基于MSP430單片機的智能導盲小車設計

羅文杰　郭夢婷　謝雨杉　李桂梅

摘要：本文簡要介紹了智能導盲小車的硬件設計和軟件設計。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)智能導盲，具有良好的人機交互性。

關鍵詞：智能小車;導盲;循跡;避障;語音播報

中圖分類號：TP271? ? ?文獻標識碼：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。筆者設計了智能導盲小車。

1硬件設計

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、藍牙模塊組成。硬件系統(tǒng)設計框圖如圖1所示。

1.1單片機模塊

本設計選用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定的黑色路徑位置的信號，通過對所設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藍牙模塊

小車采用HC-05藍牙無線通信?？赏ㄟ^向模塊發(fā)送AT工作指令對模塊的控制參數(shù)進行設定和下達控制指令，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藍牙，手機做主機藍牙，完成無線雙向通信控制小車做出相應動作。

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，控制實時轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向，達到啟動迅速，轉(zhuǎn)動圈數(shù)量化精準。

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)動達到角度精準控制，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，達到精準可調(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。通過設置紅外傳感器距離遠近，優(yōu)化小車的運行。本設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。

自行設定障礙物檢測距離，當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

設計安裝的智能導盲小車，自動避障功能良好，可靠性99.8%，在預設的軌道上，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，準確率99.5%，語音識別率100%。

4結(jié)束語

本文設計的智能導盲小車，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小區(qū)的辦公室、餐廳、超市、娛樂場所等，達到預期目標。

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【通聯(lián)編輯：唐一東】