淺談基于物聯(lián)網(wǎng)的智能物料運(yùn)送車的設(shè)計(jì)與制作

李義梅

摘 要：智能車輛是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)，它集中地運(yùn)用了物聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通訊、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。本設(shè)計(jì)中的智能物料運(yùn)送小車就是這種綜合體的一種嘗試，它在多種傳感器的配合下，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)尋跡、障礙物探測、自動(dòng)卸料、語音播報(bào)以及物聯(lián)網(wǎng)控制等功能。

關(guān)鍵詞：STC；單片機(jī)；物聯(lián)網(wǎng)；智能物料運(yùn)送小車；自動(dòng)尋跡；智能化

中圖分類號(hào)：TP242.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2018）14-0082-04

1 問題的提出及改進(jìn)措施

目前很多物料運(yùn)送小車電氣控制系統(tǒng)多為繼電器—接觸器組成的復(fù)雜系統(tǒng)，這種系統(tǒng)存在設(shè)計(jì)周期長、體積大、成本高等缺陷，無數(shù)據(jù)處理和通信功能，必須有專人負(fù)責(zé)操作等缺點(diǎn)。將單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的自動(dòng)化控制，降低系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用，智能運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)具有連線簡單，控制速度快，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，運(yùn)料小車不斷擴(kuò)大到各個(gè)領(lǐng)域，從手動(dòng)到自動(dòng)，從自動(dòng)到智能化，逐漸形成了機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化。

本文設(shè)計(jì)的物料運(yùn)送小車是將單片機(jī)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到運(yùn)料小車電氣控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的智能化控制。它功能強(qiáng)大，且擴(kuò)展非常強(qiáng)大。單片機(jī)在運(yùn)料小車控制系統(tǒng)中的應(yīng)用，已經(jīng)在國內(nèi)外工程、工廠中得到實(shí)際應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，其智能化和自動(dòng)化的思路值得以后繼續(xù)深入研究和推廣。

2 智能物料運(yùn)送車的設(shè)計(jì)與制作

本智能物料運(yùn)送小車設(shè)計(jì)分為6個(gè)模塊：前輪PWM驅(qū)動(dòng)電路、后輪PWM驅(qū)動(dòng)電路、軌跡探測模塊、障礙物探測模塊、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、語音模塊、物聯(lián)網(wǎng)模塊。用PWM技術(shù)調(diào)節(jié)左邊車輪和右邊車輪的速度即可以實(shí)現(xiàn)小車速度、方向的控制；探測模塊利用四個(gè)光感元件，對黑色軌道進(jìn)行尋跡；障礙物探測模塊用于對障礙物進(jìn)行探測；步進(jìn)電機(jī)用于卸貨的動(dòng)力裝置，準(zhǔn)確、平穩(wěn)。通過KT430語音方案，可以實(shí)時(shí)播報(bào)小車的運(yùn)行狀態(tài)；通過WiFi模塊將小車運(yùn)行參數(shù)上傳至云平臺(tái)，用戶可使用聯(lián)網(wǎng)的智能終端觀察小車運(yùn)行狀態(tài)，而小車生產(chǎn)廠商則可以通過云平臺(tái)觀察小車運(yùn)行狀況，可對小車運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程優(yōu)化，最后通過軟件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了小車按軌道行駛、運(yùn)料、送貨等功能[1]。

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、比較與論證

根據(jù)設(shè)計(jì)要求分以下部分進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與論證。

2.1.1 尋跡線探測模塊設(shè)計(jì)

探測路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)黑線偏離跑道[2]。

方案一：由可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射與接收電路。該方案成本較低，易于制作，但其缺點(diǎn)在于周圍環(huán)境光源會(huì)對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；如果采用超高亮發(fā)光管和高靈敏度光敏管可以降低一定的干擾。方案二：自制紅外探頭電路。此種方法簡單，價(jià)格便宜，靈敏度可調(diào)，但易受到周圍環(huán)境影響，特別是較強(qiáng)光照對檢測信號(hào)的影響，會(huì)造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。再加上時(shí)間有限，制作分立電路較繁瑣。

基于上述考慮，為了提高系統(tǒng)信號(hào)采集檢測的精度，所以采用方案一。圖1所示為前、后方循跡模塊原理圖。

2.1.2 電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊的選擇

（1）電路模塊設(shè)計(jì)。方案一：使用分立元件，用分立元件制作H橋是很麻煩的，體積較為龐大，性能不穩(wěn)定，已經(jīng)逐步淘汰。方案二：使用H橋集成電路，現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機(jī)和控制信號(hào)就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L298N?；谏鲜隹紤]，為了提高效率與穩(wěn)定性能，所以采用方案二。

本智能物料運(yùn)送小車的步進(jìn)電機(jī)是4線步進(jìn)電機(jī)，不能使用ULN2003此類芯片控制，故需要使用雙H橋來控制。L298是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可用來驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)和1個(gè)4線4相步進(jìn)電機(jī)。下面以H橋來介紹L298的工作原理，H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對角線上的一對三極管導(dǎo)通。例如，如圖2所示，當(dāng)Q1管和Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機(jī)，然后再經(jīng)Q4回到電源負(fù)極。按圖中電流箭頭所示，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)三極管Q1和Q4導(dǎo)通時(shí)，電流將從左至右流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)按特定方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭指示為順時(shí)針方向）[3]。

圖3所示為另一對三極管Q2和Q3導(dǎo)通的情況，電流將從右至左流過電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過電機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)沿另一方向轉(zhuǎn)動(dòng)（電機(jī)周圍的箭頭表示為逆時(shí)針方向）。

（2）電源模塊設(shè)計(jì)。LM2596系列是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的3A電流輸出降壓開關(guān)型集成穩(wěn)壓芯片，它內(nèi)含固定頻率振蕩器（150KHZ）和基準(zhǔn)穩(wěn)壓器（1.23v），并具有完善的保護(hù)電路、電流限制、熱關(guān)斷電路等。利用該器件只需極少的外圍器件便可構(gòu)成高效穩(wěn)壓電路。為了產(chǎn)生不同的輸出電壓通常將比較器的負(fù)端接基準(zhǔn)電壓（1.23V），正端接分壓電阻網(wǎng)絡(luò)。將輸出電壓的分壓電阻網(wǎng)絡(luò)的輸出同內(nèi)部基準(zhǔn)穩(wěn)壓值1.23V進(jìn)行比較，若電壓有偏差，則可用放大器控制內(nèi)部振蕩器的輸出占空比，從而使輸出電壓保持穩(wěn)定。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

該款智能物料運(yùn)送車要求能在長2.4m×2.4m的工作區(qū)域內(nèi)，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在5分鐘內(nèi)，人工裝載邊長10cm正方體、重約50g物料后，按動(dòng)出發(fā)按鈕，自動(dòng)到達(dá)終點(diǎn)。自動(dòng)卸下物料后，自動(dòng)返回起點(diǎn)，再裝下一個(gè)物料，按A、B、C、D順序，直至全部運(yùn)送完成。根據(jù)電路應(yīng)滿足的功能，電路由主控制單元，卸料單元，循跡單元，電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，避障單元，語音提示單元組成[4]?？偟目驁D結(jié)構(gòu)及信號(hào)流程如圖4所示：

2.3 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

2.3.1 單片機(jī)模塊

STC15W1X系列單片機(jī)是STC生產(chǎn)的單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的單片機(jī)，是高速/高可靠/寬電壓/低功耗/超強(qiáng)抗干擾的新一代8051單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8-12倍。內(nèi)部集成高精度R/C時(shí)鐘。內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，2路PWM，3路串口，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換（250K/S），針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合[5]。

2.3.2 尋跡線探測電路設(shè)計(jì)

探測路面黑色尋跡線的原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受到反射光強(qiáng)弱由傳感器產(chǎn)生高低電平并最終通過單片機(jī)判斷是否到達(dá)黑線偏離跑道。下面以避障模塊為例：

圖5所示中D17為紅外發(fā)射管，D18為紅外接收管；D17發(fā)射的紅外光遇到物品顏色的物品其反射光的強(qiáng)度不一樣從而引起紅外接收管D18電路中電壓的變化，將這個(gè)電壓與可調(diào)電阻R6設(shè)置的電壓經(jīng)過比較器U1比較，那么就可以識(shí)別黑白顏色的物品，檢測反射系數(shù)較高的物品時(shí)輸出“0”，檢測反射系數(shù)較低（或者檢測不到物品）的物品時(shí)輸出“1”。

2.3.3 語音模塊工作原理

KT403A是一個(gè)提供串口的語音芯片，完美的集成了MP3、WAV、WMA的硬解碼。同時(shí)軟件支持TF卡驅(qū)動(dòng)，支持FAT16、FAT32文件系統(tǒng)。通過簡單的串口指令即可完成播放指定的音樂，以及如何播放音樂等功能，無需繁瑣的底層操作，使用方便，穩(wěn)定可靠是此款產(chǎn)品的最大特點(diǎn)。本小車中的語音是通過串口發(fā)送相對應(yīng)的指令來實(shí)現(xiàn)語音播放的[6]。原理圖如圖6所示。

2.3.4 按鍵模塊

如圖7所示，將按鍵的一端連接單片機(jī)的I/O口，另一端連接GND網(wǎng)絡(luò)。使用時(shí)先將單片機(jī)I/O置高電平，當(dāng)按鍵沒有按下時(shí)，對應(yīng)單片機(jī)I/O口與GND是“開路”狀態(tài)，那么I/O的電平就是高電平。當(dāng)按鍵按下時(shí)，對應(yīng)單片機(jī)I/O口與GND是“短路”狀態(tài)，那么I/O的電平就是低電平。那么程序中只需要檢測單片機(jī)I/O口的電平即可以“知道”按鍵有沒有被按下。

2.3.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖如圖8所示。

2.3.6 物聯(lián)網(wǎng)模塊

如圖9所示，物聯(lián)網(wǎng)模塊采用USR-C322串口轉(zhuǎn)WiFi模塊，USR-C322是有人WiFi模塊C32系列的一款高性能模塊。該模塊是為實(shí)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)通訊的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的一款低功耗802.11 b/g/n模塊。通過該模塊可以將物理設(shè)備連接到WiFi網(wǎng)絡(luò)上，從而實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的控制與管理。

2.3.7 系統(tǒng)總圖

總體框如圖10所示。

2.3.8 云平臺(tái)

如圖11所示，物料運(yùn)送車通過裝載的WiFi模塊將其的數(shù)據(jù)進(jìn)行加密后實(shí)時(shí)的上傳至云平臺(tái)端，用戶可以通過可以聯(lián)網(wǎng)的智能終端（如手機(jī)、電腦）對物料運(yùn)送車進(jìn)行監(jiān)控和管理，而物料運(yùn)送車生產(chǎn)商則可以通過物料運(yùn)送車反饋的數(shù)據(jù)對其進(jìn)行跟蹤和優(yōu)化，可以根據(jù)物料運(yùn)送車反饋的數(shù)據(jù)來判斷小車的運(yùn)行健康狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)問題可以及時(shí)派遣維護(hù)人員上門維護(hù)。

3 結(jié)語

智能物料運(yùn)送車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)設(shè)的功能，我們很好地將單片機(jī)技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用到智能物料運(yùn)送車的電氣控制系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)運(yùn)料小車的智能化控制，它功能強(qiáng)大，且擴(kuò)展非常強(qiáng)大。該智能物料運(yùn)送車在工廠中得到實(shí)際應(yīng)用，具有巨大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)價(jià)值，其智能化和自動(dòng)化的思路值得以后繼續(xù)深入研究和推廣。

參考文獻(xiàn)

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