基于MSP430单片机的智能小车寻迹模块研究

摘要：设计方案以MSP430单片机为系统的控制核心，采用反射式光电传感器模块寻迹，实现智能小车的自动寻迹行驶。在实验中采用与白色相差很大的黑色引导线作为智能小车的既定路线，系统驱动采用控制方式为PWM的直流电机。详细介绍了反射式光电传感器寻迹模块的工作原理，寻迹模块的电路图以及在以MSP430单片机为控制核心的基础上如何实现智能寻迹小车的自动寻迹行驶。并简要介绍了系统的电路图。该技术可用于无人生产线、服务机器人、仓库等领域。
关键词：智能小车；MSP430；反射式光电传感器；PWM

0 引言
    智能小车又称轮式移动机器人，能够按预设模式在特定环境中自动移动，无需人工干预，可用于科学勘测、现代物流等方面。针对路面采用黑色标记线条作为路径引导线的应用场合，反射式光电传感器是常用的路径识别传感器。反射式光电传感器因信号处理方式和物理结构简单的特点而被广泛应用于结构化环境和低成本产品中，虽然存在检测距离近、预测性差的弱点，但通过合理设计和选择反射式光电传感器并结合合适的信息处理软件能够满足上述简单环境场合应用。随着汽车ECU电子控制的发展，在汽车上配备远程信息处理器，传感器和接收器，通过这些器件的协调控制可以实现汽车的无人驾驶。本文提出基于MSP430单片机的控制装置，通过反射式光电传感器寻迹，MSP430单片机处理反射式光电传感器检测到的信号，从而控制智能车的转向，实现智能小车的自动寻迹。

1 系统总体设计方案
    在小车车体的前端贴近地面的地方安装有4组寻迹模块，如图1所示，单片机通过判断4个寻迹模块发送来的信号进行自动循迹。寻迹模块在遇到黑线时发送低电平信号，遇到空白的地方发送高电平信号，单片机通过判断高低电平即可作出相应的操作。通过4组寻迹模块发送的信号组合，可将小车行驶状态分成如表1所示7种状态。

    单片机通过判断当前的运行状态，然后对L298驱动模块进行相应的操作。当正常时，不进行调整；当左偏时，通过对L298驱动模块进行调整，使小车的左轮速度大于右轮速度，即可实现小车向右调整。由于左偏有三种情形，但每种情形只是使能端的PWM参数不同。当右偏时，处理流程与左偏类似。

2 寻迹模块的硬件设计
    绘制完成的反射式光电传感器电路图如图2所示。该电路的工作原理为：当光耦TCRT5000有光线反射回来，即遇到白色等反光能力强的跑道，放大器LM324AD的输出端输出为高电平，反之，输出为低电平。单片机通过控制LM324AD的输出端电压即可做出相应的控制操作。四个相同的此模块分别与单片机的P41，P42，P43，P44引脚相连。单片机模块如图3所示。

3 循迹模块的软件设计
    在小车的自动控制模式下，单片机通过判断4个寻迹模块发送回来的不同信号进行相应的操作。整体的思路为：小车左偏则左轮的速度要大于右轮的速度小车才能恢复正常，小车右偏则右轮的速度要大于左轮的速度小车才能恢复正常，当小车正常时两侧轮子的速度相同。由上面的分析可知速度的快慢可通过对L298使能端PWM值的控制进行调节。通过多次调试可得出如表2所示的PWM数值。

4 MCU控制与算法实现
    系统控制由微处理器完成，微处理器采用MSP430单片机，当单片机读入传感器的信号后即可判断小车当前的行驶状态，具体流程如图4所示。

5 系统设计
    本文设计的智能小车寻迹系统的电路如图5所示。其中U1、U5、U7、U8分别为反射式光电传感器A、B、C、D，布局如图5所示，负责采集轨道信息。U6为L298驱动模块，负责控制智能小车两侧直流电机。

6 结语
    通过对智能车寻迹模块的研究，分析MSP430单片机的应用，利用感光传感器信息来控制智能车的自动转向，实现了智能车的自动寻迹。该寻迹系统的工作流程可概括为：通过四个外置的反射式红外线传感器收集轨道信息，在通过微处理器对采集到的信息进行处理，然后将处理后的信息通过PWM信号传递给L298驱动模块，L298模块根据接收到的轨道信号控制智能车两侧直流电机的运行状态，最终达到寻迹的目的。智能车在军事、工业和民用领域的实际应用中，涉及到如何构造完整的导航系统以及多种传感器数据融合及控制算法等，这需要在实践中不断研究探索。