《基于单片机的智能搬运小车设计》8900字（论文）

基于单片机的智能搬运小车设计目录TOC\o"1-2"\h\u5777摘要 1294441绪论 2290831.1课题研究的目的和意义 2259071.2国内外研究现状 3314291.3设计任务与要求 4280811.4本文内容安排 4112512方案论证 4220942.1系统工作 5269532.2方案设计 5195373硬件设计 6116383.1元器件选择 7293393.2各单元电路设计 12384软件设计 16315864.1循迹子程序 17136984.2小车位置确定及物体搬运 18320904.3显示子程序 185657总结 1916949参考文献 20摘要在二十一世纪，随着科学技术的飞速发展，电动控制已经成为不可忽视的动态量，并在机械领域发挥了重要作用。该电动货物搬运小车系统由ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制核心进行控制，并且与工业标准的MCS-51指令集和输出引脚兼容。该系统基于智能小车的检测和控制，以小车智能搬运为目的进行研究。该系统使用铁片来模拟货物，自动小车主要实现小车的自动循迹，定点取卸货物功能和计时功能。执行选择正确的行驶路线，运输货物和记录所用时间的功能。该系统使用AT89C51单片机作为控制基础，使用红外传感器查找路径，并将检测到的信号发送到单片机，以便小车自动在固定路径上行驶，并使用红外传感器来检测铁片。到达要求的位置后，使用电磁铁实现自动取物。在小车运行的过程中，可以自动记录运行时间及搬运数量。本文主要针对小车的各项功能展开介绍。关键词:AT89C51单片机；小车；智能；搬运绪论1.1课题研究的目的和意义随着国内物流技术的发展，电动货物搬运车，这种机械和电子技术相结合的工业产品得到了广泛的应用。国内外许多知名制造商均研发出全系列产品。为了在操纵车辆的过程中保证车辆行驶的安全性、稳定性以及驾驶的舒适性，转向系统性能必须把握好。高品质，操纵简单，结构紧凑，电控系统反应灵敏，适用于比较狭小的空间等都是电动货物搬运车的优点。目前市场上的同类产品销售状况良好，价格合理，激烈的市场竞争下，客户需求量还在逐年不断增加，因此，对电动货物搬运车的技术研究与应用是一件很有意义的事情，并且体现了极高的市场价值。同类电动系列产品动力方面采用双电源供电，驱动采用直流电机，不仅提高了效率，还节省了很大的一部分资源，市场认可度较高。近几年在工业现场中，大部分还在采用人工的操作方式，在极其恶劣的环境中显然是比较危险以及不方便的，所以我们对智能搬运车的研究更要加快速度。目前市面上的智能搬运车已经在很多行业中得到广泛应用，例如：医疗、救援、焊接、检测等。此外，对智能搬运车的自动驾驶功能的研究将有助于智能车辆的研究。智能车辆驾驶任务的自动完成将对人类社会的进步产生巨大的影响，例如，它可以有效地提高道路网络的利用率，减少车辆的油耗，并提供改善道路交通的新的解决方案。智能作为现代社会的新发明，也是以后的发展方向。而本文着重介绍的是智能机器人范畴内的一部分，即智能搬运小车。1.2国内外研究现状目前，国内的电动汽车主要用于居家旅游以及货物的运输。电动旅游车的主要应用在公园，景点，娱乐中心，大学，医院，高尔夫球场和其他地方来进行载客。电动货物搬运车目前运用在物流仓库、码头、工厂等。一般情况下，电动车的使用寿命大概为八年到十年左右，电动车所搭载的蓄电池大概可以使用一年到四年之久，这个结果取决于电池的维护与保养。电动汽车的发展历史：起源于1880年，用作私家车，卡车和城市公共交通工具。电池车的低速和有限的充电范围并不是缺点，但是它的静音性和较低维护成本使它很受欢迎。在二十世纪二十年代之前，装载有电池的汽车与传统的使用汽油的汽车开始竞争。后来，随着电动启动器使汽油动力汽车更具吸引力，并且批量生产降低了汽油动力汽车的成本，电池动力汽车的数量开始减少。在欧洲，电动汽车已被用作短途货运车辆。从1970年开始，各国对电动汽车重新产生了兴趣，尤其受到不应该依赖外国的石油和环境问题的影响，这些问题导致电池驱动的汽车行驶的速度和距离不断提高。尽管我国的电动工业车辆始于1952年，但其发展速度远远落后于其他发达国家。当时，三电（电池，电机和电子控制）和归口管理的落后限制了电动工业车辆的发展。改革开放期间，工业生产开始追求自动化，所以在对于货物搬运方面提出了更高的要求，室外搬运作业限制少，而对于处在室内和半室内的操作，情况更为复杂，操作起来更具有难度性。现代社会中，对污染和噪音的要求越来越高，还需要考虑所经过的通道宽度、门限以及承重。普通卡车难以解决诸如防爆和人员在个别情况下难以接近之类的问题。然而，仅具有电池电动机的工业车辆相对容易满足这些复杂条件。充电设备质量的提高，电子控制技术的飞速发展以及工业车辆行业整体技术水平的提高，大大提高了电动工业车辆的舒适性和可靠性，极大地提高了运行效率并大大减少了维护费用。新世纪的发展追求零污染，少污染的目标，因此，电动汽车的出现无疑是解决了这个难题，在环保的要求下，电动汽车是唯一可以实现零排放的机动车，科学技术的进步与发展以及新型材料的研发，使得电动汽车进入了快速发展的阶段。自动搬运车，显而易见是为了实现无人驾驶所设计的新型汽车产品，属于现代物流处理自动化的有效手段，因此，自动搬运车在现实社会中得到的广泛的应用，人们对它的需求也越来越大，致使我们对自动搬运车的研究具有理论意义和现实意义。车辆在行驶过程中，肯定少不了对道路的检测，因此，我们必须要用到各式各样的传感器，市面上出现的传感器种类丰富，功能各不相同，其中视觉传感器成为了车辆自动行驶的重要组成部分。视觉传感器的主要设备是摄像管或CCD，但其尺寸，价格和用途并没有优势。因此，在不需要清晰图像的系统中使用红外接近传感器是一种切实有效的选择。1.3设计任务与要求本课题是结合科研项目而确定的设计类课题。主要设计任务是：1.完成小车的自动循迹功能。2.小车到达指定地点之后自动完成取物卸物功能。3.在小车运行的期间记录小车搬运所需的时间及货物数量。1.4本文内容安排根据题目的要求，该系统的设计主要由硬件部分和软件部分组成。硬件部分是围绕主控芯片AT89C51展开的硬件电路板，主要由小车各个功能模块的硬件电路组成。软件部分通过对搬运小车要实现的各个功能模块的编译，将编译程序写入到写入器中，之后通过写入器下载到硬件部分的芯片中执行从而实现搬运小车要实现的各个功能。文章首先介绍了无人操纵搬运车的研究背景和现状，其次通过对课题的分析，拟定设计思路，然后写出了整个系统运行所需要的硬件和软件的设计思路以及该如何实现各个功能，并对各个功能中的涉及到的技术要点进行展开分析，最后通过对各个功能模块的整合从而实现小车的自动循迹取物功能。2方案论证在了解了课题之后，可以初步编写设计方案，并可以对设计方案进行演示和分析。以下是具体方案的论证。2.1系统工作该课题的主要研究内容是小车的自动搬运功能。在实现搬运功能的时候，小车首先要实现自动循迹的功能，小车要按照既定的路线行驶，所以，小车首先要实现从任意一点出发到达我们所设置A点，（A点即为起点），也是小车检测货物的点，当小车可以检测到货物后，小车执行自动拾起功能并按规定的路线行驶到B点（放物点）放下货物，最后循环以上操作。小车在实现搬运的过程中还要自动记录搬运所用时间及所搬运铁片的数量。如果小车行驶到起点没有检测到货物，则自动行驶到C点（停车点）停车。在小车行驶及搬运的整个过程中，使用铁片来模拟货物。小车在行驶以及搬运的过程中，不需要人为操作。如果小车出现故障无法行驶或者无法识别，操作者可以手动将系统复位。2.2方案设计此次设计分为软件设计与硬件设计两部分。本次设计所采用的的主控芯片是AT89C51，它的功能是负责控制电机检测各个传感器的状态。其系统的原理框图，如图2.1所示。图2.1原理框图通过以上框图可以知道，首先，小车是在全自动条件下运行，因此AT89C51微控制器被用作整机的控制单元。在单片机的控制下，小车可以自动执行并完成各项功能。小车在行驶过程中如果要实现自动循迹和铁片的检测功能，必须要完成检测黑带的步骤并能够识别铁片，因此选择适合实现此功能的传感器显得格外的重要。实现自动循迹是基于光电传感器从而实现小车按照黑线行走，并通过电感式接近开关来检测铁片的存在，检测到铁片后，信号传输到电磁铁，使得电磁铁通电从而完成对铁片的拾取。当检测不到铁片时，小车将通过软件控制自动行驶到规定的位置。在整个行驶及拾取的过程中，使用LED数码管的显示功能，将小车拾取铁片的数量和时间表达出来。图2.2程序总流程图同时，为了能够准确实现行驶及取物功能，所以可以采用图2.2所示程序流程图进行设计。3硬件设计为了能够实现小车的自动寻迹取物功能，则需要细致的考虑硬件选择问题。可以说，在这个课题中每个设计部分都是可以独立实现的，所以在设计中，每一个小部分上要充分实现题目要求。只有这样才能够使整个课题所要求的效果得到充分展示。3.1元器件选择根据题目要求，小车主要实现的功能有自动循迹，检测物体并拾取，放下物体并行驶到固定地点，并且实现记录数量，时间。为完成以上功能，下面逐一介绍元器件的选择。3.1.1核心控制单元电路的选择方案一：采用数字逻辑电路制作，用IC拼凑焊接实现。方案二：采用STM32控制器方案三：采用单片机AT89C51来作为整机的控制单元。方案一使用简单方便但使用器件较多且连线复杂，体积大，效率低，不利于小车智能化的扩展，信号处理方面比较困难。方案二虽然性能高，数据处理能力强，但操作起来较复杂，且本设计用不到32位处理系统，方案三硬件简洁，且各个功能易于实现。基于以上分析拟定方案三。单片机相当于小车的大脑，在小车的整体运行过程中，起着控制小车的重要作用。正确选用单片机作为小车的核心控制单元，本设计的主控芯片选择AT89C51，负责检测传感器的状态并控制电机。在这里也可以选用AT89C52，但AT89C52的E2prom是8K而此次设计系统只需要4K就能够完成设计需要所以选择AT89C51。AT89C51是一种带4K字节闪烁功能，并且只读存储器，可以擦除、编程。他的特点就是低电压，高性能，我们俗一般称它为单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，并且与工业标准的MCS-51指令集和输出引脚兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。如图3.1所示。图3.1AT89C51如图3.2为AT89C51的引脚图。图3.2AT89C51引脚图下面简单介绍下AT89C51的各引脚的功能。3.1.2传感器的选择根据要求，小车要能够自动沿轨迹行驶，在循迹时需要使用的传感器。所以要了解传感器的种类，并选择出适合该课题的传感器。在黑带检测方面可以有以下三种方案。方案一：采用热探测器。方案二：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。方案三：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。方案一利用接收到的红外辐射，从而引起温度变化，继而引起电信号的输出，且输出的电信号与温度的变化成比例，热辐射散发能量导致温度产生变化，与波长没有关系，因此其对吸收的红外辐射的波长没有选择性，外界对它的影响较大。方案二受可见光影响较大，稳定性差。方案三利用不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点，小车在行驶过程中向地面发射红外光线，红外光线在照射到地面上时发生漫反射，小车上的接收管接收反射光，如果遇到黑线，红外光将会被吸收，小车就不会接收到信号，此方案操作简单，易于实现。故选择方案三。这里选用的是市面上常见的TCRT5000，如图3.3所示。图3.3TRCT5000TCRT5000是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。采用TCRT5000完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的实施检测。TCRT5000采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。且当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。3.1.3铁片检测及拾取的器件选择物体检测方面，可以首先采用市面易购的电感式接近开关，本系统采用市面比较通用LJ12A3-4-Z/BX来完成铁片检测的任务。虽然电感式接近开关占的体积大，对本系统是可以接受，且输出信号较可靠，受外界的干扰小；但其输出高电平只有0.7V，所以应使用电压比较器与一个0.3V的电压进行比较，产生标准TTL电平信号，0.3V小电压可以使用普通电阻串联分压获得，稳定性较好。电感式接近开关由振荡器、开关电路和放大输出电路组成。振荡器会自发产生一个交变磁场。如果有金属物体靠近振荡器所产生的磁场，并可以达到感应距离时，所检测的金属物体周围就会产生涡流，导致振荡衰减甚至停振。后级放大电路将振荡器自发产生的振荡和停振的变化进行处理，然后将它转换成开关信号的形式，只有这样才能使控制器件启动，从而实现无接触就能检测到被测物体的目的。在铁片拾取方面，选择控制简单，使用灵活的电磁铁。3.1.4车体及驱动电路选择对于小车车体的要求有以下两种选择。方案一：履带式小车方案二：选用小车车体为三轮小车方案一是由两条履带构成，两个电机控制它的行驶，小车想要实现直行和后退，两条履带的速度就得达到一致，如果两条履带速度不同时，小车则可以实现转向的功能。该方案虽然稳定性较高，但此类小车花费成本较高，不适用于我们本次较为简单的课题。方案二采用两个前轮驱动，各由两个直流电机控制，后轮只有一个轮胎，容易实现转向等功能。这种小车成本低，且易于实现本课题的要求。所以我们选择方案二。所选出的三轮小车如图3.4所示。图3.4三轮小车如图3.5所示。3.1.5显示器件的选择根据课题要求，在方案设计中需要有显示部分，该部分的作用是，显示单次运货所用时间及所运货物的数量。所以在选择显示部分所用器件时，有以下两种方案。方案一：采用LCD显示。方案二：采用LED七段数码管。方案一使用单片机就可以实现显示的功能，但是在真正演示的时候，呈现出的亮度和显示字体的大小都不太令人满意，而且这种方案性价比较低。方案二电路结构比较简单易懂，显示效果也很优，调试起来也比较简单。而且此方案使用最经典的电路驱动和电路译码，所以我们选用方案二。LED数码管有两种，一种是共阳极，另一种是共阴极。它的工作特点是：当字段电极接高电平，公共阳极接低电平时，相应字段可以发光。共阳极数码管则与之相反，它是将发光二极管的阳极(正极)短接后作为公共阳极。当驱动信号为高电平、Ө端接低电平时，才能发光。LED的发光颜色由它的输出光谱所控制，光辐射纯度也与之有关，这也体现出了半导体材料独特的性能。LED数码管的产品中，以发红光、绿光的居多、这两种颜色也比较醒目。LED数码管相当于几个有发光性能的PN结。PN结导通时，通过注入少数载流子，并且伴随着慢慢的复合而达到辐射发光的目的，它的伏安特性和普通二极管极其相似。正向导通之前，PN结的电流几乎为零，所以字段不会发出光亮。当电压达到或者超过开启电压时，电流产生并不断增强，从而实现字段发光的功能。因此，LED数码管的发光亮度L(单位是cd／m2)是受正向电流IF的影响的，用公式表示即为：式（3.1）从式中可以看到，正向电流增大，亮度增强。正向电流的大小和管芯材料的不同则会影响数码管正向电压的大小。我们在日常使用LED数码管时，10mA左右／段的工作电流最为适合，既能保证亮度合适，又不会对器件产生损坏。在此次设计中，选用共阴极的四位数码管，从而显示搬运时间及个数。如图3.6所示。图3.6四位数码管3.2各单元电路设计通过以上器件的介绍及选择可以知道，此次课题所设计的系统主要需要的器件，并通过不断设计实现课题要求的功能。下面具体介绍下器件引脚图或设计的电路原理图。3.2.1传感器及调理电路的设计在上一部分已经介绍了所选用的传感器为TCRT5000，为了把传感器连接到实物中，所以还要了解TCRT5000各个引脚的作用。如图3.7所示，蓝色小灯为红外发射端，黑色小灯为红外接收端，而引脚1，2，3，4分别为：Anode，Cathode，Colector，Emitter。图3.7TCRT5000引脚图在了解传感器引脚后，则就可以针对课题要求设计出检测黑带的电路，如图3.8所示。TCRT5000TCRT5000TCRT5000TCRT5000P3.5P3.6P3.7AT89C51图3.8循迹电路图通过以上的电路图，可以了解到，由发射管4发射的红外光线照射在地面上后，光线经反射后被接受管3接受。传感器正常工作时，输出电平为高电平，当传感器接受不到反射信号时，则输出低电平，此时低电平信号会通过P3.5或P3.7输送给单片机处理，从而判断预先编译的哪一种程序用来控制小车的行驶。红外传感器的安装位置如图3.9所示。图3.9传感器安装位置根据安装图可知，小车在行驶的过程中如果没有按轨迹行驶，有点偏右，则安装在小车左边的传感器就不会接收到反射光线，安装在小车中间的传感器接收到反射光线，从而使小车重新按照规定的轨迹行驶。若小车向左偏移，则安装在小车右侧的传感器不会接收到反射光线，同理中间的传感器接收反射光线，使小车调整合适的行驶方向。3.2.2小车运行位置确定电路的设计为完成小车能够运行到固定位置的执行任务的要求，在这里选用光敏电阻来确定A，B，C三点。本设计主要通过光敏电阻和单片机内部的A/D来完成。当光敏电阻接收带不同强度的光线时，其电阻会发生变化，当接收到的光线强度越强，其电阻越小，当接收不到光线时（没有光照），其电阻就会变得很大，三极管就会处于截止的状态，集电极从而输出高电平。当可以接收到光照时，其电阻就会降低，这时三极管就会处于饱和导通状态。由于光敏电阻阻值的变化，输入到单片机P3.3的电压也会随着变化，通过单片机内部的A/D转换成的数值也会变化，通过对数值的处理来确定寻光方向，从而确定运行位置。3.2.3电机驱动电路的设计3.2.4铁片检测及取物电路设计该检测部分采用了电感式接近开关LJ12A34Z/BX，该电感式接近开关共三个接口：接地，接电源，另一个为输出，其有效测距为4mm，可以满足本设计小车的设计需求。电感式接近开关LJ12A34Z/BX与一个电磁铁结合完成铁片检测及搬运。电磁铁由一个三极管（当作控制开关）与其相接，用AT89C51的一个I/O口片P3.1输出信号来控制电磁铁的通、断。3.2.5显示电路的设计在题目要求中，小车还要在行驶及取物过程中完成自动记录取物时间及所取货物的数量。所以LED数码管就派上了用场，使用数码管来显示时间和个数。下面介绍一下四位数码管的引脚，如图3.13。图3.13数码管引脚图3.2.6复位电路及晶振电路同时，在设计过程中，因为使用的是单片机，所以系统中还有必不可少的一部分需要介绍，那就是单片机的复位电路及晶振。根据要求，如图3.15所示。4软件设计在完成硬件设计的同时，还要进行软件设计。这样才能够把软硬件更好的结合在一起，从而完成课题。那么在这里就着重介绍下该课题的软件设计。课题设计总程序流程图见图2.2所示。从流程图中可以看到，程序从开始执行，循迹程序处于循环往复的状态。通过红外传感器使得小车能够到达取物点A，再通过感应式接近开关检测是否有铁片的存在，如果有铁片，小车自动取物并且按照既定路线行驶到B点放物，若没有检测到铁片，则行驶到停车点停车，程序结束。小车在放下铁片时，计数器同步加一，并且显示所用时间。通过LED数码管显示。本设计采用模块化设计，完成总流程需要用到以下几个模块的子程序。1.循迹子程序2.定点取物子程序3.显示子程序4.计时计数子程序4.1循迹子程序循迹是整个小车工作过程中都需要做的一项工作。所以，在设计中，小车循迹是整个程序的主要部分。而循迹的前提是电机转动使小车行驶，然后再使用光电传感器进行检测道路，使其沿固定轨迹行驶。图4.1循迹流程图4.2小车位置确定及物体搬运小车位置的确定是为了，能够使小车能够定点取物，卸物。在这个设计里所谓定点取物，就是要使小车行驶到A点后在A点检测到物体，并拾取物体。然后使小车行驶到B点，并把物体放在B点。当小车在A点检测不到物体时，小车应该自动行驶到C点。下面先通过流程来简单了解程序的设计，如图4.2所示。图4.2定点取物流程图4.3显示子程序下面是关于显示部分的程序介绍。通过对显示电路的设计，可以得到以下显示流程图。如图4.3所示。图4.3显示流程图总结当今社会科技发展迅速，生活中的许多东西逐渐智能化，火车站检票口采用智能识别设备取代了传统的人工检票，家里清洁再也不用拿着扫帚去慢慢的扫地了，取而代之的是智能化的扫地机器人，智能化产品真正的进入到了我们的生活，这次毕业设计针对于智能小车的自动循迹及自动取物放物两个功能为主要研究方向。同时也为多种特殊场合的智能小车研究提供了基础模型。在这次毕业设计中，让我体会到了单片机的魅力，综合运用所学知识，发现问题，提出问题，解决问题，锻炼了自己的实践动手能力。单片机在我们的生活中无处不在，电冰箱，洗衣机以及空调等等都有单片机的身影存在。回想这次毕业设计，从选课题，到对课题的调整修改，到最后的定稿，从理论到实践，过程虽然充满艰辛，但使我从中学到了很多的东西，凡事先苦后甜。在短短几个月的时间里，不仅将过去所学的知识加以巩固，而且还学到了很多书本上没有的知识，受益匪浅。这次毕业设计让我明白了一个道理：只有将我们所学的理论知识与实践相结合，才能真正达到为社会服务的目的。在设计的过程中，可谓困难重重，在设计中发现了自己对知识把握的不足，掌握的不够牢靠，连最简单的二极管的正负极都不会区分，但最终经过自己的努力，完成了这次的毕业设计。参考文献[1]姜香菊.传感器原理及应用[M].北京:机械工业出版社,2015.[2]钱显易.唐国兴.传感器原理与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2011．[3]胡向东.刘京城等.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社，2012.[4]唐文彦.传感器第5版.[M].北京：机械工业出版社，2014.[5]张淑清.姜万录等.单片微型计算机接口技术及应用[M].国防工业出版社，2003.[6]张毅刚.MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨工业大学出版社，2004.

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