高振新， 孫建紅

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

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基于MSP430的智能循跡運(yùn)料小車設(shè)計

高振新， 孫建紅

(南京理工大學(xué) 電子工程與光電技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210094)

用MSP430單片機(jī)設(shè)計了一種智能循跡運(yùn)料小車，介紹了運(yùn)料方式和系統(tǒng)總體設(shè)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(jī)，單片機(jī)輸出PWM信號并通過L298N全橋驅(qū)動芯片控制小車電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，從而控制小車的路徑和速度。當(dāng)?shù)竭_(dá)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(xiàn)小車循跡運(yùn)料的目的。小車運(yùn)行還可通過紅外遙控人為控制。試驗結(jié)果表明，整個系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，運(yùn)行靈活方便，實現(xiàn)了預(yù)期的智能小車循跡運(yùn)料功能。

MSP430; 智能循跡運(yùn)料小車； PWM

0 引 言

智能小車，也稱為輪式機(jī)器人，最適合在那些人類無法工作的惡劣環(huán)境中或勞動強(qiáng)度大的場合工作，因其成本低，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，抗干擾小，目前已在許多工業(yè)場合得到應(yīng)用[1-2]。例如無人駕駛機(jī)動車、無人生產(chǎn)線、倉庫、服務(wù)機(jī)器人和航空航天等領(lǐng)域。

如今工商業(yè)運(yùn)料小車普遍采用鋪設(shè)軌道的方式實現(xiàn)運(yùn)料[3-4]，或采用傳送帶運(yùn)輸。對于那些不需要實時進(jìn)行兩點間運(yùn)輸?shù)那闆r，傳送帶運(yùn)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(yùn)料小車和運(yùn)輸方式，本文基于實驗室環(huán)境，設(shè)計了智能循跡運(yùn)料小車。圖1為小車循跡運(yùn)行示意圖。

本文采用MSP430單片機(jī)為控制核心，設(shè)計了一種具有自動循跡和變速功能的運(yùn)料小車，該小車裝料后，沿黑色引導(dǎo)線前進(jìn)，并可通過自動識別不同區(qū)域路段實現(xiàn)變速，或是通過紅外遙控控制運(yùn)行情況，最終將料送到終點。通過構(gòu)建由單片機(jī)系統(tǒng)、電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、循跡電路、檢料電路等組成的智能小車系統(tǒng)，實現(xiàn)小車循跡運(yùn)料的功能。

圖1 小車運(yùn)行示意圖

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

1.1 循跡運(yùn)料小車系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

循跡運(yùn)料小車系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思想，主要包括供電電池、穩(wěn)壓電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、路面探測模塊、紅外遙控模塊、檢料模塊、MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)整體框圖

1.2 循跡運(yùn)料小車原理

小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，由單片機(jī)輸出PWM信號控制前面兩輪轉(zhuǎn)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(yùn)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(jī)控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)對采集到的信號進(jìn)行處理和判別，通過控制算法對驅(qū)動系統(tǒng)發(fā)出控制命令，并產(chǎn)生不同占空比的PWM波控制小車左右電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向，驅(qū)動小車沿著黑線軌跡前進(jìn)。到達(dá)終點時，路面探測系統(tǒng)探測到終點標(biāo)志，小車會停車10 s，機(jī)械對小車貨物進(jìn)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(yuǎn)程控制小車的行速。

2 硬件設(shè)計

2.1 控制芯片MSP430

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

2.2 直流電機(jī)

用兩個直流伺服電機(jī)驅(qū)動小車前面兩個輪子轉(zhuǎn)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(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。直流電機(jī)力學(xué)特性[6]的一般形式為：

U=E+IaRa

(1)

E=Keφn，T=KmφIa

轉(zhuǎn)速特性

(2)

力學(xué)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(nèi)阻，Ω；φ為勵磁磁通，Wb；E為感應(yīng)電勢，V；T為電磁轉(zhuǎn)矩(N·m)；Km為電勢系數(shù)，Km=9.55Ke。

直流電機(jī)有3種調(diào)速方法[7-8]：

(1)改變串入電樞回路電阻RT。力學(xué)特性公式：

(4)

相應(yīng)的曲線如圖3(a)所示。

改變電樞回路電阻調(diào)速的特點：力學(xué)特性較軟，電阻越大則特性越軟，穩(wěn)定度越低；調(diào)速指標(biāo)不高，調(diào)速范圍不大，而且調(diào)速為有級調(diào)速；調(diào)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(diào)速。力學(xué)特性見式(3)。相應(yīng)的曲線如圖3(b)所示。

改變主磁通調(diào)速的特點：只能在高于額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，可無級調(diào)速，調(diào)速平滑，但調(diào)速范圍過小，且調(diào)速不方便。

(3)改變電源端電壓U調(diào)速。力學(xué)特性與式(3)相同，力學(xué)特性曲線如圖3(c)所示。

這種調(diào)速方法可以實現(xiàn)無級調(diào)速，力學(xué)特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)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(zhuǎn)速，因此低速運(yùn)行時不會增加功耗，整個調(diào)速范圍都比較經(jīng)濟(jì)，且調(diào)速方便，因此智能小車的電機(jī)控制普遍采用調(diào)節(jié)電機(jī)供電電壓來調(diào)速。

目前應(yīng)用比較廣泛的一種方式是采用PWM控制對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。即通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變電機(jī)的供電電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。

(a) 改變電框回路電阻RT

圖4是利用開關(guān)管對直流電動機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制的原理圖和輸入輸出電壓波形圖。圖4(a)中，當(dāng)開關(guān)管輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端電壓為Us。t1后，輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為零。t2后，輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。以此來控制電機(jī)兩端電壓導(dǎo)通關(guān)斷。直流電機(jī)電樞繞組兩端的電壓波形如圖4(b)所示。電動機(jī)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(zhuǎn)速公式為：

(6)

令

故n=Kα-b。

所以只要改變開關(guān)管的占空比就能達(dá)到控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。改變兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速差，還可以控制小車行駛方向。

(a) 原理圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動電路

電機(jī)驅(qū)動模塊在單片機(jī)控制系統(tǒng)中是必不可少的，它和電機(jī)共同組成智能小車的運(yùn)動控制系統(tǒng)。本設(shè)計選用L298電機(jī)驅(qū)動芯片[9-10]。

在該實驗中，控制芯片輸出PWM脈沖送給驅(qū)動器，通過驅(qū)動器實現(xiàn)PWM速度調(diào)節(jié)。

本文采用一個L298驅(qū)動一個電機(jī)，以增強(qiáng)信號，減少擾動，提供更高的動力，保證電機(jī)的運(yùn)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(fā)射管發(fā)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(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出低電平；當(dāng)紅外光遇到黑線時則被吸收，接收管沒有接收到反射光，經(jīng)施密特觸發(fā)器整形后輸出高電平[11]。把高低電平信號傳遞到單片機(jī)里，并以此為依據(jù)產(chǎn)生PWM信號。

紅外模塊的數(shù)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(jī)的工作電源是12 V。因此采用12 V鎳鎘充電電池給電機(jī)供電，采用穩(wěn)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(shè)計使用紅外遙控模塊實現(xiàn)對小車遠(yuǎn)程控制。紅外遙控模塊由控制信號發(fā)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(fā)出裝置，當(dāng)按下遙控器的指令鍵后，指令編碼電路產(chǎn)生所需的指令編碼信號，指令編碼信號對載波進(jìn)行調(diào)制，再由驅(qū)動電路進(jìn)行功率放大后由發(fā)射電路向外發(fā)射經(jīng)調(diào)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(fā)出的紅外控制信號，并進(jìn)行放大后送解調(diào)電路，解調(diào)電路將已調(diào)制的指令編碼信號解調(diào)出來，即還原為編碼信號。然后將此信號傳到單片機(jī)中，單片機(jī)對這個信號進(jìn)行解碼，并根據(jù)解碼信息驅(qū)動執(zhí)行電路實現(xiàn)各種指令的操作控制。圖6為紅外遙控系統(tǒng)框圖。

圖6 紅外遙控系統(tǒng)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(jī)。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(jī)據(jù)此做出相應(yīng)控制指令。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計

軟件系統(tǒng)主要是完成一個決策和導(dǎo)向的功能，采用C語言編寫，用PWM信號控制直流電機(jī)的速度及正反轉(zhuǎn)，用反射式紅外光電管判斷小車是否有料。當(dāng)小車裝料后，小車進(jìn)入循跡模式運(yùn)行，程序不斷掃描與紅外探測器連接的單片機(jī)I/O口，對路徑信息進(jìn)行判斷處理。單片機(jī)再將相應(yīng)的信號發(fā)給電機(jī)驅(qū)動模塊糾正小車的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到自動循跡的功能[13-14]。當(dāng)操作人員通過紅外遙控器發(fā)出控制指令時，小車優(yōu)先執(zhí)行紅外指令。小車到達(dá)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(xù)檢測，從而達(dá)到小車運(yùn)料的功能。小車系統(tǒng)自動控制過程整體流程圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)軟件流程圖

3.1 PWM波的設(shè)置

本文采用MSP430中TIMERA的增計數(shù)模式的輸出模式7來使P1.2和P1.3產(chǎn)生PWM波，并可以隨時改變PWM信號的占空比，從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)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(shè)計

本文運(yùn)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(yīng)的狀態(tài)見表2。

表2 小車循跡與轉(zhuǎn)向?qū)?yīng)表

3.3 運(yùn)料平穩(wěn)性設(shè)計

基于實驗中小車運(yùn)料的實際情況，本文對傳統(tǒng)的勻速行駛進(jìn)行改進(jìn)。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(yùn)行過程中的過猛地機(jī)械沖擊，從而防止出現(xiàn)小車所運(yùn)貨物的拋灑和行駛的不穩(wěn)定性，又實現(xiàn)了小車的安全啟動，快速運(yùn)料，可靠停車[15]。

4 結(jié) 語

本設(shè)計中循跡運(yùn)料小車采用模塊化設(shè)計，各模塊間獨(dú)立性強(qiáng),以MSP430單片機(jī)作為核心控制單元，通過處理外部傳感器傳回的數(shù)據(jù)，自動實現(xiàn)以循跡的方式運(yùn)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(yùn)輸平穩(wěn)，方便。循跡運(yùn)料體現(xiàn)出了一定的優(yōu)越性，有助于工商業(yè)中小型運(yùn)輸系統(tǒng)的研發(fā)。

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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(chǎn)學(xué)研聯(lián)合創(chuàng)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(tǒng)。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(tǒng)。Tel.：025-84303086;E-mail: sunjh@njust.edu.cn

TP 273+.5

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1006-7167(2016)08-0071-04