毕业设计（论文）-智能搬运小车.doc

长春理工大学光电信息学院毕业设计 本科生毕业设计（论文）智能搬运小车The Subject of Graduation Project学 生 姓 名专 业光信息科学与技术学 号指 导 教 师分 院光电科学2014年 6月 摘 要 本设计采用 STC12C5A60S2 单片机为简易智能小车的核心器件。循迹模块由4对红外收发管组成， 通过反射红外线的变化判断黑线的有无以达到循迹的功能，电机驱动模块选用 H 桥驱动芯片L298N结合单片机来控制电机工作。避障模块由两对红外发光管组成。搬运模块通过TCS230识别不同颜色来分辨抓取和释放，从而达到搬运的目的。整个系统的电路结构简单，可靠性能高，能满足设计的要求。与传统搬运车相比，该车不耗费人力，不会造成人员的浪费且工作效率较高。智能机器准确性较高，可以减少失误的发生，在未来工厂车间中，可以用智能搬运车来代替传统搬运车。本文详细的阐述了整个智能搬运小车设计和制作以及最后测试的过程。以最简洁最最有效的方法制作出了一个具有简单功能的小车。关键词： 智能循迹小车 STC12C5A60S2 红外收发管 电机驱动 TCS230ABSTRACT The design adopts STC12C5A60S2 microcontroller as the core device of simple smart car. The tracking module is composed of a plurality of Photo electric tube, by reflecting infrared changes in judgments of black have to achieve the tracking function, motor drive module selection of commonly used H bridge driver L298N with single- chip microcomputer to control the motor working. Obstacle avoidance module consists of two pairs of infrared light emitting tube. Handling module TCS230 identify the different colors to distinguish grab and release, so as to achieve the purpose of handling. The electric circuit construction of whole system is simple, reliable performance. It can meet a variety of design requirements. Compared with conventional truck, the car is not labor intensive, no waste and higher staff efficiency. Intelligent machine high accuracy, can reduce the incidence of errors in the future on the factory floor, you can use smart truck to replace the traditional truck. This paper describes in detail the design and production of intelligent handling car and the final test of the entire process. In the most simple and effective way to make the most out of the car with a simple function.Keywords: Intelligent Tracking Car STC12C5A60S2 Infrared Receiving Tube Motor Drive TCS230目 录摘要IABSTRACTII第1章 绪 论11.1 研究目的及意义11.2 国内外发展情况2第2章 整体设计框架52.1 方案选择及论证52.1.1 控制模块选择52.1.2 路面探测黑线轨迹模块62.1.3 探测路面障碍模块72.1.4 电机模块72.1.5 电机驱动模块82.1.6 车架选择92.1.7搬运模块92.1.8仓库识别模块92.1.9 最终方案选择102.2 方案可行性分析10第3章 硬件设计113.1 系统总体设计框图113.2 红外线光电开关模块123.2.1 光电开关的工作原理133.2.2 光电开关的类型133.2.3 壁障光电管电路的设计163.3 电机驱动模块163.4 红外循线模块183.4.1 红外放射式光电传感器特性与工作原理183.5 红外循线具体设计与实现193.6金属探测模块193.7颜色识别模块201 .TCS230芯片的结构框图与特点212 .TCS230识别颜色的原理223.8 最小系统模块253.8.1 晶振电路的设计253.8.2 复位电路的设计263.9 电源模块27第4章 软件设计284.1 主程序流程图294.2 避障子程序流程图294.3 循线子程序流程图304.4搬运子程序流程图32第5章 系统调试和测试335.1 安装步骤335.2 电路调试335.2.1 光电开关模块调试过程335.2.2 电机模块调试过程345.2.3 红外循线模块调试过程345.2.4 测试结果与分析351.测试方法352.测试结果36第六章 结 论37致 谢38参考文献39附录 设计系统部分源代码40绪 论随着生产自动化的发展，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气控制工程、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨学科的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。本课题所设计的智能小车，既具有操作机(机械本体)、控制器、伺服驱动系统和检测传感装置，是一种仿人操作、自动控制、可重复编程、能在三维空间完成灵活运动的自动化生产设备。随着工业自动化的不断发展,工业机器人被广泛应用于工业生产的各个部门,如采掘、喷涂、焊接、医疗等各大领域。由于工业机器人的出现,它不断替代了人们的繁重劳动,大大提高了劳动生产率,减轻了人们的劳动强度,此外,它能在高温、低温、深水、宇宙、放射性和其他有毒、污染环境条件下进行操作,日益体现出它的优越性。智能控制小车模拟机器人的运作，可以通过自己的动手排除故障，更加可以给学生一个实践操作的空间，加强学生的动手能力和思维能力。在制作的产品中，发现一些比较符合实际应用的玩具，而且成本低廉，能够运用实际生产并且有一定的新颖度，有一定的社会需求。在制作中提高自身对社会需求方向的灵敏度，发现商机，为自己在以后实现创业这个宏伟的目标中打下一个坚实的基础。第一章 1.1 研究目的及意义 通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测障碍、寻线和电机驱动等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹以及避障。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。从对红外线、电机驱动和光电开关在智能小车上的应用，可以进一步研发，将红外线技术应用到现实中的车辆上，比如红外线倒车警报系统、红外车辆防盗系统等等很多方面都可以利用。 1.2 国内外发展情况十九世纪末，随着内燃机的诞生，人们发明了最现代化的交通工具汽车。经过一个多世纪的发展，汽车技术、性能有了很大的提高，人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。在享受汽车交通上带来便利的同时，人们也发现运货是各个行业不可或缺的过程，人工运货随着经济的快速发展，不能完全满足市场的需求。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。 智能搬运小车可以安装不同的末端以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，可以广泛应用于机床上下料，冲压机自动化生产线，自动装配流水线，码垛搬运，集装箱等的自动搬运，大大减轻了人类繁重的体力劳动，具有广阔的市场前景。 最早的成型的搬运车始于1917年，即第一次世界大战快要结束的时候。世界大战结束后，世界经济迎来一阵复苏和发展的阶段，同时，手动液压搬运车的技术得到快速的发展。当时的物流主要是用于军事行动，提供供给之类，他的作用可见一斑。在第二次世界大战中，搬运车以比较成熟的形象亮相，得到了快速的发展和普遍的应用。我国搬运车发展历史较晚。在上世纪50年代，那是的企业搬运活动还是主要使用落后的人工搬运，费时费力，效率低下。随着战后经济的复苏，科技文化的发展，企业逐渐将高效率作为生产的主题之一。于是乎，政府和企业都认识到了物流对发展的重要性，高效搬运被单独提了出来，搬运物流业从人工搬运转向了机械化搬运。近30年来我国经济发展较快，对搬运车提出了更高的要求，特别是自从电子商务物流的快速发展，让第三方物流行业已经第四方物流行业得到了快速的发展，对搬运车设备提出了更高的要求，在过去的几年中，我国搬运车需求均呈现两位数增长，发展势头良好。国家已经将物流产业加入十大振兴产业规划当中，足见物流在提高社会效益方面的巨大作用。 搬运车作用作为物流搬运中的主力军，其作业不容忽视。物流，实物空间的移动活动，垂直移动称为堆高（堆垛）物流，平行移动称为搬运物流，这两个物流活动是物流活动中最常见的物流，还有装卸物流，这些物流过程均离不开搬运车的参与。搬运车的价值正日益凸显，搬运车主要功能是完成搬运物流活动。 搬运车发展历史，经历3代发展，搬运车发展正在向第四代发展。第一代搬运车为手动搬运车，简称CBY,其特点是自动化、智能化程度不高，但它为人工搬运向机械化搬运转化做出了巨大的贡献，时至今日，它在搬运车市场仍然具备一定的市场份额；第二代搬运车是以内燃叉车为代表的内燃搬运车，简称FT，具备较高的自动化，内燃叉车以发动机为动力，动力强劲，缺点是有废气排放污染环境，效能较低，有害人类健康，不适合食品行业使用；第三代搬运车是以电动叉车为代表的全电动搬运车，简称CBD,其自动化程度和内燃叉车相当，但它是节能环保理念推动的动力技术更新，使用的是电池动力，电动搬运车具备节能、无废气排放、噪音小等优点，是食品行业的最佳选择，由于其节能的突出优点，被搬运车行业认为是未来最有潜力的叉车之一，但目前遇到了发展瓶颈，由于其受电瓶容量的限制，功率小，作业时间短。第四代搬运车发展是以自动无人搬运车为代表的，简称AGVS,AGVS预计在本世纪50年代将得到大范围的应用，是当今柔性制造系统()和自动化仓储系统中物流运输的有效手段，现代的AGV是由计算机控制，多数的配有系统集中控制与管理计算机，用于对的作业过程进行优化，发出搬运指令，跟踪传送中的构件以及控制的路线，无人搬运车的引导方式主要有电磁感应引导、激光引导和磁铁陀螺引导等方式，可以给无人搬运车编程序输入引导搬运车完成搬运工作，是一种智能化比较高的搬运车。 伴随我国企业和政府对物流的进一步重视，以及经济全球化进程的进一步加快，我国搬运车发展前景非常的好，未来将在一段时间内呈现2到3位数的增长速度成长。 搬运车经历3代发展，搬运车发展正在向第四代发展。 第一代搬运车为手动搬运车，简称CBY,其特点是自动化、智能化程度不高，但它为人工搬运向机械化搬运转化做出了巨大的贡献，时至今日，它在搬运车市场仍然具备一定的市场份额。 第二代搬运车是以内燃叉车为代表的内燃搬运车，简称FT，具备较高的自动化，内燃叉车以发动机为动力，动力强劲，缺点是有废气排放污染环境，效能较低，有害人类健康，不适合食品行业使用。 第三代搬运车是以电动叉车为代表的全电动搬运车，简称CBD,其自动化程度和内燃叉车相当，但它是节能环保理念推动的动力技术更新，使用的是电池动力，电动搬运车具备节能、无废气排放、噪音小等优点，是食品行业的最佳选择，由于其节能的突出优点，被搬运车行业认为是未来最有潜力的叉车之一，但遇到了发展瓶颈，由于其受电瓶容量的限制，功率小，作业时间短。 第四代搬运车发展是以自动无人搬运车为代表的，简称AGVS,AGVS预计在本世纪50年代将得到大范围的应用，是当今柔性制造系统(FMS)和自动化仓储系统中物流运输的有效手段，现代的AGV是由计算机控制，多数的AGVS配有系统集中控制与管理计算机，用于对AGV的作业过程进行优化，发出搬运指令，跟踪传送中的构件以及控制AGV的路线，无人搬运车的引导方式主要有电磁感应引导、激光引导和磁铁陀螺引导等方式，可以给无人搬运车编程序输入引导搬运车完成搬运工作，是一种智能化比较高的搬运车。第2章 整体设计框架 2.1 方案选择及论证 根据自己的设计想法，系统要实现循线、壁障功能、搬运，必须要划分成为八个模块。对各个模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案。 2.1.1 控制模块选择 方案一： 采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器，CPLD可以实现各种复杂的功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑，最终放弃了此方案。 方案二： 采用凌阳的16位单片机，它是16位控制器，且有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高。但是当凌阳单片机作为处理器时，电路较为复杂，而且方案成本较高。方案三：采用STC公司的STC12C5A60S2单片机作为主控制器，STC12C5A60S2是一个低功耗、高性能、高速的51内核的CMOS 8位单片机，该单片机结果简单、功耗低、接口丰富，完全能满足此次智能小车设计的要求。最重要的是，它相对前两者成本最为低廉。从节约成本的角度考虑，最终选择了方案三 2.1.2 路面探测黑线轨迹模块在该设计中智能小车从起跑线到终点是对路面轨迹进行探测，探测路面黑线轨迹模块的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱判断是否小车沿黑线行驶。方案一：采用可见光发光二级管与光敏二极管 组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其它环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采用超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。方案二：采用反射式红外发射-接收器。采用红外管代替普通可见光管，可以明显降低环境光源干扰，提高了控制精度。基于此，拟选用方案二。 2.1.3 探测路面障碍模块方案一：采用红外线光电开关。由于红外线指向性强，在介质中传播远，因而红外线经常应用于距离的测量、障碍物的探测等。红外线探测障碍物并绕过障碍物模块是利用红外线发射器向某一方向红外线，红外线在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，红外线接收器收到反射光经相应的电路进行处理，以测定障碍物的方位及距离，并向小车发送控制信号以使小车绕过障碍物。方案二：采用超声波穿感器，超声波传感器探测障碍是利用超声波发送模块向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，在一定距离内遇到测定的障碍物就会立即返回超声波接受模块接受，再由相关电路处理，以测定障碍物的相关方位、距离。超声波传感器成本相对较高，以上两种方案都是比较可行的。尤其是红外线光电开关，应用相当广泛、但是为了本题目更加的实用和有效，超声波传感器成本相对较高，电路较为复杂，采用红外线光电开关，更加合适与有效，更加有利于发现前方障碍物。所以本设计选择方案一。 2.1.4 电机模块方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源。 2.1.5 电机驱动模块方案一：使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案三：采用由集成了双极性管组成的H桥电路芯片L298N。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术。综合三种方案的优缺点，决定选择方案三。 2.1.6 车架选择方案一：使用四轮驱动的电动小车，这样速度方面非常流畅，但灵活性不足，特别是遇到障碍物时，转弯非常不流畅，程序方面还要相对复杂，对于小车的躲避障碍物非常不利。方案二：使用两轮驱动的电动小车，虽然速度上无法与四轮的小车相提并论，不过灵活性上却是大大的提升，对于躲避障碍物方面有重要的改变，非常适合题目要求。综合两种方案的优缺点，决定选择方案二。 2.1.7搬运模块方案一：适用舵机控制的机械臂，虽然比较容易抓取，但很难定位物体的位置。可上述选择的单片机在功能上显然不太够用，而且价格比较昂贵方案二：选择自制一个叉形结构，用带齿轮的电机拨动带有齿条的叉形结构来实现上下运动，从而实现简单的棒状结构的搬运。 2.1.8仓库识别模块这模块经过反复思考，只想出了一种方案，在仓库出放置涂有红和绿的金属片，在行进的过程中先经过金属探测器探测确定位置立即停下来，然后通过颜色识别传感器TCS230来识别金属片颜色，取定货物需由红色金属片出转移至绿色金属片处。从而有单片机操纵搬运模块实现运货与卸货。 2.1.9 最终方案选择经过反复论证，最终确定了如下方案： 采用STC12C5A60S2单片机作为控制器；用反射式红外发射-接收器进行黑线检测；采用红外线光电开关来探测路面障碍物；L298N作为直流电机的驱动芯片；电机模块使用普通直流电机；使用两轮的车架增加灵活性；仓库识别模块采用金属探测器和颜色传感器；搬运模块采用由直流电机带动的叉形结构。 2.2 方案可行性分析红外寻线模块，是通过红外二极管发出红外线，根据红外线在白色和黑色物质上反射回来的强弱，来判断黑线的位置。本项目采用的是一体红外接收装置，当遇到黑色物时送给单片机一个高电平触发，进而通过事先编辑好的程序控制电机的运转。通过分析，此模块可以准确的进行循线功能。光电开关避障模块，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。 本次设计采用红外线漫反射型光电开关，它是通过发光器发出一个光信号，当障碍物挡住光时，把部分光线反射回来，收光器就接受到光信号，输出一个开关信号。输出的开关信号由控制器处理，判断前方是否由障碍，从而确定是否要转向。通过分析，此模块可以用来探测障碍。动力方面，此次设计使用了L298N电机驱动模块，L298N是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。通过分析，它能很好的驱动电机。搬运方便，采用金属探测器和颜色识别传感器，仓库位置的识别可靠性较高，自制叉形结构在物理结构上可能会不太完美，但基本能实现搬运。综上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地进行智能小车实物的创作。第3章 硬件设计智能小车采用两轮驱动，左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。将八个红外线光电传感器分别装在车体的左右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向左修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向右修正。避障的原理和循线一样，在车头的前面装了一个红外线光电开关，当前方传感器检测到障碍物时，车子向右转，从而避开障碍物。 3.1 系统总体设计框图系统硬件电路的设计采用了模块化的设计方法，系统硬件电路由光电开关避障模块，单片机最小系统模块，电源模块，电机驱动以及寻迹模块多部分组成，各模块即可组合联调也可单独使用。如图3-1所示为智能小车硬件设计方框图。 3.2 红外线光电开关模块在本设计中红外光电开关模块是智能小车前向通道的主要组成部分，本设计采用E3F-DS30C4作为探测前方障碍物体的检测元件，光电开关发出信号由单片机89C51产生。E3F-DS30C4的工作电压为5V，工作电流为10mA，驱动电流为100mA，感应距离为30cm。结合题目指标和实际测试结果，本设计中设定感应距离为6cm。图3-1 系统功能模块图 3.2.1 光电开关的工作原理光电开关是传感器中的一种,它把发射端和接受端之间光的强弱变化为电流的变化以达到探测的目的。光电开关是光接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无得。所以能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱对目标物体进行探测。工作原理如图3-2所示。发光器障碍物收光器 图3-2 光电开关工作原理图 3.2.2 光电开关的类型红外线光电开关它利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均可检测。根据检测方式的不同，红外线光电开关可分为四种：漫反射式光电开关、镜反射式光电开关、对射式光电开关、槽式光电开关。漫反射光电开关是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。图3-3为漫反射光电开关工作原理图。图3-3 漫反射式光电开关工作原理图镜反射式光电开关亦是集发射器与接收器于一体，光电开关发射器发出的光线经过反射镜，反射回接收器，当被检测物体经过且完全阻断光线时，光电开关就产生了检测开关信号。图3-4为镜反射式光电开关工作原理图。图3-4 镜反射式开关工作原理图对射式光电开关包含在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器，发射器发出的光线直接进入接收器。当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时，光电开关就产生了开关信号。当检测物体是不透明时，对射式光电开关是最可靠的检测模式。图3-5为对射式光电开关工作原理图。槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。图3-6为槽式光电开关工作原理图。图3-5 对射式光电开关工作原理图槽式光电开关通常是标准的U字型结构，其发射器和接收器分别位于U型槽的两边，并形成一光轴，当被检测物体经过U型槽且阻断光轴时，光电开关就产生了检测到的开关量信号。图3-6为槽式光电开关工作原理图。图3-6 槽式开关工作原理图本次设计所使用的光电开关德国SICD公司所生产的E3F-DS30C4，如图3-7。E3F-DS30C4为常开型红外线漫反射式光电开关，由于漫反射光电开关的工作方式，决定了其功用，正符合本设计检测障碍物所用。图3-7 E18-B03N1红外线漫反射式光电开关3.2.3 壁障光电管电路的设计采用E18-B03N1光电开关，其检查距离为30cm，是常开型漫反射式红外线光电开关，它有三个引脚，把光电开关焊为上图所示，信号线和电源线分开方便连接。如图3-8所示E18-B03N1电路连接图。图3-8 光电开关电路连接图3.3 电机驱动模块由于单片机I/O口驱动能力弱，不能直接连接直流电机，故需要驱动芯片进行驱动。该设计采用的是基于L298N的电路连接方式，L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。L298N是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其电路如图3-9所示。1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，成电流传感信号。本电路未用到采样所以将其接地。L298N可以驱动2个直流电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5脚、7脚、10脚、12脚接输入控制信号，控制电机的正反转，ENA，ENB为电机控制使能端，控制电机的停转。本电路中分别与单片机89C51相连，L298N的逻辑功能如表3-1所示。表3-1 L298N逻辑功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)电机运行情况HHL正传HLH反转HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止图3-9 电机驱动电路原理图图3-10 电机驱动实物图由于电机在正常工作时对电源的干扰很大，所以在电机的驱动信号输入端并联电容，用以滤除噪声干扰。电机驱动模块实物图如图3-10所示。3.4 红外循线模块3.4.1 红外放射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图3-11所示。反射表面发射接收图3-11红外发射接收原理3.5 红外循线具体设计与实现每 1路的传感器的红外发射管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态，此时模块的TTL输 出端为高电平，相应指示二极管一直处于熄灭状态；当被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，红外接收管导通，此时模块的TTL输出 端为低电平，指示二极管被点亮。图3-12 YL40四路循迹传感器图3.6金属探测模块电感式接近开关由三大部分组成:振荡器、开关电路及放大输出电路。振荡器产生一个交变磁场。当金属物体 接近这一磁场，并达到感应距离时，在金属物体内产生涡流，从而导致振荡衰减，以至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开磁信号，触发驱动控制器件，从而达到非接触式这检测目的。 物体离传感器越近，线圈内的阻尼就越大，阻尼越大，传感器振荡器的电流越小。图3-9 金属探测器原理图3.7颜色识别模块 1.TCS230芯片的结构框图与特点: TCS230是TAOS公司推出的可编程彩色光到频率的转换器，它把可配置的硅光电二极管与电流频率转换器集成在一个单一的CMOS电路上，同时在单一芯片上集成了红绿蓝（RGB）三种滤光器，是业界第一个有数字兼容接口的RGB彩色传感器，TCS230的输出信号是数字量，可以驱动标准的TTL或CMOS逻辑输入，因此可直接与微处理器或其他逻辑电路相连接，由于输出的是数字量，并且能够实现每个彩色信道10位以上的转换精度，因而不再需要A/D转换电路，使电路变得更简单，图1是TCS230的引脚和功能框图。图1TCS230结构框图上图中，TCS230采用8引脚的SOIC表面贴装式封装，在单一芯片上集成有64个光电二极管，这些二极管分为四种类型，其16个光电二极管带有红色滤波器；16个光电二极管带有绿色滤波器；16个光电二极管带有蓝色滤波器，其余16个不带有任何滤波器，可以透过全部的光信息，这些光电二极管在芯片内是交叉排列的，能够最大限度地减少入射光辐射的不均匀性，从而增加颜色识别的精确度；另一方面，相同颜色的16个光电二极管是并联连接的，均匀分布在二极管阵列中，可以消除颜色的位置误差。工作时，通过两个可编程的引脚来动态选择所需要的滤波器，该传感器的典型输出频率范围从2Hz500kHz，用户还可以通过两个可编程引脚来选择100、20或2的输出比例因子，或电源关断模式。输出比例因子使传感器的输出能够适应不同的测量范围，提高了它的适应能力。例如，当使用低速的频率计数器时，就可以选择小的定标值，使TCS230的输出频率和计数器相匹配。从图1可知：当入射光投射到TCS230上时，通过光电二极管控制引脚S2、S3的不同组合，可以选择不同的滤波器；经过电流到频率转换器后输出不同频率的方波（占空比是50），不同的颜色和光强对应不同频率的方波；还可以通过输出定标控制引脚S0、S1，选择不同的输出比例因子，对输出频率范围进行调整，以适应不同的需求。下面简要介绍TCS230芯片各个引脚的功能及它的一些组合选项。S0、S1用于选择输出比例因子或电源关断模式；S2、S3用于选择滤波器的类型；OE反是频率输出使能引脚，可以控制输出的状态，当有多个芯片引脚共用微处理器的输出引脚时，也可以作为片选信号，OUT是频率输出引脚，GND是芯片的接地引脚，VCC为芯片提供工作电压，表1是S0、S1及S2、S3的可用组合。表一 引脚输出状态图 2.TCS230识别颜色的原理 由上面的介绍可知，这种可编程的彩色光到频率转换器适合于色度计测量应用领域，如彩色打印、医疗诊断、计算机彩色监视器校准以及油漆、纺织品、化妆品和印刷材料的过程控制和色彩配合。下面以TCS230在液体颜色识别中的应用为例，介绍它的具体使用。首先了解一些光与颜色的知识。（1）三原色的感应原理 通常所看到的物体颜色，实际上是物体表面吸收了照射到它上面的白光（日光）中的一部分有色成分，而反射出的另一部分有色光在人眼中的反应。白色是由各种频率的可见光混合在一起构成的，也就是说白光中包含着各种颜色的色光（如红R、黄Y、绿G、青V、蓝B、紫P）。根据德国物理学家赫姆霍兹（Helinholtz）的三原色理论可知，各种颜色是由不同比例的三原色（红、绿、蓝）混合而成的。（2）TCS230识别颜色的原理 由三原色感应原理可知，如果知道构成各种颜色的三原色的值，就能够知道所测试物体的颜色。对于TCS230来说，当选定一个颜色滤波器时，它只允许某种特定的原色通过，阻止其他原色的通过。例如：当选择红色滤波器时，入射光中只有红色可以通过，蓝色和绿色都被阻止，这样就可以得到红色光的光强；同时，选择其他的滤波器，就可以得到蓝色光和绿色光的光强。通过这三个值，就可以分析投射到TCS230传感器上的光的颜色。 （3）白平衡和颜色识别原理 白平衡就是告诉系统什么是白色。从理论上讲，白色是由等量的红色、绿色和蓝色混合而成的；但实际上，白色中的三原色并不完全相等，并且对于TCS230的光传感器来说，它对这三种基本色的敏感性是不相同的，导致TCS230的RGB输出并不相等，因此在测试前必须进行白平衡调整，使得TCS230对所检测的白色中的三原色是相等的。进行白平衡调整是为后续的颜色识别作准备。在本装置中，白平衡调整的具体步骤和方法如下：将空的试管放置在传感器的上方，试管的上方放置一个白色的光源，使入射光能够穿过试管照射到TCS230上；根据前面所介绍的方法，依次选通红色、绿色和蓝色滤波器，分别测得红色、绿色和蓝色的值，然后就可计算出需要的3个调整参数。 当TCS230识别颜色时，就用这3个参数对所测颜色的R、G和B进行调整。这里有两种方法来计算调整参数：1、依次选通三颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R、G和B的值。2、设置定时器为一固定时间 （例如10ms），然后选通三种颜色的滤波器，计算这段时间内TCS230的输出脉冲数，计算出一个比例因子，通过这个比例因子可以把这些脉冲数变为255。在实际测试时，室外同样的时间进行计数，把测得的脉冲数再乘以求得的比例因子，然后就可以得到所对应的R、G和B的值。3.应用中需要注意的问题 (1)颜色识别时要避免外界光线的干扰，否则会影响颜色识别的结果，最好把传感器、光源等放置在一个密闭、无反射的箱子中进行测试。 (2)对光源没有特殊的要求，但是光源发出的光要尽量集中，否则会造成传感器之间的相互干扰。 (3)当第1次使用TCS230时，或TCS230识别模块重启、更换光源等情况时，都需要进行白平衡调整。3.8 最小系统模块3.8.1 晶振电路的设计晶振电路由频率为12MHz的晶体作为时钟，两个20pF的瓷片电容构成，如图3-13所示。由于机器周期为晶体周期的12倍，因此使用该晶体时，机器周期=1us。晶体和瓷片电容相同，在焊接时没有正负极之分外部时钟电路完成后，给单片机上电，如果时钟电路及单片机工作正常，则X2对地电压和X1对地电压均在2.3V左右（0.5V）图3-13 晶振电路3.8.2 复位电路的设计复位电路比较简单，由一个10pF的电解电容、一个开关按键、一个10K的电路构成，如图3-14所示。图3-14 复位电路图图3-15 单片机最小系统3.9 电源模块本次设计所用的电源为12V直流铅蓄电源，经过L298N的降压稳压，把12V的直流电源变为5V的电源，供电给单片机工作。图3-16 12v铅蓄电池第4章 软件设计在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制小车。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。本系统软件采用模块化结构，由主程序避障子程序循线子程序、搬运子程序、中断子程序等构成。4.1 主程序流程图如图4-1为主程序流程框图，打开电源，小车运行。小车检测黑线，如果遇到黑线，则红外传感器输出低电平，小车沿着黑线行驶。小车装有四个红外传感器，分别两左两右，用来探测黑线信号。假如中间两个灯亮，小车直行，右边灯亮，小车向左，左边灯亮，小车向右。左右两个传感器不断修正轨迹，使小车始终保持沿黑线行驶。小车运行，在检测黑线的同时，也在检测障碍物，如果小车前方有障碍，朝前的两个光电开关给单片机输出一个高电平，同时小车安装程序立即停止，避开障碍。小车检测黑线的同时还在检测金属，如果遇到金属，单片机立即让小车制动，停止，然后由颜色传感器识别颜色判断抓取还是放下。抓取之后，继续进入大循环，开始循迹，等待下一次探测到金属，识别颜色并卸下货物。4.2 避障子程序流程图如图4-2为避障模块流程图，小车开始运行，红外线光电传感器为高电图4-1 主程序流程图平，光电传感器检测障碍物，如前方有障碍物，红外线光电传感器向单片机输出低电平，单片机接收低电平信号，控制电机改变转向；如前方无障碍物小车向前运行。4.3 循线子程序流程图图4-3为循线模块流程图，小车初始化完毕，等待接受信号。如果左边红外线接收管为高电平，则小车向左转，如不是，则继续运行；如果右边红外接收管为高电平，则小车向右转，如不是则保持运行。NY开始小车运行检测障碍物小车停止小车向前图4-2 避障模块流程图图4-3 巡线子流程图4.4搬运子程序流程图图4-4 搬运子程序小车搬运流程图如图4-4。小车开始循迹运行，金属探测器探测到金属立即停止，颜色传感器识别标志位颜色，通过颜色的不同来判断该位置是抓取还是释放。动作完毕，小车继续正常运行。第5章 系统调试和测试5.1 安装步骤1.检查元件的好坏按电路图买好元件后首先检查买回元件的好坏，按各元件的检测方法分别进行检测，一定要仔细认真。而且要认真核对原理图是否一致，在检查好后才可上件、焊件，防止出现错误焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理图的位置放置各元件，在放置过程中要先放置、焊接较低的元件，后焊较高的和要求较高的元件。特别是容易损坏的元件要后焊，在焊集成芯片时连续焊接时间不要超过10s，注意芯片的安装方向。5.2 电路调试首先烧入电机控制小程序，控制电机正反转，停止均正常。说明电机及驱动电路无误。然后加入避障子程序，小车运转正常时，光电开关模块灵敏度使达到理想效果。接下来测试红外循线模块的二极管是否有亮灯，有的话，代表有用不需更换，接着输入程序进行简单的循线活动，测试灵敏度是否达到要求。在调试程序时，发现有的指令用的不正确，特别测试红外循线模块的时候，一些比较急的弯，转弯不够灵活，非常容易走出跑道，对于这段程序调试了比较长的时间。5.2.1 光电开关模块调试过程光电开关采用的是红外线漫反射型光电开关，直径为18毫米的圆柱体，工作电压为5V，消耗电流25mA，响应时间2ms，指向角15，正常工作环境温度为-25+55。当电路连接好，检测小车有无变相，若无，光电开关常态下正常。调试过程中，可取出一张白纸，当作障碍物，挡在小车面前方3cm处，如果小车向右转，则光电开关正常。在把白纸放在小车前方4cm处，在测量小车有无反应。按照如此方法，调节软件程序，最后成功把小车的探测距离，确定在要求范围内。5.2.2 电机模块调试过程由于采用的电机供电电压是9V，而电机额定工作电压是6V，所以可使电机转动的PWM值范围可从5% 65%左右。由于电机的感性阻抗作用，随着PWM频率的升高，感抗增大，导致电流减小。尤其设计中所采用的电机是遥控车电机，额定电流较小，线圈匝数必然较多，感抗自然就较大。 PWM的原理，其实就是面积等效原理，在采样控制理论中有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同宽度的脉冲来等效一些想要的波形。5.2.3 红外循线模块调试过程首先利用万用表测试是否有发光二极管不亮的，有的话再坚持是否因为短路或者二极管烧坏，然后通过循迹模块的电位器调节当前环境下20mm距离的临界点，使光电开关照射到黑色是关闭状态，照射到白色是打开状态。在接着在输入程序，接着做一个简单的跑道进行简单的测试，跑道如图5-2。利用这个跑道可以简单的了解各功能是否正常运行。A起点E起点C起点B起点D起点图5-2测试跑道从D点到B点的弯道上，总是会出现出轨道的情况，后来经过改变程序和利用塑胶减小光的影响，最后成功让小车顺利过弯成功。5.2.4 测试结果与分析1.测试方法（1）开启电源开关，将智能电动车放于起跑线位置，智能电动小车在“直道区”行驶过程中，检查看其是否沿跑道运行，再检测是否能顺利转弯。（2）当小