基于單片機的智能搬運車的結構設計目錄TOC\o"1-2"\h\u80861緒論 1107221.1課題研究的目的和意義 1326731.2國內外研究現狀 2271141.3設計任務與要求 3195051.4本文內容安排 3222502方案論證 490272.1系統工作 4135962.2方案設計 596243硬件設計 65103.1元器件選擇 6172623.2各單元電路設計 1268264軟件設計 1892164.1循跡子程序 18301594.2小車位置確定及物體搬運 1997564.3計數/計時子程序 2057525設計調試 21108285.1軟件調試 21179265.2硬件調試 2370145.3實物調試 231緒論1.1課題研究的目的和意義國內物流技術發展越來越快，從而促進了電動搬運車的發展與研究，目前，這種類型的汽車在工業產品中應用極其廣泛，給工業發展提供了便捷。國內外的許多汽車制造商都已經對此類產品有了合格且完善的生產線，在生產過程中，自動搬運車的轉向性能好壞是生產中最為關鍵的一項指標，它直接影響汽車行駛的安全性和穩定性。高品質，操縱簡單，結構緊湊，電控系統反應靈敏，適用于比較狹小的空間等都是電動貨物搬運車的優點。目前市場上出現的各類電動系列產品，價格合理且適用范圍較廣，市場競爭較為激烈。對這類產品的研究有極高的市場價值，隨著智能化的發展，人們對這種自動搬運車的需求越來越大，希望可以用它們取締傳統的人工運輸，不僅提高了效率，還節省了很大的一部分資源，市場認可度較高。近幾年在工業現場中，大部分還在采用人工的操作方式，在極其惡劣的環境中顯然是比較危險以及不方便的，所以我們對智能搬運車的研究更要加快速度。目前市面上的智能搬運車已經在很多行業中得到廣泛應用，例如：醫療、救援、焊接、檢測等。智能搬運車的研究主要集中在自動駕駛功能上，這類研究對未來社會的發展有極其重要的作用，使用智能替代人工，將大大減少人力資源的浪費，而且自動駕駛也會為道路網絡提供便捷，同時，我們所研究的電動小車，不僅可以實現對環境的零污染，而且還大大減少了油耗。1.2國內外研究現狀目前，國內的電動汽車主要用于居家旅游以及貨物的運輸。電動旅游車的主要應用在公園，景點，娛樂中心，大學，醫院，高爾夫球場和其他地方來進行載客。電動貨物搬運車目前運用在物流倉庫、碼頭、工廠等。一般情況下，電動車的使用壽命大概為八年到十年左右，電動車所搭載的蓄電池大概可以使用一年到四年之久，這個結果取決于電池的維護與保養。電動汽車的發展歷史：起源于1880年，用作私家車和城市公共交通工具。人們所說的電動車可行駛里程短以及速度慢等是它的缺點，但是它的靜音性和較低維護成本使它很受歡迎。在二十世紀二十年代之前，裝載有電池的汽車與傳統的使用汽油的汽車開始競爭。后來，隨著汽車的發展，出現了遠程一鍵啟動等新型功能，使汽油動力汽車更具吸引力，并且批量生產使得傳統汽油車的制造成本變得越來越低，電池動力汽車的數量開始減少。在歐洲，電動汽車已經被應用在貨物運輸行業，二十世紀七十年代，各國都開始對電動汽車進行新的研究，尤其考慮到電動汽車不需要耗油且對環境污染小的特點，使得一些石油資源匱乏的國家投入大量資源財力對電動汽車展開研究。盡管我國對電動車的研究開始的較早，但發展速度還是無法趕超發達國家，甚至差距越來越大。當時，電池行業以及電機行業的落后使得電動車的研究一直處于停滯狀態。改革開放期間，工業生產開始追求自動化，在貨物搬運行業也有了重新定義，要求變得越來越高。室外搬運作業限制少，而對于處在室內和半室內的操作，情況更為復雜，操作起來更具有難度性。現代社會中，對污染和噪音的要求越來越高，還需要考慮所經過的通道寬度、門限以及承重。普通卡車難以解決諸如防爆和人員在個別情況下難以接近之類的問題。然而，電動車的出現使得這些難題得以解決，電動車在驅動和能耗方面占有絕對優勢，電池質量的提升，充電設備的更新換代，電動控制的飛速發展等都對電動車的發展產生極大的影響，各項技術的不斷出現，使得電動車的舒適度、安全性、穩定性都得到了提高，極大的提高了運行效率并大大減少了維護費用。新世紀的發展追求零污染，少污染的目標，因此，電動汽車的出現無疑是解決了這個難題，在環保的要求下，電動汽車是唯一可以實現零排放的機動車，科學技術的進步與發展以及新型材料的研發，使得電動汽車進入了快速發展的階段。自動搬運車，顯而易見是為了實現無人駕駛所設計的新型汽車產品，屬于現代物流處理自動化的有效手段，因此，自動搬運車在現實社會中得到的廣泛的應用，人們對它的需求也越來越大，致使我們對自動搬運車的研究具有理論意義和現實意義。車輛在行駛過程中，肯定少不了對道路的檢測，因此，我們必須要用到各式各樣的傳感器，市面上出現的傳感器種類豐富，功能各不相同，其中視覺傳感器成為了車輛自動行駛的重要組成部分。傳統的視覺傳感器，例如：攝像管，但其尺寸，價格和用途并沒有優勢。因此，當車輛不需要特別清楚的圖像處理與識別功能時，紅外傳感器成為了更好的選擇。1.3設計任務與要求該設計是根據生產實踐而確定的設計類課題。主要設計任務是：1.完成小車的自動循跡功能。2.小車到達指定地點之后自動完成取物卸物功能。3.在小車運行的期間記錄小車搬運所需的時間及貨物數量。1.4本文內容安排根據題目的要求，展開對該系統的初步設計，該系統由硬件、軟件及實物三部分組成，硬件以AT89C51為核心，我們稱之為小車的大腦，其次由控制各個功能模塊的硬件電路組成。軟件我們通過對各個功能模塊理解，將功能通過代碼的形式編譯出來，將編譯程序寫入到硬件部分的核心芯片中，從而實現小車各個功能的運行。 全文首先介紹了該設計目前的研究狀態，其次對小車的設計部分開始一一解析，最后我們將小車要實現的各個功能進行整理，通過軟硬件分析及實物的調試，從而完成對小車循跡、取物、計時計數功能的設計。2方案論證在了解了課題之后，可以初步編寫設計方案，并可以對設計方案進行演示和分析。以下是具體方案的論證。2.1系統工作該課題的主要研究內容是小車的自動搬運功能。要想實現小車的搬運功能，首先要讓小車能完整的完成自動行駛功能，小車要按照既定的路線行駛，所以，小車首先要實現從任意一點出發到達我們所設置A點，（A點即為起點），也是小車檢測貨物的點，當小車可以檢測到貨物后，小車就要完成搬運貨物的功能，將鐵片拾起并前往放物點B點，最后循環以上操作。小車在實現搬運的過程中還要自動記錄搬運所用時間及所搬運鐵片的數量。如果小車行駛到起點沒有檢測到貨物，則自動行駛到C點（停車點）停車。在小車行駛及搬運的整個過程中，使用鐵片來模擬貨物。小車在行駛以及搬運的過程中，不需要任何外部人為操作。如果小車出現故障無法行駛或者無法識別，操作者可以手動將系統復位。2.2方案設計該小車的設計由硬件和軟件兩部分組成。AT89C51作為本次設計的核心芯片，它的功能是負責控制電機檢測各個傳感器的狀態。其系統的原理框圖，如圖2.1所示。圖2.1原理框圖通過以上框圖可以知道，小車的運行是全自動不需要人工控制的，AT89C51單片機作為控制核心來控制小車的所有功能。在單片機的控制下，小車可以自動執行并完成各項功能。小車在運行狀態時，如果要完成自動循跡和自動取物放物功能，就要完成對地面黑線的檢測和對鐵片的檢測，因此選擇適合實現此功能的傳感器顯得格外的重要。實現自動循跡功能是利用光電傳感器的特性從而實現小車按照黑線行走，并通過電感式接近開關來檢測鐵片的存在，檢測到鐵片后，信號傳輸到電磁鐵，使得電磁鐵通電從而完成對鐵片的拾取。當檢測不到鐵片時，小車將通過軟件控制自動行駛到規定的位置。在整個行駛及拾取的過程中，使用LED數碼管的顯示功能，將小車拾取鐵片的數量和時間表達出來。圖2.2程序總流程圖同時，為了能夠準確實現行駛及取物功能，所以可以采用圖2.2所示程序流程圖進行設計。3硬件設計為了實現小車的自動循跡和取物放物功能，硬件的選擇就會顯得非常的關鍵，本設計中的各個功能模塊都是可以獨立實現的，所以在設計的過程中，對每個模塊的設計都要完整實現它的功能，只有這樣才能使得小車所要求的的各項功能得以體現。3.1元器件選擇根據設計要求，小車主要的實現的功能包括：自動循跡檢測鐵片并拾起放下物體行駛到設定點記錄時間和搬運數量為完成以上各個功能，我們需要對各個元器件進行選擇。3.1.1核心控制單元電路的選擇方案一：采用數字邏輯電路方案二：采用STM32控制器方案三：采用AT89C51單片機方案一簡單方便但使用元器件數量比較多而且連接復雜，運行效率低，使用體積也比較大，不利于小車的小型設計，而且信號處理也比較困難。方案二雖然性能高，數據處理能力強，但操作起來較復雜，且本設計用不到32位處理系統，方案三硬件簡潔，且各個功能易于實現。基于以上分析擬定方案三。單片機在本次設計中充當著大腦的作用，對小車的行駛及功能體現起著極其關鍵的控制作用。本設計采用的是AT89C51單片機，小車上安裝的傳感器和電機都由它控制，同類型的單片機還有AT89C52，雖然它的內存是8K，但是本次設計只需要4K就可以完成，所以我們選擇前者更為簡便。AT89C51是一種帶4K字節閃爍功能，可以實現擦除、編程等功能。他的特點就是低電壓，高性能，是一種高效微控制器。如圖3.1所示。圖3.1AT89C51如圖3.2為AT89C51的引腳圖。圖3.2AT89C51引腳圖3.1.2傳感器的選擇在黑帶檢測方面可以有以下三種方案。方案一：采用熱探測器。方案二：使用光敏傳感器。方案三：采用紅外傳感器。方案一利用它接收到的輻射，使溫度產生變化，從而影響輸出電信號，它是由于輻射導致溫度變化，而與波長沒有關系，因此它對波長無選擇性。方案二受可見光影響較大，穩定性差。方案三利用反射光的不同來進行區分運行，小車運行的時候，傳感器不斷發射紅外光線，經地面反射，小車又將反射的光線通過接收管接收，地面的黑線會將紅外光線吸收，則小車不會接收到反射光，導致小車按照黑線行駛。此方案操作簡單，易于實現。故選擇方案三。這里選用的是TCRT5000，屬于最常用的一種紅外傳感器，它可以進行黑白線檢測。如圖3.3所示。圖3.3TRCT5000TCRT5000內部的紅外發射管在運行的狀態下不停的發射紅外光，紅外光發射之后會出現反射的現象，當反射光的沒有被接收裝置接收或者反射光的強度太低不足以接收時，它內部的光敏三極管就會處于關閉的狀態，這時它的輸出為低電平，導致指示二極管無法被點亮。只有當被檢測的物體出現在傳感器檢測的范圍內時，或者反射光的強度達到接收的范圍，指示二極管才會通電被點亮。TCRT5000一般用于障礙檢測，黑白線檢測等，它一般可以檢測到1mm~8mm距離的信號，焦點距離可以達到2.5mm，優點：它的傳輸與接收信號準確，且比較容易驅動，本身設有螺栓孔，且位置固定，使得安裝變得簡單快捷。3.1.3鐵片檢測及拾取的器件選擇鐵片檢測使用霍爾傳感器實現。在本次設計中采用的是OH44E霍爾傳感器，它運行原理是依靠霍爾效應，是一種采用半導體集成技術而制造，是一種磁敏電路，它的優勢在于體積較小，并且靈敏性能比較好，響應速度快可靠性高。它的應用比較廣泛，在剎車電路、汽車點火器以及安全報警裝置等領域皆有較好的使用度。鐵片拾取采用最簡單的辦法，使用電磁鐵，檢測到鐵片電磁鐵通電對鐵片進行吸附。控制簡單方便。3.1.4車體及驅動電路選擇對于小車車體的要求有以下兩種選擇。方案一：履帶式小車方案二：選用小車車體為三輪小車方案一是由兩條履帶構成，兩個電機控制它的行駛，當兩條履帶的速度一致時小車直行，否則小車執行轉向功能。該方案雖然穩定性較高，但履帶車采購成本較高，不適用于我們本次的設計。方案二由三個輪子組成，前面兩個輪子負責驅動，后面一個輪子負責轉向，這種小車成本低，且易于實現本課題的要求。所以我們選擇方案二。所選用的四輪小車如圖3.4所示。圖3.4三輪小車小車的驅動是由我們所選的L298N芯片控制，這種芯片抗干擾能力強，并且產生的熱量較低，在日常生活中比較容易購買且價格不高。另外，它自身的工作電壓可以達到46V，是比較高的。電流最大可以達到3A，穩定工作電流為2A,額定功率較大。且該芯片采用標準的邏輯電平信號控制，內部有兩個H橋高電壓大電流全橋式驅動器，可以用它驅動直流電動機或者繼電器線圈等感性負載。并且它具有兩個控制端，可以允許或禁止器件在輸入信號影響的下有一個邏輯電源輸入端口，從而可以實現內部電路在低電壓下也可工作。此芯片還可以外部接線檢測電阻，將檢測到的電阻變化量輸送給控制電路。這款芯片可以完成一臺兩相步進電機或者是一臺四相步進電機的驅動任務，甚至可以使兩臺直流電機同時運行。芯片實物如圖3.5所示。圖3.5驅動芯片L298N3.1.5顯示器件的選擇根據設計要求，我們的小車在運行的時候，需要有顯示的功能，我們要將小車搬運貨物的時間進行記錄，并且把小車搬運的貨物數量進行技術，選擇合適的顯示器顯示出來，在這里我們選擇LCD顯示器，因為這種顯示器顯示較為直觀。本次設計采用TFTLCD1602液晶屏，該顯示屏可以同時顯示兩行字符，1602的含義就是該顯示屏有16腳接口，支持兩行字符顯示。該顯示屏功能比較豐富，涵蓋字符閃爍、清屏等。它的優勢在于體積較小，能量消耗較低。比較適合在我們此次的低功耗設計中使用。圖3.6TFTLCD1602液晶顯示屏3.2各單元電路設計通過以上器件的選擇與介紹，此次設計所用的元器件基本確定，下面介紹具體的電路設計。3.2.1傳感器及調理電路的設計在上一部分已經介紹了所選用的傳感器為TCRT5000，只有我們對其的各個引腳有了一定的了解，才可以順利的將它安裝到實物中。如圖3.7所示，藍色小燈和黑色小燈分別是傳感器的紅外發射端和接收端。引腳1：Anode引腳2：Cathode引腳3：Colector引腳4：Emitter圖3.7TCRT5000引腳圖在了解傳感器各個引腳之后，我們就可以針對設計要求設計出檢測黑帶的電路，如圖3.8所示。圖3.8循跡電路圖紅外傳感器的安裝位置如圖3.9所示。圖3.9傳感器安裝位置根據安裝圖可知，小車在行駛的過程中如果沒有按軌跡行駛，有點偏右，則安裝在小車左邊的傳感器就不會接收到反射光線，安裝在小車中間的傳感器接收到反射光線，從而使小車重新按照規定的軌跡行駛。若小車向左偏移，則安裝在小車右側的傳感器不會接收到反射光線，同理中間的傳感器接收反射光線，使小車調整合適的行駛方向。3.2.2小車運行位置確定電路的設計使用光敏電阻來確定A，B，C三點的具體位置。當發射出的紅外線沒有反射回來或者反射光強度太低，光敏三極管處于關閉狀態，此時輸出端降為低電平，指示二極管處于熄滅狀態；被測物體出現在檢測范圍內時且反射光強度足夠大時，發光三極管飽和，此時輸出端為高電平，指示二極管就會點亮，單片機內部A/D轉換也會隨著光敏電阻的阻值發生變化，通過A/D轉換來確定光的方向，從而確定小車行駛方向。其原理圖如圖3.10所示。圖3.10尋光原理圖3.2.3電機驅動電路的設計圖3.11驅動電路通過對驅動電路的設計來控制電機的轉動。圖中5、7、9、12四個引腳和單片機相連，通過編程，實現兩個電機正反轉和調速3.2.4鐵片檢測及取物電路設計鐵片檢測采用霍爾傳感器。本設計因為對于檢測速度并沒有要求，所以我們采用最普通的霍爾傳感器44E。它的引腳圖如圖3.12所示。圖3.12霍爾元件引腳圖它共有三個引腳，1號引腳接電源，2號引腳接地，3號引腳輸出。3.2.5顯示電路的設計小車在工作過程中，還要記錄搬運時間和搬運貨物的數量，所以就需要有顯示部分來展現。這里我們使用TFTLCD1602液晶顯示屏，來顯示小車搬運時間和搬運數量。下面介紹一下LCD顯示器的引腳，如圖3.13。圖3.13LCD顯示器引腳圖其中15腳和16腳分別是背光源正負極，第4腳為寄存器選擇，高電平時，選擇數據寄存器，低電平時選擇指令寄存器。第6腳E端為使能端，在E端高電平跳為低電平時，液晶模塊顯示。3.2.6復位電路及晶振電路單片機設計過程中，不可缺少的就是復位電路和晶振電路。如圖3.15所示。復位電路的作用就是使單片機狀態初始化，并從初始化運行。小車運行過程中，可能出現跑偏，或者循環一個動作，所以這時候就需要人工來按下復位按鈕，讓小車從頭開始。圖3.15晶振及復位電路4軟件設計在完成硬件設計的同時，還要進行軟件設計。這樣才能夠把軟硬件更好的結合在一起，從而完成課題。那么在這里就著重介紹下該課題的軟件設計。課題設計總程序流程圖見圖2.2所示。從流程圖中可以看到，程序從開始執行，循跡程序處于循環往復的狀態。通過紅外傳感器使得小車能夠到達取物點A，再通過感應式接近開關檢測是否有鐵片的存在，如果有鐵片，小車自動取物并且按照既定路線行駛到B點放物，若沒有檢測到鐵片，則行駛到停車點停車，程序結束。小車在放下鐵片時，計數器同步加一，并且顯示所用時間。通過LED數碼管顯示。本設計采用模塊化設計，完成總流程需要用到以下幾個模塊的子程序。1.循跡子程序2.定點取物子程序3.顯示子程序4.計時計數子程序4.1循跡子程序循跡是整個小車工作過程中都需要做的一項工作。所以，在設計中，小車循跡是整個程序的主要部分。而循跡的前提是電機轉動使小車行駛，然后再使用光電傳感器進行檢測道路，使其沿固定軌跡行駛。圖4.1循跡流程圖4.2小車位置確定及物體搬運小車位置的確定是為了，能夠使小車能夠定點取物，卸物。在這個設計里所謂定點取物，就是要使小車行駛到A點后在A點檢測到物體，并拾取物體。然后使小車行駛到B點，并把物體放在B點。當小車在A點檢測不到物體時，小車應該自動行駛到C點。下面先通過流程來簡單了解程序的設計，如圖4.2所示。圖4.2定點取物流程圖4.3計數/計時子程序下面是關于計時與計數部分的程序介紹。通過對顯示電路的設計，可以得到以下顯示流程圖。如圖4.3所示。圖4.3計數流程圖當電磁鐵第一次通電時，顯示器開始計數并且加1，斷電不計數。小車運行開始計數，直到停車結束。5設計調試在初步完成硬件設計及焊接和軟件編程以及實物運行后，發現在設計中，還存在一些問題需要解決，所以在這一部分，介紹一下對于存在的問題進行調試的過程。調試分為，軟件調試，硬件調試及實物運行三部分。5.1軟件調試1.主函數調試主函數經過檢驗是可以運行的，包含紅外信號的接收和小車左右轉向的控制。電機驅動程序調試驅動程序可以正常運行。3.實時函數調試經不斷調試，定時部分可以運行。5.2硬件調試軟件調試完成后，我們就要根據電路原理圖對電路板進行焊接與安裝，在焊接的過程中，我們要不斷的調試，并解決在調試的過程中出現的問題，直到可以實現我們各項功能。設計初，我們在對驅動電路設計的時候，一開始我們準備使用分立式元件，在電機運行的時候，發現不能完全控制電機的正反轉和調速，所以我們后來改用L298N芯片來負責小車的驅動問題，而且此芯片容易購買，便宜實惠。在控制的過程中也比較簡單，更適合我們的研究課題。在檢測鐵片的時候，最初我們是考慮使用干簧管，但是它是封裝在真空玻璃管內，玻璃管內留有一定的間隙的常開和常閉接點。所以它無法實現檢測鐵片的功能，后來在老師的建議下，我改用霍爾傳感器，以便我們更方便的檢測到鐵片。5.3實物調試經過一個月時間的實物設計與安裝，終于將實物部分結束掉了，接下來就要進行實物部分的調試。調試過程中，出現了很多問題，例如：小車在運行過程中有偶然性的停車不動的情況發生，經過不斷修改與調試，解決了這個問題。小車在吸附鐵片的時候有無法吸附的情況發生，針對這一情況，將電磁鐵的位置進行不斷的調整，因為他的吸附效果不太好，最終也能順利的吸附鐵片。經過一系列的調試，小車最終可以實現目標功能。經過小車的調試，其中黑帶檢測的結果如表5.1所示.表5.1黑帶檢測次數123黑帶檢測成功成功成功拾起鐵片檢測如表5.2所示。表5.2貨物拾取次數1234金屬拾起成功成功成功成功光源識別和探測測試小車在運行的時候，對光照強度有一定的要求，在調試的時候，因為外部光線不好，所以將小車放在室內中調試，將室內的光都關掉，使用小臺燈將小車行駛路線照亮，經過不斷的調試，最終可以達到小車順利行駛的目的。經濟效益分析社會目前在向著智能化發展，所出現的新型機器人等科研產品是當今社會人造機器的最高表現，制造行業受益匪淺，真正的實現機器代替人類，現在的機器人功能