基于單片機(jī)的垃圾搬運(yùn)車的設(shè)計(jì)

李 野，關(guān) 娜

智能機(jī)器人是近年來(lái)機(jī)器人應(yīng)用工程中一項(xiàng)前沿性的題目，本課題設(shè)計(jì)的垃圾搬運(yùn)車是智能行走機(jī)器人的一種。垃圾搬運(yùn)車就是針對(duì)上述情況，在參考了目前大多數(shù)智能小車的基礎(chǔ)上，以降低成本為原則設(shè)計(jì)的。小車具備檢測(cè)、巡跡、避障等功能。此垃圾搬運(yùn)車具有性價(jià)比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優(yōu)點(diǎn)。

1 設(shè)計(jì)方案

垃圾搬運(yùn)車分為十部分，分別是：1）主控制器裝置；2）垃圾點(diǎn)檢測(cè)模塊；3）信號(hào)檢測(cè)模塊；4）障礙檢測(cè)模塊；5）車速測(cè)量模塊；6）巡跡模塊；7）車輛控制模塊；8）卸載裝置模塊；9）人機(jī)接口模塊；10）電源。

1.1 主控板

主控板主要用于對(duì)垃圾搬運(yùn)車的控制，要求主控板小巧輕便，操作簡(jiǎn)單，易于寫入和修改程序。選擇51 系列單片機(jī)作為主控板，主要原因有以下幾點(diǎn)：1.4k 字節(jié)FLASH 閃速存儲(chǔ)器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM；2.擁有32 個(gè)I/O 口線，2 個(gè)16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路；3.AT89C51 可以降至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種可選的節(jié)電工作模式。

1.2 垃圾點(diǎn)檢測(cè)模塊

垃圾點(diǎn)檢測(cè)設(shè)備采用紅外線接收裝置。當(dāng)通過(guò)發(fā)射紅外線并檢測(cè)紅外線有無(wú)被反射來(lái)確定前方是否存在站臺(tái)，檢測(cè)到垃圾點(diǎn)，則停車卸載；反之繼續(xù)前行。這樣提高了整體系統(tǒng)的智能性。

1.3 垃圾搬運(yùn)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

選擇L293D 作為垃圾搬運(yùn)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。實(shí)現(xiàn)垃圾搬運(yùn)車左右輪的轉(zhuǎn)動(dòng)主要依靠單片機(jī)的I/O 接口，通過(guò)改變輸入的控制端電平，由單片機(jī)驅(qū)動(dòng)L293D，此時(shí)不需要外加隔離電路，就可以實(shí)現(xiàn)垃圾搬運(yùn)車的左右輪的共同轉(zhuǎn)動(dòng)。接口p1.5 和p1.6 控制左邊電機(jī)，接口p1.0 和p1.4 控制右邊電機(jī)。取右邊電機(jī)為例，當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“1”，p1.4 輸入數(shù)字電平“0”時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)；當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“0”，p1.4 輸入數(shù)字電平“1”時(shí)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的反轉(zhuǎn)；當(dāng)p1.0 輸入數(shù)字電平“0（1）”，p1.4 輸入數(shù)字電平“0（1）”時(shí)電機(jī)停止；然后由單片機(jī)共同作用，完成垃圾搬運(yùn)車的左右輪共同轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.4 避障檢測(cè)模塊

紅外測(cè)距速度快，便宜，安全，容易制作。此模塊要求具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收的二極管，要求發(fā)射管發(fā)射特定頻率的紅外信號(hào)，接收管能接收這種頻率的紅外信號(hào)。在范圍內(nèi)，當(dāng)紅外信號(hào)遇到障礙物時(shí)，紅外信號(hào)會(huì)被反射，進(jìn)而被接收管接收，因此可利用紅外信號(hào)來(lái)識(shí)別周圍環(huán)境的變化。由于是光檢測(cè)距離，其反應(yīng)速度比超聲波傳感器要快，紅外測(cè)距速度快精度高。

1.5 底盤選擇

選擇金屬底盤，金屬地盤質(zhì)量較塑料地盤厚重，價(jià)格較貴。但是穩(wěn)定性能非常高，更加堅(jiān)固。

1.6 巡跡模塊

利用集成型紅外對(duì)管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進(jìn)行接收，采用紅外線發(fā)射，外面可見光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，再采用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。

紅外傳感器巡線的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)，目的是讓小車巡黑線行駛，當(dāng)紅外線照射到黑線上時(shí)，此時(shí)紅外線會(huì)被黑線吸收，反之照射到其他的顏色時(shí)，會(huì)有光反射到傳感器的接收管。其中中間兩路巡線是一直在黑線上，小車會(huì)直行，當(dāng)任意一個(gè)出來(lái)，則小車會(huì)自動(dòng)糾正，如果最外面的檢測(cè)到黑線，則小車以更大速度糾正到正確黑線上面。紅外巡跡模塊原理如圖1 所示。

1.7 車輛控制模塊

垃圾搬運(yùn)車采用STC89C52 作為該該車的主控制器。STC89C52 單片機(jī)的特點(diǎn)：1）超低功耗；2）具有運(yùn)算速度快；3）抗干擾能力強(qiáng)；4）支持ISP在線編程；5）片內(nèi)含8k 空問(wèn)的可反復(fù)擦寫1 000次的只讀存儲(chǔ)器；6）具有256 字節(jié)的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；7）32 個(gè)I/O 接口，3 個(gè)16 位可編程程序定時(shí)計(jì)數(shù)器；8）兼容性好，軟件設(shè)計(jì)難度相對(duì)較低，價(jià)格低。

1.8 垃圾卸載裝置

垃圾搬運(yùn)車上安裝一根管子并放上鋼球，模擬垃圾，當(dāng)收到信號(hào)時(shí)，運(yùn)用舵機(jī)卸下指定的鋼球（垃圾）。該裝置可以隨時(shí)調(diào)整卸下鋼球的數(shù)量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占用空間小。結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

1.9 人機(jī)接口

人機(jī)接口處采用機(jī)械彈性開關(guān)，當(dāng)機(jī)械彈性開關(guān)閉合或者斷開時(shí)，由于其本身的彈性作用，并不會(huì)立刻接通或斷開，會(huì)伴有一連串的抖動(dòng)。

圖1 紅外巡跡模塊原理示意圖

圖2 垃圾卸載裝置示意圖

1.10 電源

能源選擇關(guān)系到垃圾搬運(yùn)小車的續(xù)航問(wèn)題、動(dòng)力問(wèn)題，對(duì)于整個(gè)小車的制作至關(guān)重要。本設(shè)計(jì)采用目前應(yīng)用最為廣泛的電池——鋰電池。優(yōu)點(diǎn)是鋰電池電壓平臺(tái)高，達(dá)到3.7V，便于組成電池電源組，消極的一方面是，鋰離子電池很容易燃燒，因此，大多數(shù)鋰離子電池都帶有防短路的保護(hù)電路，還有防爆線。鋰電池價(jià)格便宜，性能較高，鋰電池使用壽命相對(duì)較長(zhǎng)，使用壽命可達(dá)到6 年以上，綠色環(huán)保，對(duì)環(huán)境沒(méi)有危害。并且具備高功率承受力。

2 結(jié)語(yǔ)

整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結(jié)合。能夠?qū)崿F(xiàn)垃圾搬運(yùn)車的檢測(cè)、巡跡、避障等功能。