1、基于MSP430的智能搬运小车设计基于MSP430的智能搬运小车设计所在院系:通信与信息工程 作 者: 日 期:2015年5月25日基于MSP430的智能搬运小车设计摘 要本设计主要分为两大部分,可遥控搬运小车和控制终端。搬运小车采用MSP430单片机作为主控制器,光电传感器,超声波模块,无线通信模块,通过光电传感器进行循迹,超声波测距对物体进行检测,采用NRF24L01无线遥控对小车进行控制,自制简易搬运架实现对物体的搬运。小车有自动循迹和遥控两个模式,自动循迹模式下可实现固定路线上的物品检测并搬运到固定地点。关键词:MSP430,物体搬运,循迹小车,无线遥控1 引 言运货是各个行业不可或缺
2、的过程,人工运货随着经济的快速发展,不能完全满足市场的需求。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支,出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院的Nils Nilssen和charles Rosen等人,在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人,目的是将人工智能技术应用在复杂环境下,完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此,移动机器人从无到有,数量不断增多,智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。 本设计中的可遥控智能搬运小车可以由无线终端控制到达搬运场地,并自主循迹并搬运物体。在后期开发中,可以安装
3、不同的末端,以广泛应用于机床上下料,冲压机自动化生产线,自动装配流水线,码垛搬运,集装箱等的自动搬运,大大减轻了人类繁重的体力劳动,具有广阔的市场前景。2 方案设计与论证2.1 总体方案描述本设计主要分为可遥控搬运小车和控制终端两个部分。搬运小车由循迹模块、超声波测距模块,无线通信模块和搬运架组成,小车可在区域中利用超声波测距检测到物体并定点的搬运物品,通信模块可以实现控制终端和小车的无线通信,搬运架可以移动物品。控制终端由24L01遥控模块和键盘控制电路组成,控制终端可以通过键盘来控制小车的动作,使其到达预想的搬运区域,然后可以切换到自动循迹并搬运物品的模式。系统结构图如下图。图2-12.2
4、 主要模块设计方案的比较与论证2.2.1主控制器模块方案一:采用ATMEL公司的AT89C51作为控制核心。51单片机价格便宜,应用广泛,但运算速度较低,内部资源较少,功能单一,且自身功耗相对较高,难以满足本设计的要求。方案二:采用16位低功耗单片机MSP430作为控制核心。它具有丰富的I/O口与外部中断,处理能力强、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高效的开发环境。由于MSP430的功耗比51的低且其I/O口多,运算速度快,所以本设计选择方案二。2.2.2测距模块方案一:采用红外测距,利用单片机来产生信号对红外线发射管进行调制发射,发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来,外界对红外信
5、号的干扰比较小,但设备相对复杂。方案二;采用超声波测距,超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物便反射回来,再被超声波传感器接收。即能准确测量出与物体的距离。由于超声波测距模块电路方便搭建,本设计中采用方案二。2.2.3电机模块方案一:采用直流电机,具有较大的启动转矩和良好的启动、制动性能,易于在较宽的范围内实现平滑调速,但结构复杂,成本高。方案二:采用舵机,角度可以保持在驱动当中,稳定性好,结构紧凑,易于安装,控制简单,大扭力,成本低。出于稳定与精确控制等综合考虑,本设计采用方案二。2.2.4遥控模块方案一:采用红外遥控模块,利用波长为0.761.5m之间的近红外线来传送控制信号,低功
6、耗,电路简单,需要直线对准控制,而且不稳定。方案二:采用NFR24L01无线通信模块,nRF24L01是一种低功耗射频芯片,功耗较低,数据率较高,数据无线传输,可以任意角度控制,便于开发,成本也低。出于方面考虑,本设计采用方案二。3 硬件实现3.1 光电传感器小车的路线检测部分是整个小车最重要的,就如同人的眼睛。故采用光电传感器GP2A25实现要求。黑色和白色路面对光的反射程度不同,白色反射程度强,黑色反射程度弱。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被装在小车上的接收管接收;当红外线遇到黑线时红外光被吸收,小车上的接收管接收不到红外光。当光电传感
7、器检测检测到黑线时,将输出一个高电平的信号给单片机。当光电传感器检测检测到白色区域时,将输出一个低电平的信号给单片机.单片机按照光电传感器反馈回来的信号来确定小车的位置,判断小车是否偏移轨道。部分电路图如图3-1所示。图3-13.2超声波测距超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段,必须产生超生波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器,习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送器和接收器,但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超声波;而在收到回
8、波的时候,则将超声振动转换成电信号。 超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF(time of flight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间,再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。本设计利用超声波测距模块来检测是否有物体存在,电路仿真如图3-2所示。图3-23.3 24L01无线通信本设计中采用NRF24L01无线通信模块来完成遥控功能,NRF24L01是一款工作在2.4-2.5GHz世界通用ISM频段的单片收发芯片,无线收发器包括:频率发生器,增强型 SchockBurstTM 模式控制器,功率放大器,晶体放大器,调制器,解调器,输出功率频道选择和协议的设
9、置可以通过SPI接口进行设置极低的电流消耗,当工作在发射模式下发射功率为6dBm时电流消耗为9.0mA 接受模式为12.3mA掉电模式和待机模式下电流消耗模式更低。具有高速率,多频点,低功耗,低应用成本和便于开发等特点。与单片机连接的电路图如3-3所示。图3-34 软件实现4.1小车程序设计小车部分是整个设计的主体,设计流程图如下:图4-1 4.2遥控模块程序设计 遥控模块是本设计的亮点,程序设计流程图如下: 图4-25 测试整个系统的设计以单片机为核心,利用了多种传感器,将软件和硬件相结合。本系统能实现如下功能: (1)可以遥控进入循迹搬运区域,自动沿预设轨道行驶,小车在行驶过程中,能够自动
10、检测是否有需要搬运的物品。若有偏离,能够自动纠正,返回到预设轨道上来。 (2)当小车探测到前进前方的物品时,可以自动调整,将物品搬运到指定区域,并继续返回检测路线上是否还有物品,如果有,继续搬运,没有则检测停车线停车。6 结束语在本次作品设计过程中,我们体验到了从理论到实践之间的转变过程,平时学的再多的知识都只是纸上谈兵。从开始设计该系统的功能,到方案的论证,再到最后的调试,每一步都显得是那么的重要。特别是确定方案的时候,不但要查阅大量的书籍,查找相关的专业知识,还要和知道老师和同组的同学讨论订正,在这个过程中学习到了比这次设计本身更多的知识,除此之外,在这次设计中也奠定了我对一个工业产品设计
11、的思维,收获颇丰。本设计的完成经过了很多的挫折,但是最终都被很好的解决了,其中本人的力量是微乎其微的,首先要非常感谢我的指导老师在设计的每一个环节的悉心指导,每次遇到困难的时候都是老师耐心的同我一起论证方案的可行性,并且测试其是否适用在本设计中,他的学识渊博成为了我以后奋斗的目标,他严谨的工程思维奠定了我工作的基础,他的激情激发了我对自己正在做的设计更大的兴趣,除此之外还要感谢老师的大力支持,没有他们本次设计不会这么顺利,他们对我的关怀是我倍感之至。由于时间以及精力的关系,本设计还有很大的改进空间,在以后的学习中,我会继续对本作品进行完善,努力使其更加有实际应用性。参考文献1 阎石.数字电子技术基础(5版)M.高等教育出版社,2006.2 张希等.MSP430系列单片机使用C语言程序设计M.人民邮电出版社,2004.13 沈建华等.MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用M.清华大学出版社,1992.14 胡学海.单片机原理及应用系统设计M.电子工业出版社M,2007.46 李琼瑞.国外最新应用电路设计精选M.电子工业出版社,2000.77 康光华主编模拟电子技术基础M.高等教育出版社.2006.1.8 胡寿松主编自动控制原理(第五版)M科学出版社.2007.6. 附 录