智能搬運(yùn)車設(shè)計(jì)論文

1、智能搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)摘 要本設(shè)計(jì)以ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)為控制核心進(jìn)行控制，采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)及轉(zhuǎn)向，電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電磁繼電器和ULN2803芯片，電源采用雙電源分別為電機(jī)和控制系統(tǒng)供電，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。小車檢停和判斷金屬顏色傳感器采用紅外對管（紅外發(fā)光管和紅外接收管），光源檢測采用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測器，增強(qiáng)了減了檢測光源的靈敏性。采用電感式金屬傳感器進(jìn)行金屬探測，并用蜂鳴器進(jìn)行聲音提示。全過程各環(huán)節(jié)采用LCD液晶顯示。關(guān)鍵詞：AT89S52單片機(jī)，控制，傳感器Abstract The design of ATMEL Corporation AT89S52

2、microcontroller for the control of the core control, the use of DC motor-driven car forward and turn motor drive and the use of electromagnetic relays ULN2803 chip, dual power supply for the electrical power supply and control system, improve the system stability. Frederick parked car and judgment m

3、etal color infrared sensors used to control (infrared LED and IR receiver tube), light detection using photosensitive resistance and phototransistor cause photosensitive detector portfolio, enhanced by the detection sensitivity of the light source. ICP metal sensors metal detector and used buzzers v

4、oice suggested. The entire process by using LCD. Keywords : SCM AT89S52, control, sensors一.方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由控制器、電源、 直流電機(jī)、傳感器等模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。1.控制器模塊設(shè)計(jì)與論證小車控制單元的選擇 ， 此部分是整個(gè)小車的大腦，是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。通常選用單片機(jī)作為小車的核心控制單元。方案一：采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集

5、成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋光運(yùn)行的檢測以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽單片機(jī)，在語音播報(bào)的同時(shí)小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機(jī)而考慮其它的方案。方案二：采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S52型單片機(jī)作為我們的控制單元，因?yàn)樵撔蛦纹瑱C(jī)價(jià)格便宜，功能比較強(qiáng)大，性價(jià)比高，而且在市場上很容易買到。，AT89S52是一種低功耗、

6、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)。片內(nèi)集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲(chǔ)單元，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。最重要的是AT89S52為C51系列單片機(jī)技術(shù)成熟，可靠性高，而且容易查找資料，因此我們采用AT89S52單片機(jī)。 如上所述，考慮到技術(shù)的成熟性，我們采用方案二。2電源模塊設(shè)計(jì)與論證由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系

7、統(tǒng)供電。方案一： 采用10節(jié)1.5V干電池供電，電壓達(dá)到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案二：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，但我們的車體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間。重要的是蓄電池的價(jià)格比較低又可以反復(fù)使用。方案三：采用雙電源供電。用兩個(gè)電源分別給控制系統(tǒng)個(gè)電機(jī)系統(tǒng)供電，將兩個(gè)系統(tǒng)完全隔

8、離，將電機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此我們選擇了此方案。如上所述，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們采用方案三。3.電機(jī)模塊設(shè)計(jì)與論證本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對于電動(dòng)車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了以下幾種方案。方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，而且步進(jìn)電機(jī)控制相對復(fù)雜。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案二：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)

9、動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。而且具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，而且直流電機(jī)控制起來相對容易，因此我們選擇了此方案。如上所述，考慮到簡單易行，我們采用方案二。4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與論證方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電機(jī)的分壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)困難。方案二：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。此電路由四個(gè)大功率晶體

10、管組成H橋電路，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，根據(jù)調(diào)整輸入控制脈沖的占空比，達(dá)到調(diào)整電機(jī)的目的。這種電路雖然能精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速，但搭建電路卻很復(fù)雜，而且對電路要求極高，實(shí)現(xiàn)難度很大。方案三：采用繼電器對電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過控制繼電器通斷時(shí)間和開關(guān)切換速度實(shí)現(xiàn)對小車的速度進(jìn)行控制。繼電器控制電機(jī)可能存在響應(yīng)時(shí)間慢的問題，但這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)時(shí)電路較為簡單，容易實(shí)現(xiàn)。如上所述，考慮到容易實(shí)現(xiàn)問題，我們采用方案三。5.路面情況檢測模塊的設(shè)計(jì)與論證路面檢測的基本原理是：光線照射到路面并反射，由于黑色材料和白色材料的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷路面顏色。我們考慮了以下幾種

11、方案。方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測到信號，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時(shí)，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測到，其阻抗迅速降低，此時(shí)輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。方案二：用市面上通用的發(fā)射管及接收頭（紅外發(fā)射管和紅外接收管）自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出高電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出低電平。這

12、樣自己制作組裝的尋跡傳感器雖然容易受外界光線的影響，但基本能夠滿足要求，在實(shí)際應(yīng)用中也有比較好的效果，因此我們采用了這個(gè)方案。如上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案二。6光源檢測模塊的設(shè)計(jì)與論證此模塊為本設(shè)計(jì)的核心方案，是小車實(shí)現(xiàn)各部分功能的關(guān)鍵。方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。采用多路電壓比較的方式組成多各檢測支路，控制小車的前進(jìn)方向。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案二：用光敏三極管做為光敏探測器。光敏三極管把光信號轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號送入單片機(jī)處理，單片機(jī)根

13、據(jù)各路信號大小比較的結(jié)果，從而判斷各個(gè)方向光線的強(qiáng)弱，進(jìn)而調(diào)整車的前進(jìn)方向。此方案技術(shù)成熟，精度高。方案三：用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測器。我們把光敏電阻的判斷結(jié)果和光敏三極管的判斷結(jié)果綜合處理，這樣發(fā)揮了光敏電阻和光敏三極管的各自優(yōu)勢，對彼此的缺點(diǎn)進(jìn)行了互補(bǔ)。對光源的判斷更加精確、可靠。如上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案三。7金屬探測模塊的設(shè)計(jì)與論證方案一：用霍爾傳感器進(jìn)行金屬探測。但該方案受到磁鋼的磁力大小以及鐵片的大小的影響，易導(dǎo)致誤觸發(fā)，而且探測距離太短，效果不好。方案二：用電感式金屬傳感器進(jìn)行金屬探測。該傳感器靈敏度較，不易受到外界的震動(dòng)的干擾。此方案穩(wěn)定、可靠。如

14、上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案二。8最終方案確定經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：l 控制模塊采用AT89S52單片機(jī)進(jìn)行控制l 電機(jī)模塊采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車及轉(zhuǎn)向l 電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用電磁繼電器和ULN2803芯片l 電源模塊采用雙電源分別為電機(jī)和控制系統(tǒng)供電l 小車檢?？刂破髂K和判斷金屬顏色模塊采用紅外對管（紅外發(fā)光管和紅外接收管）作為傳感器l 光源檢測模塊采用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測器。l 金屬探測模塊采用電感式金屬傳感器進(jìn)行金屬探測。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖：AT89S52單片機(jī)LCD顯示電源轉(zhuǎn)向控制前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制后輪電機(jī)檢停控制模塊判斷顏色模塊光源檢測模塊金屬探測模

15、塊電源蜂鳴器二系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（1）微控制器模塊電路的設(shè)計(jì)AT89S52具有如下特點(diǎn)：40個(gè)引腳，8k Bytes Flash片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）口，5個(gè)中斷優(yōu)先級2層中斷嵌套中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,1個(gè)全雙工串行通信口，看門狗（WDT）電路，片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器。    此外，AT89S52設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式?？臻e模式下，CPU暫停工作，而RAM定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RA

16、M的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。同時(shí)該芯片還具有PDIP、TQFP和PLCC等三種封裝形式，以適應(yīng)不同產(chǎn)品的需求。AT89S52單片機(jī)的時(shí)鐘和復(fù)位電路如下：（2）電機(jī)模塊及其驅(qū)動(dòng)模塊電路的設(shè)計(jì)電機(jī)控制部分我們采用電磁繼電器進(jìn)行控制，而且前后輪電機(jī)各由兩個(gè)繼電器控制，控制電路如下圖，當(dāng)給兩個(gè)繼電器送入“10”信號時(shí)，電機(jī)做出相應(yīng)動(dòng)作，向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)給兩個(gè)繼電器送入“01”信號時(shí)，電機(jī)則做出向反動(dòng)作，即向反方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而給兩個(gè)繼電器送入“00”或“11”信號時(shí)，電機(jī)不做任何反應(yīng)。用這種方法控制前輪的左右轉(zhuǎn)向，控制后輪的前進(jìn)與后退操作簡單，容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)我們使用發(fā)現(xiàn)，此方法實(shí)際應(yīng)

17、用中十分可靠而且方便。電機(jī)模塊及其驅(qū)動(dòng)電路如下圖：（由于后輪驅(qū)動(dòng)電路與前輪電路一樣，故省略未畫）接單片機(jī)（3）檢停紅外對管及其電壓比較電路的設(shè)計(jì)紅外對管判斷顏色的原理：小車在白色地板上行走判斷黑線，通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3cm。本設(shè)計(jì)對于發(fā)射

18、和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。自制紅外探頭電路如圖所示，紅外光的發(fā)送接收選用對管。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時(shí)，表明小車行駛在白色地面上。此種方法簡單，價(jià)

19、格便宜，靈敏度可調(diào)，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在較強(qiáng)的日光燈下，對檢測到的信號有一定的影響。但我們把車體前端和上端進(jìn)行了有效的遮擋后，效果已經(jīng)完全可以滿足要求。檢停紅外對管和電壓比較電路圖如下：（實(shí)際應(yīng)用兩組，圖中只畫一組）此處用LM339作為電壓比較器。下圖為LM339外型及管腳排列圖：LM339的原理：接收的紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)LM339進(jìn)行比較，產(chǎn)生高電平或低電平返回給AT89S52。LM339集成塊采用DIP-14型封裝，上圖為其外型及管腳排列圖。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱

20、為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng) “-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，把 LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極。輸出信號進(jìn)入LM339。穩(wěn)定性能得到提升。當(dāng)小車低部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時(shí)輸入電平為低電平，反之為高電平。結(jié)

21、合中斷查詢方式，通過程序控制小車是否前進(jìn)。（4）判斷金屬顏色紅外對管電路的設(shè)計(jì)此處紅外對管的用法與上面相同。只是A/D轉(zhuǎn)換用的是TLC1543.判斷金屬顏色的紅外對管及其A/D轉(zhuǎn)換電路如下：（5）金屬檢測模塊電路的設(shè)計(jì)該部分采用金屬探測器探測金屬，該金屬探測器共有三個(gè)接口：接地，接電源，另外一個(gè)為輸出，其探測有效距離為12mm，滿足我們的要求。金屬探測器的工作原理是：金屬探測器頭部有一電感線圈，當(dāng)探頭接近到金屬時(shí)，相當(dāng)于在線圈內(nèi)增加一個(gè)磁芯，由公式R=jwL可知當(dāng)頻率恒定，電感增加時(shí)，感抗發(fā)生變化，該變化產(chǎn)生的高低電平感應(yīng)信號被送入單片機(jī)。此功能工作過程是：沒有信號時(shí)，探頭輸出的一直是高電平。

22、當(dāng)探測到金屬時(shí)，電平由高置低。單片機(jī)收到信號后，進(jìn)行相應(yīng)的處理并完成檢測金屬片的功能。金屬傳感器的電路圖如下：（6）光源檢測模塊電路的設(shè)計(jì)此處我們采用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測器。這樣設(shè)計(jì)是為了更好地檢測光源。在車前面安裝兩個(gè)光敏電阻和兩個(gè)光敏三極管，在車后面安裝兩個(gè)光敏電阻。光敏三極管是利用PN結(jié)在施加反向電壓時(shí)，在光線照射下反向電阻由大變小的原理進(jìn)行工作的。光敏三極管當(dāng)無光照射時(shí)，反向電流很小，即暗電流很??；當(dāng)有光線照射時(shí)，在光的激發(fā)下，光敏三極管內(nèi)產(chǎn)生大批“光生載流子”，反向電流大增。即光電流大增。光敏電阻時(shí)用硫化鎘或硒化鎘材料制成的特殊電阻器，它對光線非常敏感。無光線照射時(shí)呈

23、高阻狀態(tài)，暗阻值一般可達(dá)1.5M歐姆以上；有光照時(shí)材料中便激發(fā)出自由電子與空穴，使其電阻減小，隨著照度的增高，電阻值迅速降低，亮阻值可小至1k歐姆以下。由于各路傳感器會(huì)對單片機(jī)產(chǎn)生一定的干擾，使信號發(fā)生錯(cuò)誤。因此，采用一級射極輸出方式對信號進(jìn)行隔離，這樣系統(tǒng)對信號的判斷就比較準(zhǔn)確。此處A/D轉(zhuǎn)換采用TLC1543芯片。光敏三極管和光敏電阻及其A/D轉(zhuǎn)換電路如下：（7）硬件原理仿真圖如下：2系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)智能搬運(yùn)車的控制器使用ATMEL公司的AT89S52單片機(jī)，因?yàn)樵诔绦蛑胁恍枰婕熬_實(shí)時(shí)操作，所以我們使用C語言進(jìn)行軟件編寫，這樣可以大大提高編程效率。主程序流程圖如下： 檢測金屬片顯示”Start”判斷顏色尋光入A庫尋光入B庫遇黑線停車倒車，顯示金屬片數(shù)目金屬片數(shù)=3后退，入