基于MSP430單片機的智能導(dǎo)盲小車設(shè)計

羅文杰　郭夢婷　謝雨杉　李桂梅

摘要：本文簡要介紹了智能導(dǎo)盲小車的硬件設(shè)計和軟件設(shè)計。以MSP430為主控芯片，通過光電傳感器進行智能循跡，采用黑色循跡路線為規(guī)定路線，模擬現(xiàn)實生活中的盲道等固定路徑，并具有避障及語音播報功能。經(jīng)過安裝調(diào)試、試驗檢測，能實現(xiàn)智能導(dǎo)盲，具有良好的人機交互性。

關(guān)鍵詞：智能小車;導(dǎo)盲;循跡;避障;語音播報

中圖分類號：TP271? ? ?文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2022）09-0060-03

據(jù)統(tǒng)計，中國是世界上盲人最多的國家，同時每年我國新增45萬左右盲人。其中有百分之三十的視障人士不敢踏出家門一步。為了解決盲人的生活和工作問題，提高盲人的生活質(zhì)量，擴大了盲人的活動范圍。筆者設(shè)計了智能導(dǎo)盲小車。

1硬件設(shè)計

本系統(tǒng)主要由MSP430F5438單片機、超聲波測距模塊、紅外循跡模塊、總線電機、舵機、語音模塊、藍(lán)牙模塊組成。硬件系統(tǒng)設(shè)計框圖如圖1所示。

1.1單片機模塊

本設(shè)計選用MSP430系列單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點。比較適合進行各種數(shù)據(jù)處理、分析、綜合并加以控制，也適合此項目的需要。

1.2驅(qū)動模塊

采用L298N驅(qū)動芯片。由單片機發(fā)出控制信號控制電機轉(zhuǎn)動方向，驅(qū)動模塊一旦收到單片機通過超聲波模塊發(fā)出的中斷信號，開始驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動實現(xiàn)左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進、越障等功能。

1.3紅外循跡模塊

智能循跡小車采集所設(shè)定的黑色路徑位置的信號，通過對所設(shè)置的黑色路徑的識別，產(chǎn)生高、低電平信號，依據(jù)檢測到黑線光電二極管返回高電平信號，未檢測到黑線，返回低電平信號。把信號傳遞到MSP430F5438。MSP430F5438根據(jù)獲取的信號發(fā)出相應(yīng)的控制指令傳遞給電機驅(qū)動，并通過電機驅(qū)動模塊控制直流電動機的轉(zhuǎn)動狀態(tài)，經(jīng)過一系列算法判斷檢測，從而完成自動循跡過程。

1.4測距模塊

小車采用Y401超聲波測距模塊作為測距裝置。Y401超聲波測距模塊可實現(xiàn)4米以內(nèi)的非接觸測距功能，測量盲區(qū)小，靜態(tài)功耗低于2mA，低功耗，自帶溫度傳感器對測距結(jié)果進行校正，測量結(jié)果精確，使用GPIO模式對ANCHO和TRIG操作，內(nèi)帶看門狗，工作穩(wěn)定可靠。

1.5藍(lán)牙模塊

小車采用HC-05藍(lán)牙無線通信。可通過向模塊發(fā)送AT工作指令對模塊的控制參數(shù)進行設(shè)定和下達(dá)控制指令，在自動連接工作模式下，模塊又有三種工作模式，分別為主機（master），從機（slave）和回環(huán)（lookback）三種工作角色。選擇從機模式，使小車變?yōu)閺臋C藍(lán)牙，手機做主機藍(lán)牙，完成無線雙向通信控制小車做出相應(yīng)動作。

1.6語音模塊

小車采用DY-SV17F外接5W喇叭，通過上下拉電阻的方式，選擇驅(qū)動方式，采用串口方式對語音播放進行控制。

2 軟件設(shè)計

2.1自動控制智能算法

本數(shù)據(jù)編寫PID函數(shù)解決返回實時轉(zhuǎn)速精準(zhǔn)，控制實時轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，達(dá)到啟動迅速，轉(zhuǎn)動圈數(shù)量化精準(zhǔn)。

由姿態(tài)傳感器實時更新陀螺儀數(shù)據(jù)編寫兩次pid函數(shù)，控制電機轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)速以及舵機轉(zhuǎn)動達(dá)到角度精準(zhǔn)控制，保證了前進的角度直線行駛。在轉(zhuǎn)彎過程中，給定需要轉(zhuǎn)動的角度，迅速做出反應(yīng)，達(dá)到精準(zhǔn)可調(diào)轉(zhuǎn)動角度，如圖2所示。

2.2紅外循跡模塊工作流程

本模塊設(shè)計的主要作用是利用光電二極管對于不同色差吸收程度不同，幫助小車規(guī)劃路線。通過設(shè)置紅外傳感器距離遠(yuǎn)近，優(yōu)化小車的運行。本設(shè)計利用四個光電傳感器，探測前方地面反射光的強度，最終得到前方路面的具體情況，將探測出的數(shù)據(jù)輸出為不同的電平信號，確定轉(zhuǎn)向，進行循跡。

本模塊首先設(shè)置P2.1，P2.2，P2.3，P7.3為輸入I/O口，順序依次從左至右。左側(cè)兩個光電傳感器其中一個檢測到黑線，最右邊也檢測到黑線，小車向右轉(zhuǎn)行駛;否則，若右側(cè)兩個光電傳感器其中一個檢測到黑線，最左側(cè)也檢測到黑線，小車向左轉(zhuǎn);否則，若只有最右側(cè)檢測到黑線，小車向右轉(zhuǎn)行駛;否則，若只有最左側(cè)光電傳感器檢測到軌跡，小車向左轉(zhuǎn)行駛;否則，當(dāng)只有右側(cè)第二位光電傳感器檢測到軌跡時，小車向左微轉(zhuǎn);否則，當(dāng)只有左側(cè)第二位光電傳感器檢測到軌跡時，小車向右微轉(zhuǎn);當(dāng)小車中間兩個光電傳感器同時檢測到黑線時（兩個指示燈亮），小車保持直行，如圖3所示。

2.3 超聲避障工作流程

將超聲波模塊固定在轉(zhuǎn)向舵機的正上方，舵機轉(zhuǎn)動超聲波探頭，測量前方距離。超聲波發(fā)出信號，定時器清零，定時器啟動，收到回波后關(guān)閉定時器，通過定時器測出距離，若距離大于60 cm，直線行走，小于60cm，再通過判斷左右側(cè)距離，決定轉(zhuǎn)向，再繼續(xù)直線前行。避障過程中的轉(zhuǎn)向帶上PID反饋調(diào)節(jié)，結(jié)合定時器中斷，達(dá)到指定角度轉(zhuǎn)向，如圖4所示。

2.4語音檢測過程

首先，將數(shù)據(jù)信號從單片機MSP430F5438通過固定的串口協(xié)議發(fā)送給語音模塊，語音模塊譯碼聲音信號后，通過揚聲器轉(zhuǎn)換高低電平輸出聲音信息，完成語音控制和語音提醒。

自行設(shè)定障礙物檢測距離，當(dāng)小車檢測在這個距離之內(nèi)存在障礙物時，小車的控制系統(tǒng)會發(fā)出提前錄制好的語音播報，如“前方有障礙物，請注意避讓”“請左轉(zhuǎn)”等。

檢測是否存在前進信號，若存在，則對應(yīng)I/O變?yōu)榈碗娖剑笄斑M語音，不存在前進信號，再判斷是否存在后退信號，存在則后退，不存在后退信號，再判斷是否存在轉(zhuǎn)向信號，再判斷是否左轉(zhuǎn)，若有左轉(zhuǎn)信號，再根據(jù)微調(diào)信號播報語音，右轉(zhuǎn)信號同理，如圖5所示。

3測試方案與測試結(jié)果

3.1測試方案

（1）硬件測試：測試光電二極管輸出距離調(diào)整至合適距離，超聲波回傳距離參數(shù)是否正常等。

（2）軟件仿真測試：邏輯性可行，編譯器無報錯信息，時鐘配置正常。

（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)：通過編寫程序連接硬件，觀察單片機寄存器內(nèi)部參數(shù)是否正常并反復(fù)測試濾波參數(shù)。

3.2 測試條件與儀器

（1）使用電膠自制跑道;

（2）使用仿真器觀測設(shè)置變量參數(shù)變化;

（3）使用示波器觀測所調(diào)PWM波;

（4）使用萬用電表測量電路各處電壓通斷等;

（5）熱熔槍、鑷子、老虎鉗等。

3.3 測試結(jié)果及分析

設(shè)計安裝的智能導(dǎo)盲小車，自動避障功能良好，可靠性99.8%，在預(yù)設(shè)的軌道上，超聲波測得距離數(shù)據(jù)對實時路況進行判斷，小車的各種姿態(tài)配合控制成功避障，準(zhǔn)確率99.5%，語音識別率100%。

4結(jié)束語

本文設(shè)計的智能導(dǎo)盲小車，成功實現(xiàn)小車的自動避障循跡功能， 采用超聲波傳感器結(jié)合一個轉(zhuǎn)向舵機測距， 在設(shè)置的軌道上能通過超聲波傳感器所測距離數(shù)據(jù)對四周平面距離進行判斷。小車的姿態(tài)控制精準(zhǔn)精確、穩(wěn)定性強。語音識別為用戶提供了輕松、方便的人機交互界面，使盲人從家里能方便到達(dá)小區(qū)的辦公室、餐廳、超市、娛樂場所等，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】