基于MSP430的坡道行駛小車研究設計

段學濤 黃烽 楊梓怡 趙鍶婷 初明川

摘要：小車是由MSP430F5529板卡、穩(wěn)壓模塊、驅動模塊、紅外尋跡模塊以及小車機械結構組成的外形尺寸不大于25cm 25cm，重量小于1.5kg的四輪電動小車，使小車能模擬汽車在坡道行駛時的狀態(tài)。它先由電池給驅動模塊供電，并設有穩(wěn)壓模塊實現(xiàn)小車的穩(wěn)壓供電，有效提高了電能的利用率。ST188紅外模塊接收發(fā)送信號，MSP430F5529系統(tǒng)板對收到的信號進行處理運算，輸出PWM波給電機，并由高精度編碼器進行速度反饋，形成閉環(huán)系統(tǒng)，使電機輸出速度更加精準，從而達到尋跡的目的。通過對坡道行駛小車的設計，為實際生活中汽車更好的上坡提供設計思路。

關鍵詞：四輪電動小車;MSP430F5529板卡;PWM驅動;紅外尋跡;坡道

0 引言

現(xiàn)階段，不論是出門旅行或是下鄉(xiāng)回家，汽車不可避免需要上坡，若上坡時發(fā)動機無法提供足夠的動力去抵消重力在水平方向的分力以及向上前進的動力，將會導致汽車下滑，而汽車下滑又將導致發(fā)動機損傷，減少汽車使用的壽命，因此研究如何讓汽車更好、更快、更穩(wěn)的上坡成為了一個值得思考的問題。

為此設計出了一種基于MSP430F5529低功耗主控芯片，使用PID控制算法，以黑白線為上坡前進的模擬道路，通過ST188紅外傳感器識別黑白線前進行動，并將行駛過程中所有的速度參數(shù)都顯示在OLED顯示屏上，并通過SYN6288對行駛的狀態(tài)進行播報，方便用戶隨時得到坡道小車的行駛狀態(tài)。

1 系統(tǒng)模塊選擇

1.1MCU主控模塊選擇

選擇MSP430F5529微控制器。MSP430F5529是TI公司推出最新代的具有集成USB的MSP430器件。它的內核是16位RISC的混合信號處理器，指令速度高達25MIPS。工作電流極小，并且超低功耗，僅需要1.8～3.6V電壓供電，常規(guī)模式耗電僅250μA/MIPS。強大的處理能力，高性能模擬技術及豐富的片上外設，十分適用于坡道行駛電動系統(tǒng)。

1.2電機選擇

采用直流減速電機TT馬達，此電機抗干擾能力強且?guī)姶牛?V電壓下，空載電流<200mA。空載轉速為200+10%rpm。3V電壓下依然能有一定轉速，足以帶動小車跑。機械結構利于安裝，減速直流電機通過單片機控制差速進行轉彎快捷方向性好;馬力足，在低功率下依然有一定的續(xù)航能力，配合配套的亞克力板底盤組裝起來十分穩(wěn)當，且容易擴展。

1.3驅動模塊選擇

采用TB6612FNG電機驅動板模塊。此驅動相對于傳統(tǒng)的L298N效率上提高很多，體積也大幅減少，在額定范圍內，芯片基本不發(fā)熱，且內置過熱保護和低壓檢測關斷電路，PWM控制的頻率可達100kHz。TB6612采用的是雙H橋驅動電路，體積小，效率高，穩(wěn)定性高，可以通過四個口控制兩路電機的正反轉，性能比較高。

1.4循跡模塊選擇

使用ST188紅外傳感器。它結構簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，可以時刻反應識別的線段，其抗干擾能力強，檢測到黑線時，紅外傳感器中的EC端不導通則不會電平輸出，當檢測到白線時，紅外傳感器中的EC端導通有高電平輸出，測量精準無誤。

2 系統(tǒng)總體方案設計

為了更好的模擬汽車在坡道上的行駛，使四輪電動小車在不同的坡道上，沿著指定路線自動循跡騎線勻速行駛。整個系統(tǒng)分為檢測、控制、驅動三個模塊。首先利用ST188紅外傳感器對路面信號進行檢測，即利用紅外線發(fā)射在黑白顏色的物理表面具有不一樣的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收，輸出口產(chǎn)生一個高電平;如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，輸出口產(chǎn)生一個低電平。經(jīng)過比較器處理之后，發(fā)送給MSP430F5529主板進行實時控制，輸出PWM波，使用閉環(huán)系統(tǒng)，調試PID精確控制誤差，通過編碼器進行反饋，相應的信號給TB6612驅動電機轉動，從而控制整個小車的運動。在軟件方面，編程實現(xiàn)小車前進、停止的精確控制以及讓檢測數(shù)據(jù)在OLED12864顯示，并通過SYN6288進行語音播報。通過按鍵選擇不同的模式，對電路的優(yōu)化組合，使小車可以完成設定時間，不同坡度的自動循跡行駛。

3 系統(tǒng)理論分析與計算

3.1爬坡受力分析

根據(jù)物理學和運動學原理，如圖，當小車沿斜面向下的分力F下=mg sin?θ 和沿斜面向上的靜摩擦力f靜相等時，小車平衡在斜坡。改變斜坡傾角θ的大小，得到能使小車平衡在斜坡的最大傾角θ_max，測量得θ_max。即對于普通小車所能上坡的最大角度為45°。

根據(jù)物理學和運動學原理，當電機上電時，電機帶動車輪旋轉。小車沿斜面向下的分力F=mg sin?θ 小于沿斜面向上的靜摩擦力f靜。小車向上運動爬坡。由于采用主動輪前驅的方式爬坡，當普通車輪的靜摩擦力f靜不夠大，爬坡高度不理想時，通過對車身前段負重，讓小車整體重心前移，使靜摩擦力能夠充分大，達到更好的爬坡高度。

3.2 小車控制方法分析

小車的運動是一個輸入連續(xù)變化量且輸出量連續(xù)的過程。在連續(xù)的閉環(huán)控制系統(tǒng)中，按輸入偏差，輸出通過比列，微分，積分進行聯(lián)合計算控制的PID控制技術是一種應用最廣泛的控制方式。它具有易于實現(xiàn)，適用面廣等一系列優(yōu)點。連續(xù)PID控制器也稱比列—積分—微分指控器，即過程控制是按誤差的比列，積分和微分對系統(tǒng)進行控制。

PID算法的控制數(shù)學模型為：

本系統(tǒng)采用PID算法來控制電機的輸出轉速。編碼器通過齒輪運轉不斷采集電機的轉速，與系統(tǒng)設定的速度進行比較，得到偏差，通過PID閉環(huán)系統(tǒng)使得小車的速度達到設定的需求。PID算法由誤差放大響應比例P、角度誤差積分I和角度微分D組成。使其小車筆直前行。

本程序采用PID控制，能夠加大系統(tǒng)的反應速度，并精確控制電機的輸出速度。

4 系統(tǒng)總程序設計

打開紐子開關，各模塊進行初始化，OLED顯示屏上顯示當前需要上坡的角度以及相應的速度輸出，按下啟動鍵，小車立刻啟動，開始向上做爬坡運動。與此同時，紅外不停將高電平與低電平信號發(fā)送給單片機，單片機進行處理后，反饋相應的信號給驅動模塊，驅動處理后控制電機以不同轉速轉，實現(xiàn)在指定路徑上尋跡的功能。行駛的過程中，與電機聯(lián)動的編碼器，不斷進行速度的采集，將采集回來的速度與設定的速度進行比較做差，得到一個偏差，送入程序中設定的閉環(huán)控速系統(tǒng)，經(jīng)過前面所述的PID數(shù)學控制模型，得到一個快、準、穩(wěn)且能夠保證小車順利上坡的速度。當小車檢測到終點時，電機停止轉動，語音播報系統(tǒng)發(fā)出“停止”的聲音，示意用戶到達目的地。

5 參考文獻

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