電動(dòng)搬運(yùn)小車

1、 基于單片機(jī)的電子密碼鎖設(shè)計(jì) The Design of Electronic Handing Car with SCM 李凱機(jī)械工程學(xué)院王浩鵬電氣與控制工程鄧富機(jī)械工程學(xué)院 隊(duì)長：所屬院系： 成員：所屬院系： 成員：所屬院系：推薦精選搬運(yùn)電動(dòng)小車關(guān)鍵詞：單片機(jī)，PWM，光電碼盤，搬運(yùn)小車 1.引言 1.1智能搬運(yùn)小車研究的背景和目的： 運(yùn)貨是各個(gè)行業(yè)不可或缺的過程，人工運(yùn)貨隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不能完全滿足市場(chǎng)的需求。世界上許多國家都在積極進(jìn)行智能車輛的研究和開發(fā)設(shè)計(jì)。移動(dòng)機(jī)器人是機(jī)器人學(xué)中的一個(gè)重要分支，出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。目的是將人工智能技術(shù)應(yīng)用在復(fù)雜環(huán)境下，完成機(jī)器人系統(tǒng)的自主推理、

2、規(guī)劃和控制。從此，移動(dòng)機(jī)器人從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也得到越來越多的關(guān)注。 智能搬運(yùn)小車可以安裝不同的末端以完成各種不同形狀和狀態(tài)的工件搬運(yùn)工作，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料，沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線，自動(dòng)裝配流水線，碼垛搬運(yùn)，集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)，大大減輕了人類繁重的體力勞動(dòng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 1.2智能搬運(yùn)小車的功能介紹： 智能搬運(yùn)小車希望能夠希望得到可以自動(dòng)抓取貨物，循跡行進(jìn)，自動(dòng)卸貨物的功能。2. 總體方案及比較論證 2.1根據(jù)題目要求，實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋找夾取不同位置的兩個(gè)木棒，并運(yùn)到相應(yīng)的位置，在這個(gè)過程中要時(shí)刻顯示所用的時(shí)間，并且中途還要避障，本設(shè)計(jì)分為控

3、制部分和信號(hào)檢測(cè)部分。采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)控制部分，完成電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械臂夾取木棒。采用光電對(duì)管模塊、光電碼盤做為信號(hào)檢測(cè)，完成尋跡避障、OLED顯示屏顯示等功能。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體結(jié)構(gòu)如圖直流穩(wěn)壓電源光電碼盤光電對(duì)管STM32F103ZET6單片機(jī)OLED模塊顯示時(shí)間PWM波直流減速電機(jī)兩個(gè)舵機(jī)自動(dòng)尋跡夾取貨物推薦精選 2.2 具體設(shè)計(jì)： 整個(gè)系統(tǒng)包括單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、光電對(duì)管探測(cè)模塊、機(jī)械手模塊（包含兩個(gè)舵機(jī)，一個(gè)步進(jìn)電機(jī)）、電源、穩(wěn)壓模塊、小車車體。將單片機(jī)控制模塊，驅(qū)動(dòng)模塊固定在小車底部；光電對(duì)管探測(cè)模塊安裝在小車左前方；將機(jī)械手安裝在小車上部的前端；

4、車架結(jié)構(gòu)選擇亞克力板。2.2.1 單片機(jī)的選擇與論證方案一：采用AT89C51系列單片機(jī)作為系統(tǒng)控制器。在本設(shè)計(jì)中，使用的I/O 口資源較多和需要多路的PWM 的輸出，對(duì)于51單片機(jī)來說，實(shí)現(xiàn)這些功能都比較困難。方案二：采用STM32F103ZET6單片機(jī)作為控制核心。STM32F系列單片機(jī)是一款中低端ARM微控制器，其內(nèi)核是Cortex-M3.而STM32F103ZET6核心板就擁有64K RAM、512KFlash、32 個(gè)I/O 口，并集成了AD/DA功能強(qiáng)大的32位微處理器，它還擁有豐富的其他外設(shè)，為小車的功能擴(kuò)展提供了相當(dāng)大的空間。而且它內(nèi)部還有PWM脈寬調(diào)制，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。綜上

5、分析，選擇方案二更有利本設(shè)計(jì)。2.2.2 尋跡傳感器選擇與論證 方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，考慮到場(chǎng)地的設(shè)置與模塊調(diào)試的簡易程度，因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案二：用RPR220型光電對(duì)管。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。采用RPR220完全可以有效的

6、降低干擾，而且方便可行，能夠準(zhǔn)確的實(shí)施檢測(cè)。 RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。且當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 綜上分析選擇方案二，采用RPR220光電對(duì)管。2.2.3 電機(jī)的選擇與論證 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī)所提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)；它的另一個(gè)顯著特點(diǎn)是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。 方案二：采用普通直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便

7、、調(diào)整范圍廣；過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)過程自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。 由于普通直流電機(jī)更易于購買，并且電路相對(duì)簡單。方案三：采用自帶編碼器的直流減速電機(jī)。它有普通直流電機(jī)的一切優(yōu)點(diǎn)，而且又具備普通直流電機(jī)不具備的優(yōu)點(diǎn)，它的負(fù)載能力強(qiáng)，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，自帶的磁編碼器，能夠自動(dòng)反饋出電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)的電脈沖信號(hào)，而且精度高，抗干擾能力強(qiáng)，但成本相對(duì)較高。根據(jù)題目要求，需要反饋行走時(shí)間和距離，所以選擇方案三。推薦精選2.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇與論證方案一：采用分立元件構(gòu)成電路來驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。由于分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格低廉，

8、在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過控制開關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。該電路簡單，但繼電器的體積大、要驅(qū)動(dòng)電路，并且要同時(shí)控制兩個(gè)直流電機(jī)，電路太過繁瑣，而且控制精度不高。 方案三：采用L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一種直流電機(jī)控制器件，通過單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，該器件具有外圍電路簡單、穩(wěn)定性高等特點(diǎn)，L298N 還是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。 經(jīng)過綜合考慮，采用方案三。2.2.5 電源的選擇

9、與論證方案一：采用一組電源供電（12V充電電池）。這樣供電電路比較簡單，但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流較大，行駛過程中電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)也很大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)。而且小車在行駛過程中功耗很大，對(duì)電池容量要求很高。 方案二：采用兩組電源供電，一組電源為3.3V充電電池，只為單片機(jī)供電，另一組電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分及其周邊電路供電。這樣做可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但線路會(huì)相對(duì)方案一復(fù)雜，成本也會(huì)有所提升。 考慮到此設(shè)計(jì)的要求，電池的容量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性顯得更為重要，故我們采用方案二。但對(duì)電源部分進(jìn)行了處理，使得單片機(jī)電源穩(wěn)定下來。2.2.6 顯示模塊的選擇與論證 為了滿足顯示小車行走的所

10、用的時(shí)間和實(shí)時(shí)顯示小車走過的路程的設(shè)計(jì)要求，我們用到顯示模塊。 方案一：采用OLED模塊作為顯示。OLED可以自身發(fā)光，所以亮度很高，對(duì)比度大，色彩效果好，還可以顯示圖案，其工作電壓較低，所以更加省電。OLED的重量輕，體積小。相對(duì)于同類顯示產(chǎn)品，顯示效果更加出色，且成本更加低，更重要的一點(diǎn)是它所占用的I/O口非常少。 方案二：采用LCD液晶顯示。用在該小車設(shè)計(jì)中顯得復(fù)雜，所占用的I/O口也非常多。 綜上分析，采用方案一。2.2.7 搬運(yùn)方案的選擇與論證 為了滿足小車在1分鐘內(nèi)行駛到終點(diǎn)標(biāo)志線,我們?cè)O(shè)計(jì)了以下兩種方案。 方案一：小車從起跑線出發(fā)，小車直接向第一個(gè)所需搬運(yùn)的木棒行進(jìn)，把木棒搬運(yùn)到

11、指定的存儲(chǔ)區(qū)。然后折回，去搬運(yùn)另一個(gè)木棒。此方案完成任務(wù)所需的時(shí)間較長，且對(duì)硬件和軟件的要求都很高，較難實(shí)現(xiàn)。 方案二：小車從起跑線出發(fā)，向前行駛，到達(dá)第一個(gè)木棒的夾取地點(diǎn)停下，并將木棒夾取暫時(shí)存放在車的前板，再去夾取第二個(gè)木棒，成功夾住后，直接行駛到指定的存放區(qū)，直接放下第二個(gè)木棒，然后再取下第一個(gè)木棒。這種方案簡單易行，用時(shí)較短。推薦精選 考慮到實(shí)際情況及可行性，我們選擇方案二。 3. 系統(tǒng)運(yùn)行： 3.1 軟件設(shè)計(jì) 采用PWM（Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制）來調(diào)節(jié)直流減速電機(jī)的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率,從而改變負(fù)載兩端的電壓,進(jìn)而達(dá)到控

12、制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面,如電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。 在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。 在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加；電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時(shí)間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。 本系統(tǒng)中通過控制STM32單片機(jī)的定時(shí)器的時(shí)間，從而使對(duì)應(yīng)的I/O可以輸出PWM信號(hào)。定時(shí)器每中斷一次, 使單片機(jī)的指定管腳根據(jù)條件輸出高電平或低電平。 將直流電機(jī)的速度分為N個(gè)等級(jí), 因此一個(gè)周期就有個(gè)N脈沖, 周期為N個(gè)脈沖的時(shí)間。速度等級(jí)對(duì)應(yīng)一個(gè)周期的高電平脈沖的個(gè)數(shù)。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機(jī)兩端的電壓越大, 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí), 就可以得到不同的電機(jī)平均速度, 從而達(dá)到調(diào)速的目的。精確地講, 平均速度與占空比并不是嚴(yán)格的線性關(guān)系, 在一般的應(yīng)用中, 可以將其近似地看成線性關(guān)系。 3.2 系統(tǒng)總流程 避障是否到達(dá)取貨地點(diǎn)循跡開始系統(tǒng)初始化自動(dòng)夾取貨物、放置 否