瞬時流過電機的峰值電流得到緩沖作用[5]。

1.5 無線收發(fā)器

由于工地環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)增加了遙控控制方式，通過控制遙控器對該壓路機的工作狀態(tài)進行人為干預(yù)。這不僅有利于安全施工還有利于彌補人工智能的缺陷。

遙控一般是以電磁波或紅外線為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)指令的傳送功能。遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過加密編碼、調(diào)制、載波輸出信號。接收模塊，則進行相反的操作，提取出遙控器發(fā)射過來的命令，再由MCU執(zhí)行相應(yīng)的命令。無線遙控，有基于電磁波和紅外線兩種。紅外遙控距離短，只能直線方向遙控。電磁波的遙控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遙控時也不需要直線。電磁波無線遙控，就是在發(fā)射端發(fā)射一定頻率的電磁波，接收端只提取出相同頻率的電磁波信號，并經(jīng)過解碼得到發(fā)射端的數(shù)據(jù)[6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

算法流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

所設(shè)計的程序算法主要用以使壓路機在無人狀態(tài)下對一固定區(qū)域進行自動的碾壓，而對于壓路機對區(qū)域面積的碾壓次數(shù)（多少遍），可以通過程序來控制，程序設(shè)有兩個參量供修改。如下列程序：

a=k/20；

if（i==2*a+1）

{stop（）；

P2IE=0；}

K是指施工單位的區(qū)域的寬度，20是指車寬，A就是指壓路機來回調(diào)幾次頭可以完成對整個區(qū)域的碾壓；程序中的2表示的是碾壓一個來回，若讓壓路機碾壓兩個來回，則改為4，以此類推。 工作過程示意圖如圖4所示。

假設(shè)車寬20 cm，工地寬為80 cm，那么只需要當(dāng)壓路機到達(dá)另一頭后掉頭（即變軌），這樣只需要4次，也就是紅外傳感器只需要探測到4次障礙物就可以了，但是到了第4次，即圖中4處時，需要的操作的不是掉頭（即變軌），而是原地的掉頭，此時需在程序中加個i=4來判斷什么時候掉頭，而i是由工地寬度和車寬來確定的。如果車還要原路返回，那么原先由左向右開始的時候，是i為奇數(shù)的時候右掉頭（即變軌），i為偶數(shù)的時候左掉頭（即變軌），原路返回時，掉頭次序全變，所以在i=4的時候，再多進行一次i++，這樣就又變回了奇數(shù)右掉頭，偶數(shù)左掉頭。

圖4 工作過程示意圖

3 結(jié) 論

該系統(tǒng)只需要一個紅外探測器就可以實現(xiàn)來回?zé)o人智能碾壓，壓路機在無人控制的情況下可以在工人設(shè)定的范圍之內(nèi)自動工作，只要小車來回多次工作就可以壓完工人所希望的面積，很大程度上可以減輕工人的勞動強度。而且還配備有遙控模塊，更是貼近了人性化。

圖5 智能軋路小車

參考文獻(xiàn)

[1] 顏全生.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[2] 韓裕生，喬志花，張金.傳感器技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2013.

[3] 洪利，章?lián)P，李世寶.MSP430單片機原理與應(yīng)用實例[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2010.

[4] 史健芳.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] 丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

圖2 隔離電路

1.3 L298驅(qū)動模塊

L298集成了2個H橋，搭成H橋臂的是2個NPN型三極管和兩個PNP型三極管，這4個三極管的各個參數(shù)相同，控制三極管的導(dǎo)通與截止的是4個與門電路，與門的一個輸入為控制信號的輸入，另一個輸入口為信號輸入控制口，控制輸入信號的通過與否來調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速。

1.4 直流電機

壓路機需要足夠的動力才能將碾輪驅(qū)動起來，用4個直流電機作為系統(tǒng)的動力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中采用額定電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為60 rad/min直流減速電機。通過控制每一個直流電機轉(zhuǎn)動時間來控制車體的運動狀態(tài)。對于該系統(tǒng)的直流電機來說不僅要正轉(zhuǎn)還要反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機正常正轉(zhuǎn)的時候突然給電機一個反轉(zhuǎn)的信號，電機就會迅速的反轉(zhuǎn)。這樣對電機轉(zhuǎn)子的扭力非常大，且由楞次定理可知電機兩端的電壓會迅速增高，很容易造成電機的燒毀?；谏鲜鰡栴}在電機的兩端接一個電容，這不僅可以削減反向電壓瞬間的峰值，也可以使瞬時流過電機的峰值電流得到緩沖作用[5]。

1.5 無線收發(fā)器

由于工地環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)增加了遙控控制方式，通過控制遙控器對該壓路機的工作狀態(tài)進行人為干預(yù)。這不僅有利于安全施工還有利于彌補人工智能的缺陷。

遙控一般是以電磁波或紅外線為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)指令的傳送功能。遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過加密編碼、調(diào)制、載波輸出信號。接收模塊，則進行相反的操作，提取出遙控器發(fā)射過來的命令，再由MCU執(zhí)行相應(yīng)的命令。無線遙控，有基于電磁波和紅外線兩種。紅外遙控距離短，只能直線方向遙控。電磁波的遙控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遙控時也不需要直線。電磁波無線遙控，就是在發(fā)射端發(fā)射一定頻率的電磁波，接收端只提取出相同頻率的電磁波信號，并經(jīng)過解碼得到發(fā)射端的數(shù)據(jù)[6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

算法流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

所設(shè)計的程序算法主要用以使壓路機在無人狀態(tài)下對一固定區(qū)域進行自動的碾壓，而對于壓路機對區(qū)域面積的碾壓次數(shù)（多少遍），可以通過程序來控制，程序設(shè)有兩個參量供修改。如下列程序：

a=k/20；

if（i==2*a+1）

{stop（）；

P2IE=0；}

K是指施工單位的區(qū)域的寬度，20是指車寬，A就是指壓路機來回調(diào)幾次頭可以完成對整個區(qū)域的碾壓；程序中的2表示的是碾壓一個來回，若讓壓路機碾壓兩個來回，則改為4，以此類推。 工作過程示意圖如圖4所示。

假設(shè)車寬20 cm，工地寬為80 cm，那么只需要當(dāng)壓路機到達(dá)另一頭后掉頭（即變軌），這樣只需要4次，也就是紅外傳感器只需要探測到4次障礙物就可以了，但是到了第4次，即圖中4處時，需要的操作的不是掉頭（即變軌），而是原地的掉頭，此時需在程序中加個i=4來判斷什么時候掉頭，而i是由工地寬度和車寬來確定的。如果車還要原路返回，那么原先由左向右開始的時候，是i為奇數(shù)的時候右掉頭（即變軌），i為偶數(shù)的時候左掉頭（即變軌），原路返回時，掉頭次序全變，所以在i=4的時候，再多進行一次i++，這樣就又變回了奇數(shù)右掉頭，偶數(shù)左掉頭。

圖4 工作過程示意圖

3 結(jié) 論

該系統(tǒng)只需要一個紅外探測器就可以實現(xiàn)來回?zé)o人智能碾壓，壓路機在無人控制的情況下可以在工人設(shè)定的范圍之內(nèi)自動工作，只要小車來回多次工作就可以壓完工人所希望的面積，很大程度上可以減輕工人的勞動強度。而且還配備有遙控模塊，更是貼近了人性化。

圖5 智能軋路小車

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[6] 丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.

圖2 隔離電路

1.3 L298驅(qū)動模塊

L298集成了2個H橋，搭成H橋臂的是2個NPN型三極管和兩個PNP型三極管，這4個三極管的各個參數(shù)相同，控制三極管的導(dǎo)通與截止的是4個與門電路，與門的一個輸入為控制信號的輸入，另一個輸入口為信號輸入控制口，控制輸入信號的通過與否來調(diào)節(jié)直流電機轉(zhuǎn)速。

1.4 直流電機

壓路機需要足夠的動力才能將碾輪驅(qū)動起來，用4個直流電機作為系統(tǒng)的動力系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中采用額定電壓為6 V，轉(zhuǎn)速為60 rad/min直流減速電機。通過控制每一個直流電機轉(zhuǎn)動時間來控制車體的運動狀態(tài)。對于該系統(tǒng)的直流電機來說不僅要正轉(zhuǎn)還要反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機正常正轉(zhuǎn)的時候突然給電機一個反轉(zhuǎn)的信號，電機就會迅速的反轉(zhuǎn)。這樣對電機轉(zhuǎn)子的扭力非常大，且由楞次定理可知電機兩端的電壓會迅速增高，很容易造成電機的燒毀?；谏鲜鰡栴}在電機的兩端接一個電容，這不僅可以削減反向電壓瞬間的峰值，也可以使瞬時流過電機的峰值電流得到緩沖作用[5]。

1.5 無線收發(fā)器

由于工地環(huán)境復(fù)雜多變，系統(tǒng)增加了遙控控制方式，通過控制遙控器對該壓路機的工作狀態(tài)進行人為干預(yù)。這不僅有利于安全施工還有利于彌補人工智能的缺陷。

遙控一般是以電磁波或紅外線為數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，實現(xiàn)指令的傳送功能。遙控器發(fā)送的數(shù)據(jù)要經(jīng)過加密編碼、調(diào)制、載波輸出信號。接收模塊，則進行相反的操作，提取出遙控器發(fā)射過來的命令，再由MCU執(zhí)行相應(yīng)的命令。無線遙控，有基于電磁波和紅外線兩種。紅外遙控距離短，只能直線方向遙控。電磁波的遙控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遙控時也不需要直線。電磁波無線遙控，就是在發(fā)射端發(fā)射一定頻率的電磁波，接收端只提取出相同頻率的電磁波信號，并經(jīng)過解碼得到發(fā)射端的數(shù)據(jù)[6]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

算法流程圖如圖3所示。

圖3 算法流程圖

所設(shè)計的程序算法主要用以使壓路機在無人狀態(tài)下對一固定區(qū)域進行自動的碾壓，而對于壓路機對區(qū)域面積的碾壓次數(shù)（多少遍），可以通過程序來控制，程序設(shè)有兩個參量供修改。如下列程序：

a=k/20；

if（i==2*a+1）

{stop（）；

P2IE=0；}

K是指施工單位的區(qū)域的寬度，20是指車寬，A就是指壓路機來回調(diào)幾次頭可以完成對整個區(qū)域的碾壓；程序中的2表示的是碾壓一個來回，若讓壓路機碾壓兩個來回，則改為4，以此類推。 工作過程示意圖如圖4所示。

假設(shè)車寬20 cm，工地寬為80 cm，那么只需要當(dāng)壓路機到達(dá)另一頭后掉頭（即變軌），這樣只需要4次，也就是紅外傳感器只需要探測到4次障礙物就可以了，但是到了第4次，即圖中4處時，需要的操作的不是掉頭（即變軌），而是原地的掉頭，此時需在程序中加個i=4來判斷什么時候掉頭，而i是由工地寬度和車寬來確定的。如果車還要原路返回，那么原先由左向右開始的時候，是i為奇數(shù)的時候右掉頭（即變軌），i為偶數(shù)的時候左掉頭（即變軌），原路返回時，掉頭次序全變，所以在i=4的時候，再多進行一次i++，這樣就又變回了奇數(shù)右掉頭，偶數(shù)左掉頭。

圖4 工作過程示意圖

3 結(jié) 論

該系統(tǒng)只需要一個紅外探測器就可以實現(xiàn)來回?zé)o人智能碾壓，壓路機在無人控制的情況下可以在工人設(shè)定的范圍之內(nèi)自動工作，只要小車來回多次工作就可以壓完工人所希望的面積，很大程度上可以減輕工人的勞動強度。而且還配備有遙控模塊，更是貼近了人性化。

圖5 智能軋路小車

參考文獻(xiàn)

[1] 顏全生.傳感器應(yīng)用技術(shù)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

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[4] 史健芳.智能儀器設(shè)計基礎(chǔ)[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

[5] 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)簡明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.

[6] 丁鎮(zhèn)生.傳感及其遙控遙測技術(shù)應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)出版社，2003.