基于單片機(jī)的無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉傲

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

基于單片機(jī)的無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉傲

（哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001）

采用智能電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)芯片和單片機(jī)上下位機(jī)的控制方式，設(shè)計(jì)了一種小型無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)的控制系統(tǒng)，介紹了控制系統(tǒng)的組成和原理實(shí)現(xiàn)以及有關(guān)的器件選型，遙控電路，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和升降電機(jī)電路的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)操作方便、響應(yīng)迅速、叉車(chē)運(yùn)行平穩(wěn)。

無(wú)線遙控；電動(dòng)叉車(chē)；控制系統(tǒng)；單片機(jī)

叉車(chē)是指對(duì)托盤(pán)貨物進(jìn)行裝卸、堆垛和短距離運(yùn)輸作業(yè)的各種輪式搬運(yùn)車(chē)輛。叉車(chē)按動(dòng)力源可分為內(nèi)燃叉車(chē)、電動(dòng)叉車(chē)和手動(dòng)叉車(chē)等，按操作方式可分為方向盤(pán)式、遙控式和手動(dòng)推拉式等。

遙控電動(dòng)叉車(chē)由底盤(pán)、門(mén)架、電池和遙控控制系統(tǒng)組成。底盤(pán)是叉車(chē)的基本骨架，是叉車(chē)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)功能的基礎(chǔ)，底盤(pán)包含底盤(pán)框架、前后輪、剎車(chē)、配重和驅(qū)動(dòng)電機(jī)等部分，驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要實(shí)現(xiàn)叉車(chē)的前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)彎等功能；門(mén)架是叉車(chē)完成叉子升降的基本框架，包含提升電機(jī)、升降框架、叉子等部分；電池為叉車(chē)控制系統(tǒng)提供電源；遙控控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)叉車(chē)的遙控操控，遠(yuǎn)距離控制叉車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車(chē)、叉子上升、下降、叉車(chē)狀態(tài)顯示和報(bào)警等功能。

針對(duì)叉車(chē)的工作過(guò)程和實(shí)現(xiàn)的功能，文中設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)的無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)控制系統(tǒng)，從電機(jī)控制系統(tǒng)的組成、上下位機(jī)的開(kāi)環(huán)控制方式及控制原理、遙控電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、升降電機(jī)電路和軟件程序流程等方面進(jìn)行了闡述與說(shuō)明。

1 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

叉車(chē)控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)的二級(jí)開(kāi)環(huán)控制方式，上下位機(jī)均采用ATMEGA單片機(jī)，上位機(jī)用于按鈕信息處理和向下位機(jī)發(fā)送各種命令及參數(shù)，同時(shí)對(duì)下位機(jī)傳送來(lái)的叉車(chē)運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行顯示。下位機(jī)接收上位機(jī)指令，按照指令要求，執(zhí)行相應(yīng)的功能操作，控制叉車(chē)升降電機(jī)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)和叉車(chē)的剎車(chē)與制動(dòng)，同時(shí)將叉車(chē)運(yùn)行狀態(tài)回傳給上位機(jī)。叉車(chē)控制系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 叉車(chē)控制系統(tǒng)框圖

控制系統(tǒng)主要由遙控電路和控制電路組成，遙控電路由按鍵、搖桿、單片機(jī)、液晶顯示屏和無(wú)線收發(fā)模塊以及天線等器件組成。單片機(jī)對(duì)控制叉車(chē)左右電機(jī)運(yùn)動(dòng)的搖桿電位器信號(hào)進(jìn)行AD采樣處理，按照通信協(xié)議，將串行通信信號(hào)發(fā)送給無(wú)線收發(fā)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊通過(guò)高斯頻移鍵控GFSK調(diào)制方式，將數(shù)據(jù)信息調(diào)制在434MHz的頻率上通過(guò)棒狀天線發(fā)送給下位機(jī)的控制電路。遙控電路組成框圖如圖2所示。

圖2 遙控電路組成框圖

控制電路主要由單片機(jī)、無(wú)線收發(fā)模塊、天線、驅(qū)動(dòng)芯片、繼電器組等器件和重力傳感器、直流電機(jī)以及電磁鐵等部件組成。單片機(jī)收到遙控電路上位機(jī)指令后，對(duì)指令進(jìn)行分析，按照指令類別，分別對(duì)左輪/右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)/后退的PWM控制；通過(guò)電磁鐵對(duì)電機(jī)進(jìn)行剎車(chē)/釋放控制；通過(guò)對(duì)繼電器組高低電壓切換控制升降電機(jī)的運(yùn)行速度；通過(guò)對(duì)重力傳感器的信號(hào)采樣，完成叉車(chē)的稱重處理。單片機(jī)將所有的處理狀態(tài)和結(jié)果通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊回傳給上位機(jī)進(jìn)行顯示。控制電路組成框圖如圖3所示。

圖3 控制電路組成框圖

叉車(chē)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，經(jīng)常需要轉(zhuǎn)彎、換向、微動(dòng)。為增加操作的靈活性，叉車(chē)左、右輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)分別單獨(dú)進(jìn)行控制，轉(zhuǎn)彎時(shí)，為減小轉(zhuǎn)彎半徑，左、右兩側(cè)的電機(jī)一個(gè)向前運(yùn)動(dòng)，另一個(gè)向后運(yùn)動(dòng)；叉車(chē)前進(jìn)或后退時(shí)，兩側(cè)電機(jī)同時(shí)向前或向后運(yùn)動(dòng)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 遙控電路設(shè)計(jì)

遙控電路原理圖如圖4所示，單片機(jī)采用高檔ATMEGA系列AVR單片機(jī)ATMEGA88，它是一種在系統(tǒng)可編程、功能強(qiáng)、高速度、低功耗、抗干擾性強(qiáng)的具有精簡(jiǎn)指令集的高性能8位單片機(jī)，片內(nèi)含有8 K Flash程序存儲(chǔ)器，1 280 Byte的SRAM，512 Byte的E2PROM等。

收發(fā)模塊采用安美通公司的APC200A-43，該模塊采用高效的循環(huán)交織檢錯(cuò)編碼技術(shù)，可以糾正24 bits連續(xù)錯(cuò)誤，編碼增益近3 dBm；在1 200 bps傳輸速度模式下，能夠傳輸1 000 m的距離；具有512 Byte的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和UART/TTL、RS485及RS232等多種接口方式，選配靈活、嵌入方便。

字符液晶顯示屏LCD1602是基于HD44780液晶芯片制作而成，HD44780內(nèi)置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM是顯示數(shù)據(jù)RAM，用于寄存待顯示的字符代碼；HD44780內(nèi)置的192個(gè)常用字符的字模，存于字符產(chǎn)生器CGROM中，8個(gè)允許用戶自定義的字符產(chǎn)生RAM，即為CGRAM。

圖4 遙控電路原理圖

2.2 控制電路設(shè)計(jì)

控制電路設(shè)計(jì)主要包含左、右電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和升降電機(jī)的電路設(shè)計(jì)。左、右電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路和電磁鐵的驅(qū)動(dòng)電路完全一樣，均采用功率芯片BTN7971B進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，升降電機(jī)的電路采用繼電器組的設(shè)計(jì)方式。

2.2.1 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖如圖5所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用大電流、半橋、高集成的貼片智能功率芯片BTN7971B，它主要應(yīng)用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)，BTN7971B內(nèi)部帶有一個(gè)P溝道的高邊MOS場(chǎng)效應(yīng)管、一個(gè)N溝道的低邊MOS場(chǎng)效應(yīng)管和一個(gè)集成驅(qū)動(dòng)芯片，具有體積小、邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調(diào)節(jié)、死區(qū)時(shí)間產(chǎn)生和過(guò)溫、過(guò)壓、欠壓、過(guò)流及短路保護(hù)的功能和特點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)70 A，Is引腳具有電流檢測(cè)功能，正常模式下，從Is引腳流出的電流與流經(jīng)高邊MOS管的電流成正比。

兩片BTN7971B組成一個(gè)全橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)以高低電平方式控制INH使能端，以PWM方式通過(guò)一個(gè)反向芯片74F14控制兩片BTN7971B芯片的IN輸入端的電平狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正、反向運(yùn)行和停止等功能。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖

2.2.2 升降電機(jī)電路設(shè)計(jì)

升降電機(jī)電路原理圖如圖6所示。升降電路通過(guò)對(duì)繼電器組的高低壓切換完成對(duì)升降電機(jī)速度的控制，當(dāng)控制電路收到遙控電路發(fā)送的升降電機(jī)動(dòng)作指令后，繼電器KA1先將12V電壓送給控制電機(jī)運(yùn)行的繼電器KA2和KA3觸點(diǎn)，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)上升或下降要求分別對(duì)KA2和KA3進(jìn)行控制，電機(jī)MD2加載的電壓是12 V，電機(jī)以較慢的速度運(yùn)行；延遲幾秒后，KA1將24 V電壓加到KA2和KA3的觸點(diǎn)，此時(shí)電機(jī)MD2的輸入電壓變?yōu)?4 V，電機(jī)以較塊的速度運(yùn)行。

升降電路采用高低壓切換方式，該方式與直接采用高壓?jiǎn)?dòng)方式相比，不僅負(fù)載提升流暢，而且能夠減少繼電器觸點(diǎn)燒蝕粘連而產(chǎn)生的短路故障。

圖6 升降電機(jī)電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件分為遙控和控制兩部分，遙控程序主要功能是處理按鍵信號(hào)和對(duì)搖桿電位器信號(hào)進(jìn)行AD采樣處理，將數(shù)據(jù)以串行傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送給無(wú)線收發(fā)模塊，無(wú)線收發(fā)模塊將數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼并通過(guò)天線發(fā)送給下位機(jī)的控制電路板，同時(shí)接收下機(jī)位控制電路板回傳的需要顯示的叉車(chē)狀態(tài)或貨物的重量信息?？刂瞥绦蛑饕δ苁峭ㄟ^(guò)無(wú)線收發(fā)模塊接收上位機(jī)遙控電路板的指令，并對(duì)指令類型進(jìn)行分析，根據(jù)指令類別，對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)/后退的PWM控制，對(duì)電磁鐵進(jìn)行剎車(chē)/釋放控制，對(duì)繼電器組電壓進(jìn)行控制，調(diào)節(jié)升降電機(jī)的運(yùn)行速度，對(duì)重力傳感器進(jìn)行貨物重力信號(hào)采樣和處理，最終將處理狀態(tài)和結(jié)果通過(guò)無(wú)線收發(fā)模塊回傳給上位機(jī)遙控電路板進(jìn)行顯示。遙控程序流程圖和控制程序流程圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 遙控程序流程圖

圖8 控制程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

分別從叉車(chē)電機(jī)控制系統(tǒng)的組成與功能、控制方式與控制原理、硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)等方面介紹了基于單片機(jī)的無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，該控制系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用上下位機(jī)的控制方式，上位機(jī)發(fā)送命令和參數(shù)，顯示叉車(chē)狀態(tài)；下位機(jī)接收上位機(jī)指令，控制叉車(chē)運(yùn)行，叉車(chē)的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎均采用PWM控制，叉車(chē)的升降采用高低壓切換控制。

該叉車(chē)控制系統(tǒng)操作靈活、響應(yīng)迅速、遙控距離遠(yuǎn)且叉車(chē)控制流暢，對(duì)同類型無(wú)線遙控電動(dòng)叉車(chē)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一定的參考和借鑒意義。

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Control system design of wireless remote control electric powered forklift based on single chip microcomputer

LIU Ao
（College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

Using the control mode of intelligent motor driver chip and upper and lower single chip microcomputer，designed a small wireless remote control electric powered forklift motor control system，this paper introduced the control system of component and principle to realize and the relevant parts selection，remote control circuit，motor drive circuit and lifting motor circuit of hardware and the software design.The control system was easy to operate，fast response and stable operation of the forklift.

wireless remote control；electric powered forklift；control system；single chip microcomputer

TN79

A

1674-6236（2017）23-0190-04

2016-10-09稿件編號(hào)：201610029

劉傲（1996—），男，湖北武漢人。研究方向：通信工程。