基于MSP430的坡道行驶小车研究设计

段学涛 黄烽 杨梓怡 赵锶婷 初明川

摘要：小车是由MSP430F5529板卡、稳压模块、驱动模块、红外寻迹模块以及小车机械结构组成的外形尺寸不大于25cm 25cm，重量小于1.5kg的四轮电动小车，使小车能模拟汽车在坡道行驶时的状态。它先由电池给驱动模块供电，并设有稳压模块实现小车的稳压供电，有效提高了电能的利用率。ST188红外模块接收发送信号，MSP430F5529系统板对收到的信号进行处理运算，输出PWM波给电机，并由高精度编码器进行速度反馈，形成闭环系统，使电机输出速度更加精准，从而达到寻迹的目的。通过对坡道行驶小车的设计，为实际生活中汽车更好的上坡提供设计思路。

关键词：四轮电动小车;MSP430F5529板卡;PWM驱动;红外寻迹;坡道

0 引言

现阶段，不论是出门旅行或是下乡回家，汽车不可避免需要上坡，若上坡时发动机无法提供足够的动力去抵消重力在水平方向的分力以及向上前进的动力，将会导致汽车下滑，而汽车下滑又将导致发动机损伤，减少汽车使用的寿命，因此研究如何让汽车更好、更快、更稳的上坡成为了一个值得思考的问题。

为此设计出了一种基于MSP430F5529低功耗主控芯片，使用PID控制算法，以黑白线为上坡前进的模拟道路，通过ST188红外传感器识别黑白线前进行动，并将行驶过程中所有的速度参数都显示在OLED显示屏上，并通过SYN6288对行驶的状态进行播报，方便用户随时得到坡道小车的行驶状态。

1 系统模块选择

1.1MCU主控模块选择

选择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。它的内核是16位RISC的混合信号处理器，指令速度高达25MIPS。工作电流极小，并且超低功耗，仅需要1.8～3.6V电压供电，常规模式耗电仅250μA/MIPS。强大的处理能力，高性能模拟技术及丰富的片上外设，十分适用于坡道行驶电动系统。

1.2电机选择

采用直流减速电机TT马达，此电机抗干扰能力强且带强磁，在6V电压下，空载电流<200mA。空载转速为200+10%rpm。3V电压下依然能有一定转速，足以带动小车跑。机械结构利于安装，减速直流电机通过单片机控制差速进行转弯快捷方向性好;马力足，在低功率下依然有一定的续航能力，配合配套的亚克力板底盘组装起来十分稳当，且容易扩展。

1.3驱动模块选择

采用TB6612FNG电机驱动板模块。此驱动相对于传统的L298N效率上提高很多，体积也大幅减少，在额定范围内，芯片基本不发热，且内置过热保护和低压检测关断电路，PWM控制的频率可达100kHz。TB6612采用的是双H桥驱动电路，体积小，效率高，稳定性高，可以通过四个口控制两路电机的正反转，性能比较高。

1.4循迹模块选择

使用ST188红外传感器。它结构简明，实现方便，成本低廉，可以时刻反应识别的线段，其抗干扰能力强，检测到黑线时，红外传感器中的EC端不导通则不会电平输出，当检测到白线时，红外传感器中的EC端导通有高电平输出，测量精准无误。

2 系统总体方案设计

為了更好的模拟汽车在坡道上的行驶，使四轮电动小车在不同的坡道上，沿着指定路线自动循迹骑线匀速行驶。整个系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用ST188红外传感器对路面信号进行检测，即利用红外线发射在黑白颜色的物理表面具有不一样的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收，输出口产生一个高电平;如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，输出口产生一个低电平。经过比较器处理之后，发送给MSP430F5529主板进行实时控制，输出PWM波，使用闭环系统，调试PID精确控制误差，通过编码器进行反馈，相应的信号给TB6612驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。在软件方面，编程实现小车前进、停止的精确控制以及让检测数据在OLED12864显示，并通过SYN6288进行语音播报。通过按键选择不同的模式，对电路的优化组合，使小车可以完成设定时间，不同坡度的自动循迹行驶。

3 系统理论分析与计算

3.1爬坡受力分析

根据物理学和运动学原理，如图，当小车沿斜面向下的分力F下=mg sin⁡θ 和沿斜面向上的静摩擦力f静相等时，小车平衡在斜坡。改变斜坡倾角θ的大小，得到能使小车平衡在斜坡的最大倾角θ_max，测量得θ_max。即对于普通小车所能上坡的最大角度为45°。

根据物理学和运动学原理，当电机上电时，电机带动车轮旋转。小车沿斜面向下的分力F=mg sin⁡θ 小于沿斜面向上的静摩擦力f静。小车向上运动爬坡。由于采用主动轮前驱的方式爬坡，当普通车轮的静摩擦力f静不够大，爬坡高度不理想时，通过对车身前段负重，让小车整体重心前移，使静摩擦力能够充分大，达到更好的爬坡高度。

3.2 小车控制方法分析

小车的运动是一个输入连续变化量且输出量连续的过程。在连续的闭环控制系统中，按输入偏差，输出通过比列，微分，积分进行联合计算控制的PID控制技术是一种应用最广泛的控制方式。它具有易于实现，适用面广等一系列优点。连续PID控制器也称比列—积分—微分指控器，即过程控制是按误差的比列，积分和微分对系统进行控制。

PID算法的控制数学模型为：

本系统采用PID算法来控制电机的输出转速。编码器通过齿轮运转不断采集电机的转速，与系统设定的速度进行比较，得到偏差，通过PID闭环系统使得小车的速度达到设定的需求。PID算法由误差放大响应比例P、角度误差积分I和角度微分D组成。使其小车笔直前行。

本程序采用PID控制，能够加大系统的反应速度，并精确控制电机的输出速度。

4 系统总程序设计

打开纽子开关，各模块进行初始化，OLED显示屏上显示当前需要上坡的角度以及相应的速度输出，按下启动键，小车立刻启动，开始向上做爬坡运动。与此同时，红外不停将高电平与低电平信号发送给单片机，单片机进行处理后，反馈相应的信号给驱动模块，驱动处理后控制电机以不同转速转，实现在指定路径上寻迹的功能。行驶的过程中，与电机联动的编码器，不断进行速度的采集，将采集回来的速度与设定的速度进行比较做差，得到一个偏差，送入程序中设定的闭环控速系统，经过前面所述的PID数学控制模型，得到一个快、准、稳且能够保证小车顺利上坡的速度。当小车检测到终点时，电机停止转动，语音播报系统发出“停止”的声音，示意用户到达目的地。

5 参考文献

[1]王宇.基于MSP430F5529的小车自动寻迹系统设计[J].电子技术，2017，46（06）：59-60+56.

[2]肖谊.基于光电传感器的循迹小车设计[J].数字通信世界，2018（03）：55+65.

[3]吴祥飞，何恩节，郑磊，陈宏茂.基于光电传感器的智能车寻迹系统[J].现代计算机（专业版），2018（22）：71-74.