基于直流電機(jī)的智能搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊日容

（中山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東中山，528400）

近年來，隨著工業(yè)AGV小車和汽車電子的迅速發(fā)展，智能小車得到了廣泛的研究。本文以智慧工廠中常見的搬運(yùn)小車為研究對象，給出了小車總體結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)聯(lián)調(diào)四個(gè)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容，最終實(shí)現(xiàn)了智能搬運(yùn)小車常見的沿線走、避障、站點(diǎn)設(shè)計(jì)、到站停、顯示路程等功能。

1 智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能搬運(yùn)小車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。小車以STC89C52單片機(jī)為控制器，兩路L298N驅(qū)動(dòng)控制小車運(yùn)動(dòng)的四個(gè)直流電機(jī)，通過3路TCRT5000紅外光電傳感器檢測電路實(shí)現(xiàn)小車的尋跡運(yùn)動(dòng)，1路紅外傳感器檢測電路實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障，采用LJK-D4N金屬探測器實(shí)現(xiàn)金屬探測，使用者可以通過按鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)站點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)在車輪安裝的檢測電路通過單片機(jī)的數(shù)據(jù)處理，可以在液晶顯示屏上顯示小車所走過的路程。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 智能搬運(yùn)小車的硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及I/O設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)采用國產(chǎn)宏晶公司的貼片式STC89C52RC單片機(jī)為控制器，這款單片機(jī)具有高速、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低的特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機(jī)，實(shí)際工作頻率可達(dá)48MHz，時(shí)鐘電路采用12MHz晶振和兩個(gè)22pF瓷片電容，設(shè)計(jì)了上電復(fù)位和按鍵復(fù)位兩種電路，最小系統(tǒng)電路如圖2所示，單片機(jī)板安裝時(shí)，注意安裝位置，注意電源供電和下載線使用的方便性。

圖2 最小系統(tǒng)電路圖

根據(jù)系統(tǒng)需求，單片機(jī)I/O分配如下：P0.0-P0.7：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的控制端；P1.0-P1.7：液晶顯示器的數(shù)據(jù)端；

P3.5-P3.7：液晶顯示器的控制端；P2.0-P2.2：三路光電尋跡檢測電路的信號端；P2.3：1路紅外線避障的檢測信號端；P2.5：金屬探測器的檢測信號端；P3.0-P3.3：四個(gè)按鍵的控制端；P2.6-P2.7：直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路板中的兩塊驅(qū)動(dòng)芯片L298N的使能端。其中，四個(gè)控制按鍵的作用分別是控制直流電機(jī)的啟動(dòng)/停止、加速、減速、站點(diǎn)選擇。

2.2 L298N驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

智能搬運(yùn)小車的4個(gè)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常見的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模L298N實(shí)現(xiàn)，如圖3所示。L298N輸出最大電壓可達(dá)50V，滿足直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求，可以直接通過單片機(jī)的I/O端口提供驅(qū)動(dòng)信號，1塊L298N驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)兩路3～16V的直流電機(jī)，工作電流可達(dá)2A，系統(tǒng)只需2塊L298N，具有電路結(jié)構(gòu)簡單、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。單片機(jī)將有一定規(guī)律的控制脈沖從P0口的P0.0-P0.7輸出，經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片L298N驅(qū)動(dòng)4個(gè)直流電機(jī)的各相繞組，兩個(gè)端口控制一個(gè)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)，如果需要對小車進(jìn)行PWM調(diào)速，則通過ENA和ENB端輸出PWM調(diào)速脈沖控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。VDD和GND端為驅(qū)動(dòng)電源輸入端輸入電壓，可輸入6～12V電壓。

圖3 L298N驅(qū)動(dòng)模塊

2.3 尋線檢測電路及避障電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中要求的小車尋線運(yùn)動(dòng)主要是按照黑線的路徑進(jìn)行，光電尋跡檢測電路采用反射式紅外光電對管TCRT5000檢測信號，TCRT5000傳感器中藍(lán)色管為發(fā)射紅外線管，黑色管為接受管，其電路原理如圖4所示。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了電源指示燈和檢測指示燈，方便進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)試和驗(yàn)證，當(dāng)TCRT5000檢測到黑線時(shí)，比較器正向輸入端電壓變大，檢測指示燈熄滅，當(dāng)TCRT5000檢測到反射較強(qiáng)的區(qū)域時(shí)，比較器正向輸入端電壓變校，檢測指示燈點(diǎn)亮，通過10k歐姆的精密可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)檢測靈敏度。設(shè)計(jì)共采用三路光電尋跡檢測電路，傳感器分別按照在小車車頭左中右三個(gè)位置，檢測信號分別由單片機(jī)的P2.0、P2.1、P2.2端口輸出。在白色區(qū)域內(nèi)，光電管導(dǎo)通，比較器輸出為低電平；在黑色區(qū)域內(nèi)，光電接收管截止，比較器輸出為高電平。單片機(jī)根據(jù)檢測到的高低電平可以控制小車前進(jìn)的方向是左轉(zhuǎn)還是右轉(zhuǎn)，使小車行走不偏離黑線。當(dāng)小車左向偏離黑帶，則應(yīng)該控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)小車右向偏離黑帶，則應(yīng)該控制小車左轉(zhuǎn)。當(dāng)環(huán)境變化時(shí)，可以通過微調(diào)可調(diào)電阻RW讓單片機(jī)可靠檢測到黑白線信號。

圖4 尋線檢測電路

小車避障電路采用尋線檢測電路相同的檢測原理，由單片機(jī)P2.3端口接收TCRT5000傳感器的檢測信號，避障電路安裝在小車正前方位置，當(dāng)小車前進(jìn)過程中有物體遮擋時(shí)，P2.3為高電平，單片機(jī)控制小車停止運(yùn)動(dòng)，直到把障礙物移除，小車?yán)^續(xù)前進(jìn)。

2.4 金屬檢測電路設(shè)計(jì)

選用型號為LJK-D4N的金屬探測器來對小車實(shí)現(xiàn)金屬探測，其電路原理圖如圖5所示。傳感器的金屬探測距離是3-4mm，所以要將金屬探測器安裝在小車前面中間位置，而且讓它與地面相距3-4mm。當(dāng)智能小車前方有金屬塊時(shí)，輸出為低電平。

圖5 金屬檢測電路

3 智能搬運(yùn)小車的軟件設(shè)計(jì)

3.1 主程序流程圖

本設(shè)計(jì)的主設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示，當(dāng)接通電源時(shí)，必須按下啟動(dòng)按鍵小車才能運(yùn)動(dòng)，在行駛過程中，結(jié)合查詢方式查詢小車是否偏離黑線，并根據(jù)偏離方向執(zhí)行相應(yīng)的控制程序；若P2.5端口為低電平，則探測到金屬，執(zhí)行對應(yīng)的報(bào)警程序；當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，會產(chǎn)生中斷，執(zhí)行對應(yīng)的避障程序。

圖6 主程序流程圖

3.2 尋線檢測及控制程序設(shè)計(jì)

在完成小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)安裝后，首先要讓小車能夠?qū)崿F(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎和停止五種基本運(yùn)動(dòng)，分別對應(yīng)forward（）、back（）、left（）、right（）、stop（）五個(gè)功能函數(shù)，根據(jù)控制邏輯實(shí)現(xiàn)8個(gè)驅(qū)動(dòng)I/O的不同電平輸出來實(shí)現(xiàn)。

小車尋線檢測及控制的過程為：前車底部安裝3個(gè)傳感器，沿黑線運(yùn)動(dòng)時(shí)，只有中間傳感器可以檢測到信號，小車向右偏移時(shí)則是左邊傳感器檢測到黑線，單片機(jī)接收到信號后將控制小車左轉(zhuǎn)以保證小車沿黑線前進(jìn)，小車向左偏移時(shí)則是右邊傳感器檢測到黑線，單片機(jī)接收到信號后將控制小車轉(zhuǎn)以保證小車沿黑線前進(jìn)，程序流程圖如圖7所示。轉(zhuǎn)向程序可以分為小角度拐彎和大角度拐彎兩個(gè)函數(shù)模塊，可以通過程序控制四個(gè)車輪不同的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

圖7 尋線檢測及控制程序流程圖

3.3 智能小車到站停及站點(diǎn)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的智能搬運(yùn)小車可以通過按鍵設(shè)置所要前往的目標(biāo)站點(diǎn)，為節(jié)省I/O資源和硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜性，系統(tǒng)只設(shè)計(jì)了一個(gè)按鍵，通過不同的按鍵次數(shù)識別設(shè)置的目標(biāo)站點(diǎn)數(shù)值，單片機(jī)通過計(jì)數(shù)功能累加所經(jīng)過的站點(diǎn)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)所得的站點(diǎn)數(shù)和目標(biāo)站點(diǎn)數(shù)值一致時(shí)，表明小車到達(dá)目標(biāo)站點(diǎn)，需要停車進(jìn)行裝卸貨工作。

3.4 路程計(jì)算程序設(shè)計(jì)

在車輪安裝一個(gè)路程檢測電路，小車車輪每轉(zhuǎn)一圈單片機(jī)I/O端檢測到一個(gè)低電平信號，控制器內(nèi)部通過識別電平的變化信號由變量自動(dòng)累加車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，使用軟尺測量輪胎的周長，在單片機(jī)內(nèi)部通過數(shù)據(jù)處理計(jì)算得到小車走過的路程。如果通過單片機(jī)的定時(shí)器設(shè)定一個(gè)電平信號采集時(shí)間，計(jì)算在采集時(shí)間內(nèi)變量的累加值就可以計(jì)算出小車的平均運(yùn)動(dòng)速度。

4 系統(tǒng)調(diào)試

在進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào)前，首先進(jìn)行了硬件測試。在尋線檢測電路和避障檢測電路調(diào)試時(shí)，在反射式光電傳感器上面放置白色物體，用萬用表測量LM324的第1引腳是不是為低電平；然后再用黑色的物品放在反射式光電傳感器的感應(yīng)部分，看萬用表的的電壓是否為高電平；來回移動(dòng)黑色物品，看萬用表的電壓值是否呈現(xiàn)高低電平的變化。在金屬探測電路調(diào)試時(shí)，首先給金屬探測傳感器導(dǎo)入+7.2V的電源，并在接電源端和輸出端之間接一個(gè)4.7kΩ電阻；再用萬用表測量尚未碰到金屬時(shí)輸出端是否為高電平；當(dāng)碰到金屬時(shí)，指示燈是否亮，電路輸出端是否為低電平。當(dāng)保證硬件電路正常工作的前提下，再對軟件進(jìn)行調(diào)試。說先通過仿真軟件proteus在線下載調(diào)試，觀察仿真情況是否和預(yù)計(jì)的要求一致。在確定無誤后，將程序下載到單片機(jī)中，進(jìn)行系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，圖8為調(diào)試過程。

圖8 小車調(diào)試過程

本設(shè)計(jì)所完成的基于直流電機(jī)的智能搬運(yùn)小車，可以實(shí)現(xiàn)尋線、避障、金屬探測、到站停等功能，具有體積小、性價(jià)比高等特點(diǎn)，對工業(yè)AGV小車、兒童玩具車的開發(fā)研制具有一定的借鑒作用。