智能搬運小車

1、長春理工大學光電信息學院% College Of Optical And Electronical Information Changchun University Of Science And Technology本科生畢業(yè)設計（論文）智能搬運小車The Subject of Graduation Project學牛奸名專光信息科學與技業(yè) 術學號指導教師分院光電科學2014年6月本設計采用STC12C5A60S2單片機為簡易 智能小車的核心器件。循跡模塊由4對紅外收 發(fā)管組成，通過反射紅外線的變化判斷黑線的 有無以達到循跡的功能，電機驅(qū)動模塊選用H 橋驅(qū)動芯片L298N結合單片機來控制電機工

2、 作。避障模塊由兩對紅外發(fā)光管組成。搬運模 塊通過TCS230識別不同顏色來分辨抓取和釋 放，從而達到搬運的目的。整個系統(tǒng)的電路結 構簡單，可靠性能高，能滿足設計的要求。與 傳統(tǒng)搬運車相比，該車不耗費人力，不會造成 人員的浪費且工作效率較高。智能機器準確性 較高，可以減少失誤的發(fā)生，在未來工廠車間 中，可以用智能搬運車來代替?zhèn)鹘y(tǒng)搬運車。本 文詳細的闡述了整個智能搬運小車設計和制作 以及最后測試的過程。以最簡潔最最有效的方法制作出了 一個具有簡單功能的小車。關鍵詞:智能循跡小車STC12C5A60S2紅外收發(fā)管電機驅(qū)動 TCS230ABSTRACTThe des i gn adopts STC1

3、2C5A60S2 mi crocontro I I er as the core dev i ce of simple smart car The tracking moduIe i s composed of a pIuraIity of Photo eIectrie tu be, by ref Iecting infrared changes in judgments of bI ack have to ach i eve the track i ng function, motor dr i ve moduIe seIection of commonly used H br idge d

4、r i ver L298N with single- chip microcomputer to control the motor work i ng Obstaele avoidance moduIe cons i sts of two pa i rs of infrared I ight emitting tube. Handling moduIe TCS230 i dentify the d i fferent co I ors to d i s tin gu i sh grab and re I ease, so as to ach i eve the purpose of hand

5、 I ing. The eIectrie c i rcu it construetion of who I e system i s simple, re I i abIe performsnee.It can mee t a var i e ty of des i gn requ i rements. Compared wi th convent i onaI truck, the car i s not labor intens i ve, no waste and h i gher staff eff i c i ency.Irite I I igent mach i ne h igh

6、accuracy, can reduce the i nc i denee of errors i n the future on the factory fIoor, you can use smar t truck to rep I ace the trad i tional truck. Th i s paper descr ibes in deta iI the des ign and product ion of inteI Iigent hand I i ng car and the final test of the ent ire process In the mos t si

7、mple and effective way to make the most out of the car with a simple function.Keywords: Inte11igent Tracking Car STC12C5A60S2 Infrared Rece i v i ng Tube Motor Dr ive TCS230緒 論隨著生產(chǎn)自動化的發(fā)展，機器人已經(jīng)越來越廣泛地應用到生產(chǎn)自 動化上，隨著科學技術的發(fā)展，機器人的感覺傳感器種類越來越多， 其中視覺傳感器成為自動行走和駕駛的重要部件。智能小車的研究、開發(fā)和應用涉及傳感技術、電氣控制工程、智 能控制等學科，智能控制技術

8、是一門跨學科的綜合性技術，當代研究 十分活躍，應用日益廣泛的領域。本課題所設計的智能小車，既具有 操作機（機械本體）、控制器、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和檢測傳感裝置，是一種 仿人操作、自動控制、可重復編程、能在三維空間完成靈活運動的自 動化生產(chǎn)設備。隨著工業(yè)自動化的不斷發(fā)展，工業(yè)機器人被廣泛應用于工業(yè)生產(chǎn) 的各個部門，如采掘、噴涂、焊接、醫(yī)療等各大領域。由于工業(yè)機器人 的出現(xiàn)，它不斷替代了人們的繁重勞動，大大提高了勞動生產(chǎn)率，減輕 了人們的勞動強度，此外，它能在高溫、低溫、深水、宇宙、放射性和 其他有毒、污染環(huán)境條件下進行操作，日益體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。智能控制小車模擬機器人的運作，可以通過自己的動手排除故障

9、, 更加可以給學生一個實踐操作的空間，加強學生的動手能力和思維能 力。在制作的產(chǎn)品中，發(fā)現(xiàn)一些比較符合實際應用的玩具，而且成本 低廉，能夠運用實際生產(chǎn)并且有一定的新穎度，有一定的社會需求。 在制作中提高自身對社會需求方向的靈敏度，發(fā)現(xiàn)商機，為自己在以 后實現(xiàn)創(chuàng)業(yè)這個宏偉的目標中打下一個堅實的基礎。第一章1.1研究目的及意義通過構建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。 在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，設計小車的檢測障礙、 尋線和電機驅(qū)動等外圍電路，采用智能控制算法實現(xiàn)小車的智能循跡 以及避障。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識。從對紅外線、電機驅(qū)動和光電開關在智能小車上

10、的應用，可以進 一步研發(fā)，將紅外線技術應用到現(xiàn)實中的車輛上，比如紅外線倒車警 報系統(tǒng)、紅外車輛防盜系統(tǒng)等等很多方面都可以利用。1.2國內(nèi)外發(fā)展情況十九世紀末，隨著內(nèi)燃機的誕生，人們發(fā)明了最現(xiàn)代化的交通工 具一一汽車。經(jīng)過一個多世紀的發(fā)展，汽車技術、性能有了很大的提 高，人們充分享受到了汽車帶來的巨大便利。在享受汽車交通上帶來 便利的同時，人們也發(fā)現(xiàn)運貨是各個行業(yè)不可或缺的過程，人工運貨 隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，不能完全滿足市場的需求。世界上許多國家都 在積極進行智能車輛的研究和開發(fā)設計。移動機器人是機器人學中的 一個重要分支，出現(xiàn)于20世紀60年代。當時斯坦福研究院的Nils Nilssen和ch

11、arles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取 名shakey的自主式移動機器人，目的是將人工智能技術應用在復雜環(huán) 境下，完成機器人系統(tǒng)的自主推理、規(guī)劃和控制。從此，移動機器人 從無到有，數(shù)量不斷增多，智能車輛作為移動機器人的一個重要分支 也得到越來越多的關注。智能搬運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 工件搬運工作，可以廣泛應用于機床上下料，沖壓機自動化生產(chǎn)線， 自動裝配流水線，碼垛搬運，集裝箱等的自動搬運，大大減輕了人類 繁重的體力勞動，具有廣闊的市場前景。最早的成型的搬運車始于1917年，即第一次世界大戰(zhàn)快要結束的 時候。世界大戰(zhàn)結束后，世界經(jīng)濟迎來一陣復

12、蘇和發(fā)展的階段，同時, 手動液壓搬運車的技術得到快速的發(fā)展。當時的物流主要是用于軍事 行動，提供供給之類，他的作用可見一斑。在第二次世界大戰(zhàn)中，搬 運車以比較成熟的形象亮相，得到了快速的發(fā)展和普遍的應用。我國搬運車發(fā)展歷史較晚。在上世紀50年代，那是的企業(yè)搬運活 動還是主要使用落后的人工搬運，費時費力，效率低下。隨著戰(zhàn)后經(jīng) 濟的復蘇，科技文化的發(fā)展，企業(yè)逐漸將高效率作為生產(chǎn)的主題之一。 于是乎，政府和企業(yè)都認識到了物流對發(fā)展的重要性，高效搬運被單 獨提了出來，搬運物流業(yè)從人工搬運轉向了機械化搬運。近30年來我 國經(jīng)濟發(fā)展較快，對搬運車提出了更高的要求，特別是自從電子商務 物流的快速發(fā)展，讓第三

13、方物流行業(yè)已經(jīng)第四方物流行業(yè)得到了快速 的發(fā)展，對搬運車設備提出了更高的要求，在過去的幾年中，我國搬 運車需求均呈現(xiàn)兩位數(shù)增長，發(fā)展勢頭良好。國家已經(jīng)將物流產(chǎn)業(yè)加 入十大振興產(chǎn)業(yè)規(guī)劃當中，足見物流在提高社會效益方面的巨大作用。搬運車作用作為物流搬運中的主力軍，其作業(yè)不容忽視。物流， 實物空間的移動活動，垂直移動稱為堆高（堆垛）物流，平行移動稱 為搬運物流，這兩個物流活動是物流活動中最常見的物流，還有裝卸 物流，這些物流過程均離不開搬運車的參與。搬運車的價值正日益凸 顯，搬運車主要功能是完成搬運物流活動。搬運車發(fā)展歷史，經(jīng)歷3代發(fā)展，搬運車發(fā)展正在向第四代發(fā)展。 第一代搬運車為手動搬運車，簡稱C

14、BY,其特點是自動化、智能化程度 不高，但它為人工搬運向機械化搬運轉化做出了巨大的貢獻，時至今 日，它在搬運車市場仍然具備一定的市場份額；第二代搬運車是以內(nèi) 燃叉車為代表的內(nèi)燃搬運車，簡稱FT,具備較高的自動化，內(nèi)燃叉車 以發(fā)動機為動力，動力強勁，缺點是有廢氣排放污染環(huán)境，效能較低, 有害人類健康，不適合食品行業(yè)使用；第三代搬運車是以電動叉車為 代表的全電動搬運車，簡稱CBD,其自動化程度和內(nèi)燃叉車相當，但它 是節(jié)能環(huán)保理念推動的動力技術更新，使用的是電池動力，電動搬運 車具備節(jié)能、無廢氣排放、噪音小等優(yōu)點，是食品行業(yè)的最佳選擇， 由于其節(jié)能的突出優(yōu)點，被搬運車行業(yè)認為是未來最有潛力的叉車之

15、一，但目前遇到了發(fā)展瓶頸，由于其受電瓶容量的限制，功率小，作 業(yè)時間短。第四代搬運車發(fā)展是以自動無人搬運車為代表的，簡稱 AGVS, AGVS預計在本世紀50年代將得到大范圍的應用，是當今柔性制 造系統(tǒng)（FM S）和自動化倉儲系統(tǒng)中物流運輸?shù)挠行侄?，現(xiàn)代的 AGV是由計算機控制，多數(shù)的A G VS配有系統(tǒng)集中控制與管理計算 機，用于對A GV的作業(yè)過程進行優(yōu)化，發(fā)出搬運指令，跟蹤傳送中 的構件以及控制AG V的路線，無人搬運車的引導方式主要有電磁感 應引導、激光引導和磁鐵陀螺引導等方式，可以給無人搬運車編程序 輸入引導搬運車完成搬運工作，是一種智能化比較高的搬運車。伴隨我國企業(yè)和政府對物流的

16、進一步重視，以及經(jīng)濟全球化進程 的進一步加快，我國搬運車發(fā)展前景非常的好，未來將在一段時間內(nèi) 呈現(xiàn)2到3位數(shù)的增長速度成長。搬運車經(jīng)歷3代發(fā)展，搬運車發(fā)展正在向第四代發(fā)展。第一代搬運車為手動搬運車，簡稱CBY,其特點是自動化、智能化 程度不高，但它為人工搬運向機械化搬運轉化做出了巨大的貢獻，時 至今日，它在搬運車市場仍然具備一定的市場份額。第二代搬運車是以內(nèi)燃叉車為代表的內(nèi)燃搬運車，簡稱FT,具備 較高的自動化，內(nèi)燃叉車以發(fā)動機為動力，動力強勁，缺點是有廢氣 排放污染環(huán)境，效能較低，有害人類健康，不適合食品行業(yè)使用。第三代搬運車是以電動叉車為代表的全電動搬運車，簡稱CBD,其 自動化程度和內(nèi)燃

17、叉車相當，但它是節(jié)能環(huán)保理念推動的動力技術更 新，使用的是電池動力，電動搬運車具備節(jié)能、無廢氣排放、噪音小 等優(yōu)點，是食品行業(yè)的最佳選擇，由于其節(jié)能的突出優(yōu)點，被搬運車 行業(yè)認為是未來最有潛力的叉車之一，但遇到了發(fā)展瓶頸，由于其受 電瓶容量的限制，功率小，作業(yè)時間短。第四代搬運車發(fā)展是以自動無人搬運車為代表的，簡稱 AGVS, AGVS預計在本世紀50年代將得到大范圍的應用，是當今柔性 制造系統(tǒng)(FMS)和自動化倉儲系統(tǒng)中物流運輸?shù)挠行侄危F(xiàn)代的AGV 是由計算機控制，多數(shù)的AGVS配有系統(tǒng)集中控制與管理計算機，用于 對AGV的作業(yè)過程進行優(yōu)化，發(fā)出搬運指令，跟蹤傳送中的構件以及 控制AGV

18、的路線，無人搬運車的引導方式主要有電磁感應引導、激光 引導和磁鐵陀螺引導等方式，可以給無人搬運車編程序輸入引導搬運 車完成搬運工作，是一種智能化比較高的搬運車。第2章整體設計框架2. 1方案選擇及論證根據(jù)自己的設計想法，系統(tǒng)要實現(xiàn)循線、壁障功能、搬運，必須 要劃分成為八個模塊。對各個模塊的實現(xiàn)，分別有以下一些不同的設 計方案。2.1.1控制模塊選擇方案一：采用可編程邏輯器件CPLD作為控制器，CPLD可以實現(xiàn)各種復雜 的功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、I/O資源豐富、易于 進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度， 適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復雜

19、的邏輯功 能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度 考慮，最終放棄了此方案。方案二采用凌陽的16位單片機，它是16位控制器，且有體積小、驅(qū)動 能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處 理能力強等特點。處理速度高。但是當凌陽單片機作為處理器時，電 路較為復雜，而且方案成本較高。方案三：采用STC公司的STC12C5A60S2單片機作為主控制器,STC12C5A60S2是一個低功耗、高性能、高速的51內(nèi)核的CMOS 8位單 片機，該單片機結果簡單、功耗低、接口豐富，完全能滿足此次智能 小車設計的要求。最重要的是，它相對前兩者成本最為低廉。從節(jié)約成本的角度考慮

20、，最終選擇了方案三2.1.2;面探測黑線軌跡模塊在該設計中智能小車從起跑線到終點是對路面軌跡進行探測，探測路面黑線軌跡模塊的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑 線和白線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱判斷是否小 車沿黑線行駛。方案一：采用可見光發(fā)光二級管與光敏二極管 組成的發(fā)射-接收電路。這 種方案的缺點在于其它環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干 擾，一旦外界條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采用超高亮發(fā) 光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。方案二采用反射式紅外發(fā)射-接收器。采用紅外管代替普通可見光管，可 以明顯降低環(huán)境光源干擾，提高了控制精度?；诖?，擬

21、選用方案二。2.1. 3探測路面障礙模塊方案一：采用紅外線光電開關。由于紅外線指向性強，在介質(zhì)中傳播遠， 因而紅外線經(jīng)常應用于距離的測量、障礙物的探測等。紅外線探測障 礙物并繞過障礙物模塊是利用紅外線發(fā)射器向某一方向紅外線，紅外 線在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來，紅外線接收器收到 反射光經(jīng)相應的電路進行處理，以測定障礙物的方位及距離，并向小 車發(fā)送控制信號以使小車繞過障礙物。方案二采用超聲波穿感器，超聲波傳感器探測障礙是利用超聲波發(fā)送模 塊向某一方向發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播，在一定距離內(nèi)遇到 測定的障礙物就會立即返回超聲波接受模塊接受，再由相關電路處理, 以測定障礙物的相關方位

22、、距離。超聲波傳感器成本相對較高，以上兩種方案都是比較可行的。尤其是紅外線光電開關，應用相 當廣泛、但是為了本題目更加的實用和有效，超聲波傳感器成本相對 較高，電路較為復雜，采用紅外線光電開關，更加合適與有效，更加 有利于發(fā)現(xiàn)前方障礙物。所以本設計選擇方案一。2.1.4電機模塊方案一：采用步進電機，步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟停能力， 如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉矩值，就能夠立即使步進 電機啟動或反轉。另一個顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。方案二采用普通直流電機。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、 方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻 繁

23、的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足各種不同的特殊運行要求。由于普通直流電機更易于購買，并且電路相對簡單，因此采用直 流電機作為動力源。2.1.5電機驅(qū)動模塊方案一：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū) 動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特 別是低速大轉距運行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大， 對于小車的長時間運行不利。方案二采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車 的速度進行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應 時間慢，易損壞，壽命較短,可靠性不高。方案三：采用由集成了雙極性管組成的H橋電路芯片L298No用單

24、片機控 制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉速。這 種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H橋電路保 證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定 性也很高，是一種廣泛采用的調(diào)速技術。綜合三種方案的優(yōu)缺點，決定選擇方案三。2.1. 6車架選擇方案一：使用四輪驅(qū)動的電動小車，這樣速度方面非常流暢，但靈活性不 足，特別是遇到障礙物時，轉彎非常不流暢，程序方面還要相對復雜, 對于小車的躲避障礙物非常不利。方案二使用兩輪驅(qū)動的電動小車，雖然速度上無法與四輪的小車相提并 論，不過靈活性上卻是大大的提升，對于躲避障礙物方面有重要的改 變，非常適合題目要求。綜合

25、兩種方案的優(yōu)缺點，決定選擇方案二。2. 1. 7搬運模塊方案一：適用舵機控制的機械臂，雖然比較容易抓取，但很難定位物體的 位置。可上述選擇的單片機在功能上顯然不太夠用，而且價格比較昂 貴 方案二選擇自制一個叉形結構，用帶齒輪的電機撥動帶有齒條的叉形結 構來實現(xiàn)上下運動，從而實現(xiàn)簡單的棒狀結構的搬運。2.1. 8倉庫識別模塊這模塊經(jīng)過反復思考，只想出了一種方案，在倉庫出放置涂有紅 和綠的金屬片，在行進的過程中先經(jīng)過金屬探測器探測確定位置立即 停下來，然后通過顏色識別傳感器TCS230來識別金屬片顏色，取定 貨物需由紅色金屬片出轉移至綠色金屬片處。從而有單片機操縱搬運 模塊實現(xiàn)運貨與卸貨。2. 1

26、. 9最終方案選擇經(jīng)過反復論證，最終確定了如下方案：采用STC12C5A60S2單片機作為控制器；用反射式紅外發(fā)射接收 器進行黑線檢測；采用紅外線光電開關來探測路面障礙物；L298N作 為直流電機的驅(qū)動芯片；電機模塊使用普通直流電機；使用兩輪的車 架增加靈活性；倉庫識別模塊采用金屬探測器和顏色傳感器；搬運模 塊采用由直流電機帶動的叉形結構。2. 2方案可行性分析紅外尋線模塊，是通過紅外二極管發(fā)出紅外線，根據(jù)紅外線在白 色和黑色物質(zhì)上反射回來的強弱，來判斷黑線的位置。本項目采用的 是一體紅外接收裝置，當遇到黑色物時送給單片機一個高電平觸發(fā)， 進而通過事先編輯好的程序控制電機的運轉。通過分析，此模

27、塊可以 準確的進行循線功能。光電開關避障模塊，它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由 同步回路選通電路，從而檢測物體有無的。物體不限于金屬，所有能 反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸入電流在發(fā)射器上轉換為 光信號射出，接收器再根據(jù)接收到的光線的強弱或有無對目標物體進 行探測。本次設計采用紅外線漫反射型光電開關，它是通過發(fā)光器發(fā) 出一個光信號，當障礙物擋住光時，把部分光線反射回來，收光器就 接受到光信號，輸出一個開關信號。輸出的開關信號由控制器處理， 判斷前方是否由障礙，從而確定是否要轉向。通過分析，此模塊可以 用來探測障礙。動力方面，此次設計使用了 L298N電機驅(qū)動模塊，L298N是一種

28、 二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙全 橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電 機。通過分析，它能很好的驅(qū)動電機。搬運方便，采用金屬探測器和顏色識別傳感器，倉庫位置的識別 可靠性較高，自制叉形結構在物理結構上可能會不太完美，但基本能 實現(xiàn)搬運。綜上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地進行智 能小車實物的創(chuàng)作。第3章硬件設計智能小車采用兩輪驅(qū)動，左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制兩個 后面兩個輪子的轉速從而達到控制轉向的目的，前輪是萬象輪，起支 撐的作用。將八個紅外線光電傳感器分別裝在車體的左右，當車的左 邊的傳感器檢測到黑線的邊界時，主

29、控芯片控制左輪電機減速，車向 左修正，當車的右邊傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制右輪電機減 速，車向右修正。避障的原理和循線一樣，在車頭的前面裝了一個紅外線光電開關, 當前方傳感器檢測到障礙物時，車子向右轉，從而避開障礙物。3. 1系統(tǒng)總體設計框圖系統(tǒng)硬件電路的設計采用了模塊化的設計方法，系統(tǒng)硬件電路由 光電開關避障模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊，電源模塊，電機驅(qū)動以及 尋跡模塊多部分組成，各模塊即可組合聯(lián)調(diào)也可單獨使用。如圖3-1 所示為智能小車硬件設計方框圖。3.2紅外線光電開關模塊在本設計中紅外光電開關模塊是智能小車前向通道的主要組成部 分，本設計采用E3F-DS30C4作為探測前方障礙物體的

30、檢測元件，光電 開關發(fā)出信號由單片機89C51產(chǎn)生。E3F-DS30C4的工作電壓為5V,工 作電流為10mA,驅(qū)動電流為100mA,感應距離為30cm。結合題目指標 和實際測試結果，本設計中設定感應距離為6cm。循跡光電管行進直流電機壁障光電管搬運直流電機顏色識別傳感器圖3T系統(tǒng)功能模塊圖3. 2.1光電開關的工作原理光電開關是傳感器中的一種，它把發(fā)射端和接受端之間光的強弱 變化為電流的變化以達到探測的目的。光電開關是光接近開關的簡稱, 它是利用被檢測物對光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而 檢測物體有無得。所以能反射光線的物體均可被檢測。光電開關將輸 入電流在發(fā)射器上轉換為光信號射出

31、，接收器再根據(jù)接收到的光線的 強弱對目標物體進行探測。工作原理如圖3-2所示。障礙物發(fā)光器收光器圖3-2光電開關工作原理圖3. 2.2光電開關的類型紅外線光電開關它利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由 同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射 光線的物體均可檢測。根據(jù)檢測方式的不同，紅外線光電開關可分為 四種：漫反射式光電開關、鏡反射式光電開關、對射式光電開關、槽 式光電開關。漫反射光電開關是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當有 被檢測物體經(jīng)過時，將光電開關發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接 收器，于是光電開關就產(chǎn)生了開關信號。圖3-3為漫反射光電開關工 作原理圖。M

32、 QPKQ II 二二二二漫反射光電開關障礙物圖3-3漫反射式光電開關工作原理圖鏡反射式光電開關亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開關發(fā)射 器發(fā)出的光線經(jīng)過反射鏡，反射回接收器，當被檢測物體經(jīng)過且完全 阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了檢測開關信號。圖3-4為鏡反射式光 電開關工作原理圖。=4 GDKG |1 二二二二二二二A鏡反射式光電開關障礙物專用£鏡圖3-4鏡反射式開關工作原理圖對射式光電開關包含在結構上相互分離且光軸相對放置的發(fā)射器 和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線直接進入接收器。當被檢測物體經(jīng)過發(fā) 射器和接收器之間且阻斷光線時，光電開關就產(chǎn)生了開關信號。當檢 測物體是不透明時，對射式光電

33、開關是最可靠的檢測模式。圖3-5為 對射式光電開關工作原理圖。槽式光電開關通常是標準的U字型結構，其發(fā)射器和接收器分別 位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷 光軸時，光電開關就產(chǎn)生了檢測到的開關量信號。圖3-6為槽式光電 開關工作原理圖。GDEGn* lT!個光電開關發(fā)射器障礙物光電開關接收器圖3-5對射式光電開關工作原理圖槽式光電開關通常是標準的U字型結構，其發(fā)射器和接收器分別 位于U型槽的兩邊，并形成一光軸，當被檢測物體經(jīng)過U型槽且阻斷 光軸時，光電開關就產(chǎn)生了檢測到的開關量信號。圖3-6為槽式光電 開關工作原理圖。槽式光電開關I !«發(fā)射器制號障礙物I

34、厶e接收器圖3-6槽式開關工作原理圖本次設計所使用的光電開關德國SICD公司所生產(chǎn)的E3F-DS30C4, 如圖3-7。E3F-DS30C4為常開型紅外線漫反射式光電開關，由于漫反 射光電開關的工作方式，決定了其功用，正符合本設計檢測障礙物所 用。圖3-7 E18-B03N1紅外線漫反射式光電開關3. 2.3壁障光電管電路的設計采用E18-B03N1光電開關，其檢查距離為30cm,是常開型漫反 射式紅外線光電開關，它有三個引腳，把光電開關焊為上圖所示，信號線和電源線分開方便連接。如圖3-8所示E18-B03N1電路連接圖。圖3-8光電開關電路連接圖3.3電機驅(qū)動模塊由于單片機I/O 口驅(qū)動能力

35、弱，不能直接連接直流電機，故需要 驅(qū)動芯片進行驅(qū)動。該設計采用的是基于L298N的電路連接方式， L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。L298N是一 種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流雙 全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的 電機。其電路如圖3-9所示。1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，成電流傳感信號。 本電路未用到采樣所以將其接地oL298N可以驅(qū)動2個直流電機,OUT1、 0UT2和0UT3、0UT4之間分別接2個電動機。5腳、7腳、10腳、12 腳接輸入控制信號，控制電機的正反轉，ENA, ENB為電機控

36、制使能端, 控制電機的停轉。本電路中分別與單片機89C51相連，L298N的邏輯 功能如表3-1所示。弋驀E*表3T L298N邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運行情況HHL正傳HLH反轉HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止0圖3-9電機驅(qū)動電路原理圖圖3-10電機驅(qū)動實物圖由于電機在正常工作時對電源的干擾很大，所以在電機的驅(qū)動信 號輸入端并聯(lián)電容，用以濾除噪聲干擾。電機驅(qū)動模塊實物圖如圖310 所示。3. 4紅外循線模塊3. 4.1紅外放射式光電傳感器特性與工作原理反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普 通發(fā)光二極管，以及激光二極管。理論上光

37、電傳感器只要位于被測區(qū) 域反射表面可受到光源照射同時又能被接收管接收到的范圍就能進行 檢測，然而這是一種理想的結果。因為光的反射受到多種因素的影響, 如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。 如果直接用發(fā)射和接收管進行測量將因為干擾產(chǎn)生錯誤信號，采用對 反射光強進行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準確性。紅外反射光強法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā) 射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖311所示。反射表面圖3T1紅外發(fā)射接收原理3. 5紅外循線具體設計與實現(xiàn)每1路的傳感器的紅外發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線，當發(fā)射出的紅外 線沒有被反射回來或被反射回來但強度不夠大時，紅

38、外接收管一直處 于關斷狀態(tài)，此時模塊的TTL輸出端為高電平，相應指示二極管一直 處于熄滅狀態(tài)；當被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時，紅外線被反射回 來且強度足夠大，紅外接收管導通，此時模塊的TTL輸出端為低電平,指示二極管被點亮。4路尋跡傳感器模塊圖3-12 YL40四路循跡傳感器圖3. 6金屬探測模塊電感式接近開關由三大部分組成:振蕩器、開關電路及放大輸出電 路。振蕩器產(chǎn)生一個交變磁場。當金屬物體接近這一磁場，并達到感 應距離時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導致振蕩衰減，以至停振。 振蕩器振蕩及停振的變化被后級放大電路處理并轉換成開磁信號，觸 發(fā)驅(qū)動控制器件，從而達到非接觸式這檢測目的。物體離傳感器

39、越近, 線圈內(nèi)的阻尼就越大，阻尼越大，傳感器振蕩器的電流越小。o +o -U:I3-36VDCI :300mASn:8mm棕黑蘭NPN常開物體LC振蕩器開關級放大輸出級Object LC oscillator switching stage magnified output stage圖3-9金屬探測器原理圖3, 7顏色識別模塊1. TCS230芯片的結構框圖與特點：TCS230是TA0S公司推出的可編程彩色光到頻率的轉換器，它把 可配置的硅光電二極管與電流頻率轉換器集成在一個單一的CMOS電 路上，同時在單一芯片上集成了紅綠藍（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第 一個有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感

40、器,TCS230的輸出信號是數(shù)字量, 可以驅(qū)動標準的TTL或CMOS邏輯輸入，因此可直接與微處理器或其 他邏輯電路相連接，由于輸出的是數(shù)字量，并且能夠?qū)崿F(xiàn)每個彩色信 道10位以上的轉換精度，因而不再需要A/D轉換電路，使電路變得 更簡單，圖1是TCS230的引腳和功能框圖。TCS23OIS2I S3ISOOFJTT圖1 TCS230的引腳和功能框圈圖1TCS230結構框圖上圖中，TCS230采用8引腳的SOIC表面貼裝式封裝，在單一芯 片上集成有64個光電二極管，這些二極管分為四種類型，其16個光 電二極管帶有紅色濾波器；16個光電二極管帶有綠色濾波器；16個光 電二極管帶有藍色濾波器，其余1

41、6個不帶有任何濾波器，可以透過全 部的光信息，這些光電二極管在芯片內(nèi)是交叉排列的，能夠最大限度 地減少入射光輻射的不均勻性，從而增加顏色識別的精確度；另一方 面，相同顏色的16個光電二極管是并聯(lián)連接的，均勻分布在二極管陣 列中，可以消除顏色的位置誤差。工作時，通過兩個可編程的引腳來 動態(tài)選擇所需要的濾波器，該傳感器的典型輸出頻率范圍從2Hz- 500kHz,用戶還可以通過兩個可編程引腳來選擇100%、20%或2%的 輸出比例因子，或電源關斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠 適應不同的測量范圍，提高了它的適應能力。例如，當使用低速的頻 率計數(shù)器時，就可以選擇小的定標值，使TCS230的輸出頻

42、率和計數(shù)器 相匹配。從圖1可知：當入射光投射到TCS230上時，通過光電二極管控制 引腳S2、S3的不同組合，可以選擇不同的濾波器；經(jīng)過電流到頻率轉 換器后輸出不同頻率的方波（占空比是50%）,不同的顏色和光強對 應不同頻率的方波；還可以通過輸出定標控制引腳SO、S1,選擇不同 的輸出比例因子，對輸出頻率范圍進行調(diào)整，以適應不同的需求。下 面簡要介紹TCS230芯片各個引腳的功能及它的一些組合選項。SO、S1 用于選擇輸出比例因子或電源關斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類 型；0E反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當有多個芯片 引腳共用微處理器的輸出引腳時，也可以作為片選信號，OUT

43、是頻率 輸出引腳，GND是芯片的接地引腳，VCC為芯片提供工作電壓，表1 是SO、S1及S2、S3的可用組合。« I S0、S1及S2、S3的組合選項s,s,卷出頻半 定標S2S3濾濁器類£1.L關斯電涼L 1L紅色ilLII藍色L i20%IIL無II1H100% | 11H爍色表一引腳輸出狀態(tài)圖2. TCS230識別顏色的原理由上面的介紹可知，這種可編程的彩色光到頻率轉換器適合于色度計 測量應用領域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計算機彩色監(jiān)視器校準以及 油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過程控制和色彩配合。下面以 TCS230在液體顏色識別中的應用為例，介紹它的具體使用。首先了

44、解 一些光與顏色的知識。(1) 三原色的感應原理通常所看到的物體顏色，實際上是物體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 人眼中的反應。白色是由各種頻率的可見光混合在一起構成的，也就 是說白光中包含著各種顏色的色光(如紅R、黃Y、綠G、青V、藍B、 紫P) o根據(jù)德國物理學家赫姆霍茲(Helinholtz)的三原色理論可知，各種顏色是由不同比例的三原色(紅、綠、藍)混合而成的。(2) TCS230識別顏色的原理由三原色感應原理可知，如果知道構成各種顏色的三原色的值， 就能夠知道所測試物體的顏色。對于TCS230來說，當選定一個顏色濾 波器時，它只允

45、許某種特定的原色通過，阻止其他原色的通過。例如： 當選擇紅色濾波器時，入射光中只有紅色可以通過，藍色和綠色都被 阻止，這樣就可以得到紅色光的光強；同時，選擇其他的濾波器，就 可以得到藍色光和綠色光的光強。通過這三個值，就可以分析投射到 TCS230傳感器上的光的顏色。(3) 白平衡和顏色識別原理白平衡就是告訴系統(tǒng)什么是白色。從理論上講，白色是由等量的 紅色、綠色和藍色混合而成的；但實際上，白色中的三原色并不完全 相等，并且對于TCS230的光傳感器來說，它對這三種基本色的敏感性 是不相同的，導致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測試前必須進 行白平衡調(diào)整，使得TCS230對所檢測的白色中

46、的三原色是相等的。 進行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識別作準備。在本裝置中，白平衡調(diào) 整的具體步驟和方法如下：將空的試管放置在傳感器的上方，試管的 上方放置一個白色的光源，使入射光能夠穿過試管照射到TCS230上; 根據(jù)前面所介紹的方法，依次選通紅色、綠色和藍色濾波器，分別測 得紅色、綠色和藍色的值，然后就可計算出需要的3個調(diào)整參數(shù)。當TCS230識別顏色時，就用這3個參數(shù)對所測顏色的R、G和B進行 調(diào)整。這里有兩種方法來計算調(diào)整參數(shù)：1、依次選通三顏色的濾波器, 然后對TCS230的輸出脈沖依次進行計數(shù)。當計數(shù)到255時停止計數(shù), 分別計算每個通道所用的時間，這些時間對應于實際測試時TCS230

47、 每種濾波器所采用的時間基準，在這段時間內(nèi)所測得的脈沖數(shù)就是所 對應的R、G和B的值。2、設置定時器為一固定時間(例如10ms), 然后選通三種顏色的濾波器，計算這段時間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù), 計算出一個比例因子，通過這個比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55o 在實際測試時，室外同樣的時間進行計數(shù)，把測得的脈沖數(shù)再乘以求 得的比例因子，然后就可以得到所對應的R、G和B的值。3. 應用中需要注意的問題(1) 顏色識別時要避免外界光線的干擾，否則會影響顏色識別的結 果，最好把傳感器、光源等放置在一個密閉、無反射的箱子中進行測 試。(2) 對光源沒有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則

48、會造成傳感器之間的相互干擾。(3) 當?shù)?次使用TCS230時，或TCS230識別模塊重啟、更換光源等情 況時，都需要進行白平衡調(diào)整。3. 8最小系統(tǒng)模塊3. 8.1晶振電路的設計晶振電路由頻率為12MHz的晶體作為時鐘，兩個20pF的瓷片電 容構成，如圖313所示。由于機器周期為晶體周期的12倍，因此使 用該晶體時，機器周期=luso晶體和瓷片電容相同，在焊接時沒有正 負極之分外部時鐘電路完成后，給單片機上電，如果時鐘電路及單片機工 作正常，則X2對地電壓和XI對地電壓均在2.3V左右(±0.5V)Cl20pfC2Il1Y1J 12MHz20pf圖3-13晶振電路3. 8.2復位電

49、路的設計復位電路比較簡單，由一個10pF的電解電容、一個開關按鍵、圖3-14復位電路圖圖3-15單片機最小系統(tǒng)3.9電源模塊本次設計所用的電源為12V直流鉛蓄電源，經(jīng)過L298N的降壓穩(wěn) 壓，把12V的直流電源變?yōu)?V的電源，供電給單片機工作。Q圖3-16 12v鉛蓄電池第4章軟件設計在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作 就是如何根據(jù)每個生產(chǎn)對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設 計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過程控制兩個基 本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。過程 控制程序主要是

50、使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便 控制小車。為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若 干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂“模塊”，實質(zhì)上就是所完成 一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，由主程序、避障子程序、循線子程 序、搬運子程序、中斷子程序等構成。4. 1主程序流程圖如圖41為主程序流程框圖，打開電源，小車運行。小車檢測黑 線，如果遇到黑線，則紅外傳感器輸出低電平，小車沿著黑線行駛。 小車裝有四個紅外傳感器，分別兩左兩右，用來探測黑線信號。假如 中間兩個燈亮，小車直行，右邊燈亮，小車向左，左邊燈亮，小車向 右

51、。左右兩個傳感器不斷修正軌跡，使小車始終保持沿黑線行駛。小 車運行，在檢測黑線的同時，也在檢測障礙物，如果小車前方有障礙, 朝前的兩個光電開關給單片機輸出一個高電平，同時小車安裝程序立 即停止，避開障礙。小車檢測黑線的同時還在檢測金屬，如果遇到金 屬，單片機立即讓小車制動，停止，然后由顏色傳感器識別顏色判斷 抓取還是放下。抓取之后，繼續(xù)進入大循環(huán)，開始循跡，等待下一次 探測到金屬，識別顏色并卸下貨物。4.2避障子程序流程圖如圖4-2為避障模塊流程圖，小車開始運行，紅外線光電傳感器 為高電開熾圖4-1主程序流程圖平，光電傳感器檢測障礙物，如前方有障礙物，紅外線光電傳感器向 單片機輸出低電平，單片

52、機接收低電平信號，控制電機改變轉向；如 前方無障礙物小車向前運行。4.3循線子程序流程圖圖43為循線模塊流程圖，小車初始化完畢，等待接受信號。如 果左邊紅外線接收管為高電平，則小車向左轉，如不是，則繼續(xù)運行; 如果右邊紅外接收管為高電平，則小車向右轉，如不是則保持運行。圖4-2避障模塊流程圖圖4-3巡線子流程圖44搬運子程序流程圖圖4-4搬運子程序小車搬運流程圖如圖4-4o小車開始循跡運行，金屬探測器探測 到金屬立即停止，顏色傳感器識別標志位顏色，通過顏色的不同來判 斷該位置是抓取還是釋放。動作完畢，小車繼續(xù)正常運行。第5章系統(tǒng)調(diào)試和測試5. 1安裝步驟1檢查元件的好壞按電路圖買好元件后首先檢

53、查買回元件的好壞，按各元件的檢測 方法分別進行檢測，一定要仔細認真。而且要認真核對原理圖是否一 致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯誤焊件后不便改正。2.放置、焊接各元件按原理圖的位置放置各元件，在放置過程中要先放置、焊接較低 的元件，后焊較高的和要求較高的元件。特別是容易損壞的元件要后 焊，在焊集成芯片時連續(xù)焊接時間不要超過10s,注意芯片的安裝方 向。5.2電路調(diào)試首先燒入電機控制小程序，控制電機正反轉，停止均正常。說明 電機及驅(qū)動電路無誤。然后加入避障子程序，小車運轉正常時，光電 開關模塊靈敏度使達到理想效果。接下來測試紅外循線模塊的二極管 是否有亮燈，有的話，代表有用不需更換，接著

54、輸入程序進行簡單的 循線活動，測試靈敏度是否達到要求。在調(diào)試程序時，發(fā)現(xiàn)有的指令 用的不正確，特別測試紅外循線模塊的時候，一些比較急的彎，轉彎 不夠靈活，非常容易走出跑道，對于這段程序調(diào)試了比較長的時間。5. 2.1光電開關模塊調(diào)試過程光電開關采用的是紅外線漫反射型光電開關,直徑為18毫米的圓 柱體，工作電壓為5V,消耗電流25mA,響應時間2n)s,指向角15° , 正常工作環(huán)境溫度為-25°C+55°C。當電路連接好，檢測小車有無變相，若無，光電開關常態(tài)下正常。 調(diào)試過程中，可取出一張白紙，當作障礙物，擋在小車面前方3cm處, 如果小車向右轉，則光電開關正常。

55、在把白紙放在小車前方4cm處， 在測量小車有無反應。按照如此方法，調(diào)節(jié)軟件程序，最后成功把小車的探測距離，確 定在要求范圍內(nèi)。5. 2.2電機模塊調(diào)試過程由于采用的電機供電電壓是9V,而電機額定工作電壓是6V,所以 可使電機轉動的PWM值范圍可從5% 65%左右。由于電機的感性阻抗 作用，隨著PWM頻率的升高，感抗增大，導致電流減小。尤其設計中 所采用的電機是遙控車電機，額定電流較小，線圈匝數(shù)必然較多，感 抗自然就較大。PW的原理，其實就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個 重要的結論:沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時, 其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來等效一

56、些想要 的波形。5. 2. 3紅外循線模塊調(diào)試過程首先利用萬用表測試是否有發(fā)光二極管不亮的，有的話再堅持是 否因為短路或者二極管燒壞，然后通過循跡模塊的電位器調(diào)節(jié)當前環(huán) 境下20mm距離的臨界點，使光電開關照射到黑色是關閉狀態(tài)，照射到 白色是打開狀態(tài)。在接著在輸入程序，接著做一個簡單的跑道進行簡 單的測試，跑道如圖5-2。利用這個跑道可以簡單的了解各功能是否正常運行。從D點到B點的彎道上，總是會出現(xiàn)出軌道的情況，后來經(jīng)過改 變程序和利用塑膠減小光的影響，最后成功讓小車順利過彎成功。5. 2. 4測試結果與分析1. 測試方法(1) 開啟電源開關，將智能電動車放于起跑線位置，智能電動小 車在“直道區(qū)”行駛過程中，檢查看其是否沿跑道運行，再檢測是否 能順利轉彎。(2) 當小車穿過障礙物區(qū)時看小車是否碰到障礙物及小車能否順 利通過障礙物。2. 測試結果從測試結果看，基本上該智能電動車能較好的智能搬運小車的， 循跡，壁障等基本功能。搬運功能有于時間有限沒能完好調(diào)試出來。 同時，在測試中有時會有誤動作和誤差。原因是受實驗條件的約束， 如跑道不平整、電動車的性能不好