摘 要： 为了减少在道路修建时压路工人受路面的恶劣环境影响的问题，在此设计了智能无人压路小车来代替有人驾驶压路车。该小车由红外传感器模块实现对车体前方环境检测，以MSP430G2553单片机为控制核心，对传感器所采集到的数据进行比较处理，同时通过控制L298驱动模块实现直流电机的正反转，从而实现车体的移动、转向、变轨等动作。另外采用无线收发模块用以实现压路小车的无线控制，最终可实现智能压路小车的自动控制和遥控控制2种工作模式。
关键词： MSP430G2553； L298驱动； 无线遥控； 智能压路小车
中图分类号： TN919⁃34； TP23 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2014）22⁃0098⁃03
Design of intelligent roller based on MSP430 microcontroller
ZHANG Guo⁃qiang， BAI Ming⁃xiong， KANG Qi， ZHANG Ji
（College of Ming De， Northwest Polytechnical University， Xi’an 710124， China）
Abstract： In order to reduce the harm to workers’ health by the harsh environment when roads are constructed， an unmanned intelligent roller was designed instead of manned roller. An infrared sensor module is used to detect the front environment. The microcontroller MSP430G2553 is taken as the control core to compare and process the data collected by the sensor， and control the L298 driver module to realize the forward and reverse rotation of the DC motor for movement， turning， track change and other actions of the roller. In addition， a wireless transceiver module is used to control the roller. The two working modes （autonomous control and remote control） for the roller were realized ultimately.
Keywords： MSP430G2553； L298 drive； wireless remote control； inlelligent roller
现代工程越来越趋于无人化的自动控制，传统的人工控制将逐渐被智能控制所替代。压路机的无人化自动控制是指在某一块设定区间范围内，压路机实现自动无人压路，另外还可以通过无线遥控器对无人压路机的工作状态进行控制。这既解放了生产力，又提高了生产效率。
1 系统硬件设计
系统总体框图如图1所示。系统以MSP430G2553单片机作为控制器，处理传感器和无线收发器接收到的信号，通过2个L298芯片控制4个直流电机正反转改变车体的运动状态，实现自动控制和遥控控制2种工作模式。自动控制工作模式是通过红外线传感器模块对压路小车前方的环境进行检测，接收到的信号送给单片机通过程序输出不同的控制信号。由于MSP430G2553是一款超低功耗的单片机，所以通过COMS非门电路对单片机输出的信号进行隔离，从非门出来的信号对L298进行控制，实现直流电机的正反转控制车体的运动状态。遥控控制工作模式是通过遥控器发射电磁波信号，无线接收器将接收到的信号进行编码输入到单片机内，单片机通过程序对接收器输送进来的数据进行处理，并输出相应的控制信号对压路机车体的运动状态进行控制。
图1 系统总体框图
1.1 红外线传感模块
红外线传感器主要包括发光二级管、光敏二极管、多级放大器、A/D转换。红外线发射电路使发射管发射红外光，经过障碍物反射后，由接收电路中的光敏二极管接收反射回来的红外线，根据光敏二极管是否接收到红外线来判断前方是否有障碍。接收管接收到的信号非常微弱，要把这样的信号放大到足以带动负载，必须经多级放大，以满足工程要求。光敏二极管会产生一个与光强相对应的电流。电流经由运算放大器多级放大后，再经过A/D转换后输出。系统选取的红外线传感器采用负反馈模拟运算放大电路，具有高增益稳定性、宽放大器通频带与低非线性失真和噪音3大优点，并且负反馈还有对相应的输出量进行自动调节作用[1⁃2]。
1.2 隔离电路
MSP430G2553是一款超低功耗的单片机，带载能力有限，且引脚输出为3.3 V左右[3]。而L298芯片所需要的输入控制信号为5 V，所需的电流相对MSP430G2553较大，很容易造成单片机过载工作，导致电流过大烧毁单片机。因此对单片机的输出控制信号通过74HC04反相器进行隔离，使它有足够的带载能力驱动L298芯片，74HC04具有高输入阻抗，低功耗，带载能力较强等特点[4]。隔离电路如图2所示。
图2 隔离电路
1.3 L298驱动模块
L298集成了2个H桥，搭成H桥臂的是2个NPN型三极管和两个PNP型三极管，这4个三极管的各个参数相同，控制三极管的导通与截止的是4个与门电路，与门的一个输入为控制信号的输入，另一个输入口为信号输入控制口，控制输入信号的通过与否来调节直流电机转速。
1.4 直流电机
压路机需要足够的动力才能将碾轮驱动起来，用4个直流电机作为系统的动力系统。在该系统中采用额定电压为6 V，转速为60 rad/min直流减速电机。通过控制每一个直流电机转动时间来控制车体的运动状态。对于该系统的直流电机来说不仅要正转还要反转。当电机正常正转的时候突然给电机一个反转的信号，电机就会迅速的反转。这样对电机转子的扭力非常大，且由楞次定理可知电机两端的电压会迅速增高，很容易造成电机的烧毁。基于上述问题在电机的两端接一个电容，这不仅可以削减反向电压瞬间的峰值，也可以使瞬时流过电机的峰值电流得到缓冲作用[5]。
1.5 无线收发器
由于工地环境复杂多变，系统增加了遥控控制方式，通过控制遥控器对该压路机的工作状态进行人为干预。这不仅有利于安全施工还有利于弥补人工智能的缺陷。
遥控一般是以电磁波或红外线为数据传输介质，实现指令的传送功能。遥控器发送的数据要经过加密编码、调制、载波输出信号。接收模块，则进行相反的操作，提取出遥控器发射过来的命令，再由MCU执行相应的命令。无线遥控，有基于电磁波和红外线两种。红外遥控距离短，只能直线方向遥控。电磁波的遥控具有衍射作用，能跨越一定的屏障，遥控时也不需要直线。电磁波无线遥控，就是在发射端发射一定频率的电磁波，接收端只提取出相同频率的电磁波信号，并经过解码得到发射端的数据[6]。
2 系统软件设计
算法流程图如图3所示。
图3 算法流程图
所设计的程序算法主要用以使压路机在无人状态下对一固定区域进行自动的碾压，而对于压路机对区域面积的碾压次数（多少遍），可以通过程序来控制，程序设有两个参量供修改。如下列程序：
a=k/20；
if（i==2*a+1）
{stop（）；
P2IE=0；}
K是指施工单位的区域的宽度，20是指车宽，A就是指压路机来回调几次头可以完成对整个区域的碾压；程序中的2表示的是碾压一个来回，若让压路机碾压两个来回，则改为4，以此类推。 工作过程示意图如图4所示。
假设车宽20 cm，工地宽为80 cm，那么只需要当压路机到达另一头后掉头（即变轨），这样只需要4次，也就是红外传感器只需要探测到4次障碍物就可以了，但是到了第4次，即图中4处时，需要的操作的不是掉头（即变轨），而是原地的掉头，此时需在程序中加个i=4来判断什么时候掉头，而i是由工地宽度和车宽来确定的。如果车还要原路返回，那么原先由左向右开始的时候，是i为奇数的时候右掉头（即变轨），i为偶数的时候左掉头（即变轨），原路返回时，掉头次序全变，所以在i=4的时候，再多进行一次i++，这样就又变回了奇数右掉头，偶数左掉头。
图4 工作过程示意图
3 结 论
该系统只需要一个红外探测器就可以实现来回无人智能碾压，压路机在无人控制的情况下可以在工人设定的范围之内自动工作，只要小车来回多次工作就可以压完工人所希望的面积，很大程度上可以减轻工人的劳动强度。而且还配备有遥控模块，更是贴近了人性化。
图5 智能轧路小车
参考文献
[1] 颜全生.传感器应用技术[M].北京：化学工业出版社，2013.
[2] 韩裕生，乔志花，张金.传感器技术及应用[M].北京：电子工业出版社，2013.
[3] 洪利，章扬，李世宝.MSP430单片机原理与应用实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，2010.
[4] 史健芳.智能仪器设计基础[M].2版.北京：电子工业出版社，2012.
[5] 杨素行.模拟电子技术基础简明教程[M].北京：高等教育出版社，2006.
[6] 丁镇生.传感及其遥控遥测技术应用[M].北京：电子工业出版社，2003.