智能搬運(yùn)小車(chē)

1、 長(zhǎng)春理工大學(xué)光電信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能搬運(yùn)小車(chē)The Subject of Graduation Project學(xué) 生 姓 名專(zhuān) 業(yè)光信息科學(xué)與技術(shù)學(xué) 號(hào)指 導(dǎo) 教 師分 院光電科學(xué)2014年 6月 摘 要 本設(shè)計(jì)采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)為簡(jiǎn)易智能小車(chē)的核心器件。循跡模塊由4對(duì)紅外收發(fā)管組成， 通過(guò)反射紅外線(xiàn)的變化判斷黑線(xiàn)的有無(wú)以達(dá)到循跡的功能，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選用 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片L298N結(jié)合單片機(jī)來(lái)控制電機(jī)工作。避障模塊由兩對(duì)紅外發(fā)光管組成。搬運(yùn)模塊通過(guò)TCS230識(shí)別不同顏色來(lái)分辨抓取和釋放，從而達(dá)到搬運(yùn)的目的。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高，能滿(mǎn)足

2、設(shè)計(jì)的要求。與傳統(tǒng)搬運(yùn)車(chē)相比，該車(chē)不耗費(fèi)人力，不會(huì)造成人員的浪費(fèi)且工作效率較高。智能機(jī)器準(zhǔn)確性較高，可以減少失誤的發(fā)生，在未來(lái)工廠(chǎng)車(chē)間中，可以用智能搬運(yùn)車(chē)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)搬運(yùn)車(chē)。本文詳細(xì)的闡述了整個(gè)智能搬運(yùn)小車(chē)設(shè)計(jì)和制作以及最后測(cè)試的過(guò)程。以最簡(jiǎn)潔最最有效的方法制作出了一個(gè)具有簡(jiǎn)單功能的小車(chē)。關(guān)鍵詞： 智能循跡小車(chē) STC12C5A60S2 紅外收發(fā)管 電機(jī)驅(qū)動(dòng) TCS230ABSTRACT The design adopts STC12C5A60S2 microcontroller as the core device of simple smart car. The tracking modul

3、e 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

4、 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 r

5、equirements. 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 describe

6、s 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 錄摘要IABST

7、RACTII第1章 緒 論11.1 研究目的及意義11.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況2第2章 整體設(shè)計(jì)框架52.1 方案選擇及論證52.1.1 控制模塊選擇52.1.2 路面探測(cè)黑線(xiàn)軌跡模塊62.1.3 探測(cè)路面障礙模塊72.1.4 電機(jī)模塊72.1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊82.1.6 車(chē)架選擇92.1.7搬運(yùn)模塊92.1.8倉(cāng)庫(kù)識(shí)別模塊92.1.9 最終方案選擇102.2 方案可行性分析10第3章 硬件設(shè)計(jì)113.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖113.2 紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)模塊123.2.1 光電開(kāi)關(guān)的工作原理133.2.2 光電開(kāi)關(guān)的類(lèi)型133.2.3 壁障光電管電路的設(shè)計(jì)163.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊163.4 紅外循線(xiàn)模

8、塊183.4.1 紅外放射式光電傳感器特性與工作原理183.5 紅外循線(xiàn)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)193.6金屬探測(cè)模塊193.7顏色識(shí)別模塊201 .TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn)212 .TCS230識(shí)別顏色的原理223.8 最小系統(tǒng)模塊253.8.1 晶振電路的設(shè)計(jì)253.8.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)263.9 電源模塊27第4章 軟件設(shè)計(jì)284.1 主程序流程圖294.2 避障子程序流程圖294.3 循線(xiàn)子程序流程圖304.4搬運(yùn)子程序流程圖32第5章 系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試335.1 安裝步驟335.2 電路調(diào)試335.2.1 光電開(kāi)關(guān)模塊調(diào)試過(guò)程335.2.2 電機(jī)模塊調(diào)試過(guò)程345.2.3 紅外循線(xiàn)模塊

9、調(diào)試過(guò)程345.2.4 測(cè)試結(jié)果與分析351.測(cè)試方法352.測(cè)試結(jié)果36第六章 結(jié) 論37致 謝38參考文獻(xiàn)39附錄 設(shè)計(jì)系統(tǒng)部分源代碼40緒 論隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來(lái)越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類(lèi)越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。智能小車(chē)的研究、開(kāi)發(fā)和應(yīng)用涉及傳感技術(shù)、電氣控制工程、智能控制等學(xué)科，智能控制技術(shù)是一門(mén)跨學(xué)科的綜合性技術(shù)，當(dāng)代研究十分活躍，應(yīng)用日益廣泛的領(lǐng)域。本課題所設(shè)計(jì)的智能小車(chē)，既具有操作機(jī)(機(jī)械本體)、控制器、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和檢測(cè)傳感裝置，是一種仿人操作、自動(dòng)控制、可重復(fù)編程、能在三維空間完成靈活運(yùn)

10、動(dòng)的自動(dòng)化生產(chǎn)設(shè)備。隨著工業(yè)自動(dòng)化的不斷發(fā)展,工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)部門(mén),如采掘、噴涂、焊接、醫(yī)療等各大領(lǐng)域。由于工業(yè)機(jī)器人的出現(xiàn),它不斷替代了人們的繁重勞動(dòng),大大提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率,減輕了人們的勞動(dòng)強(qiáng)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(jìn)行操作,日益體現(xiàn)出它的優(yōu)越性。智能控制小車(chē)模擬機(jī)器人的運(yùn)作，可以通過(guò)自己的動(dòng)手排除故障，更加可以給學(xué)生一個(gè)實(shí)踐操作的空間，加強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)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(shí)際應(yīng)用的玩具，而且成本低廉，能夠運(yùn)用實(shí)際生產(chǎn)并且有一定的新穎度，有一定的社會(huì)需求。在制作中提高自身對(duì)社會(huì)需求方向的靈敏度，發(fā)現(xiàn)

11、商機(jī)，為自己在以后實(shí)現(xiàn)創(chuàng)業(yè)這個(gè)宏偉的目標(biāo)中打下一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。第一章 1.1 研究目的及意義 通過(guò)構(gòu)建智能小車(chē)系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車(chē)的檢測(cè)障礙、尋線(xiàn)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車(chē)的智能循跡以及避障。在此過(guò)程中，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。從對(duì)紅外線(xiàn)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和光電開(kāi)關(guān)在智能小車(chē)上的應(yīng)用，可以進(jìn)一步研發(fā)，將紅外線(xiàn)技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中的車(chē)輛上，比如紅外線(xiàn)倒車(chē)警報(bào)系統(tǒng)、紅外車(chē)輛防盜系統(tǒng)等等很多方面都可以利用。 1.2 國(guó)內(nèi)外發(fā)展情況十九世紀(jì)末，隨著內(nèi)燃機(jī)的誕生，人們發(fā)明了最現(xiàn)代化的交通工具汽車(chē)。經(jīng)過(guò)一個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，汽車(chē)

12、技術(shù)、性能有了很大的提高，人們充分享受到了汽車(chē)帶來(lái)的巨大便利。在享受汽車(chē)交通上帶來(lái)便利的同時(shí)，人們也發(fā)現(xiàn)運(yùn)貨是各個(gè)行業(yè)不可或缺的過(guò)程，人工運(yùn)貨隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不能完全滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。世界上許多國(guó)家都在積極進(jìn)行智能車(chē)輛的研究和開(kāi)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。當(dāng)時(shí)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的自主式移動(dòng)機(jī)器人，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、規(guī)劃和控制。從此，移動(dòng)機(jī)器人從無(wú)到有，數(shù)量不斷增多，智能車(chē)輛作為移動(dòng)機(jī)器人的一個(gè)重要分支也

13、得到越來(lái)越多的關(guān)注。 智能搬運(yùn)小車(chē)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(xiàn)，自動(dòng)裝配流水線(xiàn)，碼垛搬運(yùn)，集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)，大大減輕了人類(lèi)繁重的體力勞動(dòng)，具有廣闊的市場(chǎng)前景。 最早的成型的搬運(yùn)車(chē)始于1917年，即第一次世界大戰(zhàn)快要結(jié)束的時(shí)候。世界大戰(zhàn)結(jié)束后，世界經(jīng)濟(jì)迎來(lái)一陣復(fù)蘇和發(fā)展的階段，同時(shí)，手動(dòng)液壓搬運(yùn)車(chē)的技術(shù)得到快速的發(fā)展。當(dāng)時(shí)的物流主要是用于軍事行動(dòng)，提供供給之類(lèi)，他的作用可見(jiàn)一斑。在第二次世界大戰(zhàn)中，搬運(yùn)車(chē)以比較成熟的形象亮相，得到了快速的發(fā)展和普遍的應(yīng)用。 我國(guó)搬運(yùn)車(chē)發(fā)展歷史較晚。在上世紀(jì)50年代，那是的企業(yè)搬

14、運(yùn)活動(dòng)還是主要使用落后的人工搬運(yùn)，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，效率低下。隨著戰(zhàn)后經(jīng)濟(jì)的復(fù)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(rèn)識(shí)到了物流對(duì)發(fā)展的重要性，高效搬運(yùn)被單獨(dú)提了出來(lái)，搬運(yùn)物流業(yè)從人工搬運(yùn)轉(zhuǎn)向了機(jī)械化搬運(yùn)。近30年來(lái)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展較快，對(duì)搬運(yùn)車(chē)提出了更高的要求，特別是自從電子商務(wù)物流的快速發(fā)展，讓第三方物流行業(yè)已經(jīng)第四方物流行業(yè)得到了快速的發(fā)展，對(duì)搬運(yùn)車(chē)設(shè)備提出了更高的要求，在過(guò)去的幾年中，我國(guó)搬運(yùn)車(chē)需求均呈現(xiàn)兩位數(shù)增長(zhǎng)，發(fā)展勢(shì)頭良好。國(guó)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(dāng)中，足見(jiàn)物流在提高社會(huì)效益方面的巨大作用。 搬運(yùn)車(chē)作用作為物流搬運(yùn)中的主力軍，其作業(yè)不容忽視

15、。物流，實(shí)物空間的移動(dòng)活動(dòng)，垂直移動(dòng)稱(chēng)為堆高（堆垛）物流，平行移動(dòng)稱(chēng)為搬運(yùn)物流，這兩個(gè)物流活動(dòng)是物流活動(dòng)中最常見(jiàn)的物流，還有裝卸物流，這些物流過(guò)程均離不開(kāi)搬運(yùn)車(chē)的參與。搬運(yùn)車(chē)的價(jià)值正日益凸顯，搬運(yùn)車(chē)主要功能是完成搬運(yùn)物流活動(dòng)。 搬運(yùn)車(chē)發(fā)展歷史，經(jīng)歷3代發(fā)展，搬運(yùn)車(chē)發(fā)展正在向第四代發(fā)展。第一代搬運(yùn)車(chē)為手動(dòng)搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)CBY,其特點(diǎn)是自動(dòng)化、智能化程度不高，但它為人工搬運(yùn)向機(jī)械化搬運(yùn)轉(zhuǎn)化做出了巨大的貢獻(xiàn)，時(shí)至今日，它在搬運(yùn)車(chē)市場(chǎng)仍然具備一定的市場(chǎng)份額；第二代搬運(yùn)車(chē)是以?xún)?nèi)燃叉車(chē)為代表的內(nèi)燃搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)FT，具備較高的自動(dòng)化，內(nèi)燃叉車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，動(dòng)力強(qiáng)勁，缺點(diǎn)是有廢氣排放污染環(huán)境，效能較低，有害人

16、類(lèi)健康，不適合食品行業(yè)使用；第三代搬運(yùn)車(chē)是以電動(dòng)叉車(chē)為代表的全電動(dòng)搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)CBD,其自動(dòng)化程度和內(nèi)燃叉車(chē)相當(dāng)，但它是節(jié)能環(huán)保理念推動(dòng)的動(dòng)力技術(shù)更新，使用的是電池動(dòng)力，電動(dòng)搬運(yùn)車(chē)具備節(jié)能、無(wú)廢氣排放、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，是食品行業(yè)的最佳選擇，由于其節(jié)能的突出優(yōu)點(diǎn)，被搬運(yùn)車(chē)行業(yè)認(rèn)為是未來(lái)最有潛力的叉車(chē)之一，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(shí)間短。第四代搬運(yùn)車(chē)發(fā)展是以自動(dòng)無(wú)人搬運(yùn)車(chē)為代表的，簡(jiǎn)稱(chēng)AGVS,AGVS預(yù)計(jì)在本世紀(jì)50年代將得到大范圍的應(yīng)用，是當(dāng)今柔性制造系統(tǒng)()和自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中物流運(yùn)輸?shù)挠行侄?，現(xiàn)代的AGV是由計(jì)算機(jī)控制，多數(shù)的配有系統(tǒng)集中控制與管理計(jì)算機(jī)，用

17、于對(duì)的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)出搬運(yùn)指令，跟蹤傳送中的構(gòu)件以及控制的路線(xiàn)，無(wú)人搬運(yùn)車(chē)的引導(dǎo)方式主要有電磁感應(yīng)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)和磁鐵陀螺引導(dǎo)等方式，可以給無(wú)人搬運(yùn)車(chē)編程序輸入引導(dǎo)搬運(yùn)車(chē)完成搬運(yùn)工作，是一種智能化比較高的搬運(yùn)車(chē)。  伴隨我國(guó)企業(yè)和政府對(duì)物流的進(jìn)一步重視，以及經(jīng)濟(jì)全球化進(jìn)程的進(jìn)一步加快，我國(guó)搬運(yùn)車(chē)發(fā)展前景非常的好，未來(lái)將在一段時(shí)間內(nèi)呈現(xiàn)2到3位數(shù)的增長(zhǎng)速度成長(zhǎng)。  搬運(yùn)車(chē)經(jīng)歷3代發(fā)展，搬運(yùn)車(chē)發(fā)展正在向第四代發(fā)展。  第一代搬運(yùn)車(chē)為手動(dòng)搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)CBY,其特點(diǎn)是自動(dòng)化、智能化程度不高，但它為人工搬運(yùn)向機(jī)械化搬運(yùn)轉(zhuǎn)化做出了巨大的貢獻(xiàn)，時(shí)至今日，它在搬運(yùn)車(chē)市場(chǎng)仍然

18、具備一定的市場(chǎng)份額。  第二代搬運(yùn)車(chē)是以?xún)?nèi)燃叉車(chē)為代表的內(nèi)燃搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)FT，具備較高的自動(dòng)化，內(nèi)燃叉車(chē)以發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力，動(dòng)力強(qiáng)勁，缺點(diǎn)是有廢氣排放污染環(huán)境，效能較低，有害人類(lèi)健康，不適合食品行業(yè)使用。  第三代搬運(yùn)車(chē)是以電動(dòng)叉車(chē)為代表的全電動(dòng)搬運(yùn)車(chē)，簡(jiǎn)稱(chēng)CBD,其自動(dòng)化程度和內(nèi)燃叉車(chē)相當(dāng)，但它是節(jié)能環(huán)保理念推動(dòng)的動(dòng)力技術(shù)更新，使用的是電池動(dòng)力，電動(dòng)搬運(yùn)車(chē)具備節(jié)能、無(wú)廢氣排放、噪音小等優(yōu)點(diǎn)，是食品行業(yè)的最佳選擇，由于其節(jié)能的突出優(yōu)點(diǎn)，被搬運(yùn)車(chē)行業(yè)認(rèn)為是未來(lái)最有潛力的叉車(chē)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(shí)間短。  第四代搬運(yùn)車(chē)發(fā)展是以自動(dòng)無(wú)

19、人搬運(yùn)車(chē)為代表的，簡(jiǎn)稱(chēng)AGVS, AGVS預(yù)計(jì)在本世紀(jì)50年代將得到大范圍的應(yīng)用，是當(dāng)今柔性制造系統(tǒng)(FMS)和自動(dòng)化倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)中物流運(yùn)輸?shù)挠行侄危F(xiàn)代的AGV是由計(jì)算機(jī)控制，多數(shù)的AGVS配有系統(tǒng)集中控制與管理計(jì)算機(jī)，用于對(duì)AGV的作業(yè)過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化，發(fā)出搬運(yùn)指令，跟蹤傳送中的構(gòu)件以及控制AGV的路線(xiàn)，無(wú)人搬運(yùn)車(chē)的引導(dǎo)方式主要有電磁感應(yīng)引導(dǎo)、激光引導(dǎo)和磁鐵陀螺引導(dǎo)等方式，可以給無(wú)人搬運(yùn)車(chē)編程序輸入引導(dǎo)搬運(yùn)車(chē)完成搬運(yùn)工作，是一種智能化比較高的搬運(yùn)車(chē)。第2章 整體設(shè)計(jì)框架 2.1 方案選擇及論證 根據(jù)自己的設(shè)計(jì)想法，系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)循線(xiàn)、壁障功能、搬運(yùn)，必須要?jiǎng)澐殖蔀榘藗€(gè)模塊。對(duì)各個(gè)模塊的實(shí)現(xiàn)

20、，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)各種復(fù)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(jìn)行功能擴(kuò)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(fù)雜的邏輯功能，對(duì)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(jì)的角度考慮，最終放棄了此方案。 方案二： 采用凌陽(yáng)的16位單片機(jī)，它是16位控制器，且有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)作為處理器時(shí)，電路較為復(fù)雜，

21、而且方案成本較高。方案三：采用STC公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，STC12C5A60S2是一個(gè)低功耗、高性能、高速的51內(nèi)核的CMOS 8位單片機(jī)，該單片機(jī)結(jié)果簡(jiǎn)單、功耗低、接口豐富，完全能滿(mǎn)足此次智能小車(chē)設(shè)計(jì)的要求。最重要的是，它相對(duì)前兩者成本最為低廉。從節(jié)約成本的角度考慮，最終選擇了方案三 2.1.2 路面探測(cè)黑線(xiàn)軌跡模塊在該設(shè)計(jì)中智能小車(chē)從起跑線(xiàn)到終點(diǎn)是對(duì)路面軌跡進(jìn)行探測(cè)，探測(cè)路面黑線(xiàn)軌跡模塊的大致原理是：光線(xiàn)照射到路面并反射，由于黑線(xiàn)和白線(xiàn)的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱判斷是否小車(chē)沿黑線(xiàn)行駛。方案一：采用可見(jiàn)光發(fā)光二級(jí)管與光敏二極管 組成的發(fā)射-接收電

22、路。這種方案的缺點(diǎn)在于其它環(huán)境光源會(huì)對(duì)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(jiàn)光管，可以明顯降低環(huán)境光源干擾，提高了控制精度。基于此，擬選用方案二。 2.1.3 探測(cè)路面障礙模塊方案一：采用紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)。由于紅外線(xiàn)指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播遠(yuǎn)，因而紅外線(xiàn)經(jīng)常應(yīng)用于距離的測(cè)量、障礙物的探測(cè)等。紅外線(xiàn)探測(cè)障礙物并繞過(guò)障礙物模塊是利用紅外線(xiàn)發(fā)射器向某一方向紅外線(xiàn)，紅外線(xiàn)在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，紅外線(xiàn)接收器收到反射光經(jīng)相應(yīng)的電路進(jìn)行

23、處理，以測(cè)定障礙物的方位及距離，并向小車(chē)發(fā)送控制信號(hào)以使小車(chē)?yán)@過(guò)障礙物。方案二：采用超聲波穿感器，超聲波傳感器探測(cè)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(cè)定的障礙物就會(huì)立即返回超聲波接受模塊接受，再由相關(guān)電路處理，以測(cè)定障礙物的相關(guān)方位、距離。超聲波傳感器成本相對(duì)較高，以上兩種方案都是比較可行的。尤其是紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，應(yīng)用相當(dāng)廣泛、但是為了本題目更加的實(shí)用和有效，超聲波傳感器成本相對(duì)較高，電路較為復(fù)雜，采用紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，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(shè)計(jì)選擇方案一。 2.1.4 電機(jī)模塊方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)的一個(gè)顯著特點(diǎn)

24、就是具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。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)。直流電動(dòng)機(jī)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(guò)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(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿(mǎn)足各種不同的特殊運(yùn)行要求。由于普通直流電機(jī)更易于購(gòu)買(mǎi)，并且電路相對(duì)簡(jiǎn)單，因此采用直流電機(jī)作為動(dòng)力源。 2.1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)。線(xiàn)性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻R的電流大，發(fā)熱

25、厲害，損耗大，對(duì)于小車(chē)的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不利。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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L298N。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)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(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)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(shù)。綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案三。 2.1.6 車(chē)架選擇方案一：使用四輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)小車(chē)，這樣速度方面非常流暢

26、，但靈活性不足，特別是遇到障礙物時(shí)，轉(zhuǎn)彎非常不流暢，程序方面還要相對(duì)復(fù)雜，對(duì)于小車(chē)的躲避障礙物非常不利。方案二：使用兩輪驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)小車(chē)，雖然速度上無(wú)法與四輪的小車(chē)相提并論，不過(guò)靈活性上卻是大大的提升，對(duì)于躲避障礙物方面有重要的改變，非常適合題目要求。綜合兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案二。 2.1.7搬運(yùn)模塊方案一：適用舵機(jī)控制的機(jī)械臂，雖然比較容易抓取，但很難定位物體的位置?？缮鲜鲞x擇的單片機(jī)在功能上顯然不太夠用，而且價(jià)格比較昂貴方案二：選擇自制一個(gè)叉形結(jié)構(gòu)，用帶齒輪的電機(jī)撥動(dòng)帶有齒條的叉形結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)上下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的棒狀結(jié)構(gòu)的搬運(yùn)。 2.1.8倉(cāng)庫(kù)識(shí)別模塊這模塊經(jīng)過(guò)反復(fù)思考，只想出了一

27、種方案，在倉(cāng)庫(kù)出放置涂有紅和綠的金屬片，在行進(jìn)的過(guò)程中先經(jīng)過(guò)金屬探測(cè)器探測(cè)確定位置立即停下來(lái)，然后通過(guò)顏色識(shí)別傳感器TCS230來(lái)識(shí)別金屬片顏色，取定貨物需由紅色金屬片出轉(zhuǎn)移至綠色金屬片處。從而有單片機(jī)操縱搬運(yùn)模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)貨與卸貨。 2.1.9 最終方案選擇經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，最終確定了如下方案： 采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為控制器；用反射式紅外發(fā)射-接收器進(jìn)行黑線(xiàn)檢測(cè)；采用紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)來(lái)探測(cè)路面障礙物；L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片；電機(jī)模塊使用普通直流電機(jī)；使用兩輪的車(chē)架增加靈活性；倉(cāng)庫(kù)識(shí)別模塊采用金屬探測(cè)器和顏色傳感器；搬運(yùn)模塊采用由直流電機(jī)帶動(dòng)的叉形結(jié)構(gòu)。 2.2 方案可行性分析

28、紅外尋線(xiàn)模塊，是通過(guò)紅外二極管發(fā)出紅外線(xiàn)，根據(jù)紅外線(xiàn)在白色和黑色物質(zhì)上反射回來(lái)的強(qiáng)弱，來(lái)判斷黑線(xiàn)的位置。本項(xiàng)目采用的是一體紅外接收裝置，當(dāng)遇到黑色物時(shí)送給單片機(jī)一個(gè)高電平觸發(fā)，進(jìn)而通過(guò)事先編輯好的程序控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。通過(guò)分析，此模塊可以準(zhǔn)確的進(jìn)行循線(xiàn)功能。光電開(kāi)關(guān)避障模塊，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)的。物體不限于金屬，所有能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱或有無(wú)對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。 本次設(shè)計(jì)采用紅外線(xiàn)漫反射型光電開(kāi)關(guān)，它是通過(guò)發(fā)光器發(fā)出一個(gè)光信號(hào)，當(dāng)障礙物擋住光時(shí)，把部分光線(xiàn)反射

29、回來(lái)，收光器就接受到光信號(hào)，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。輸出的開(kāi)關(guān)信號(hào)由控制器處理，判斷前方是否由障礙，從而確定是否要轉(zhuǎn)向。通過(guò)分析，此模塊可以用來(lái)探測(cè)障礙。動(dòng)力方面，此次設(shè)計(jì)使用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，L298N是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。通過(guò)分析，它能很好的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。搬運(yùn)方便，采用金屬探測(cè)器和顏色識(shí)別傳感器，倉(cāng)庫(kù)位置的識(shí)別可靠性較高，自制叉形結(jié)構(gòu)在物理結(jié)構(gòu)上可能會(huì)不太完美，但基本能實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)。綜上所述，可以看出方案的可行性非常之高，可以安心地進(jìn)行智能小車(chē)實(shí)物的創(chuàng)作。第3章 硬件設(shè)計(jì)智能小車(chē)采用

30、兩輪驅(qū)動(dòng)，左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制兩個(gè)后面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速?gòu)亩_(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。將八個(gè)紅外線(xiàn)光電傳感器分別裝在車(chē)體的左右，當(dāng)車(chē)的左邊的傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)的邊界時(shí)，主控芯片控制左輪電機(jī)減速，車(chē)向左修正，當(dāng)車(chē)的右邊傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)時(shí)，主控芯片控制右輪電機(jī)減速，車(chē)向右修正。避障的原理和循線(xiàn)一樣，在車(chē)頭的前面裝了一個(gè)紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，當(dāng)前方傳感器檢測(cè)到障礙物時(shí)，車(chē)子向右轉(zhuǎn)，從而避開(kāi)障礙物。 3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)硬件電路由光電開(kāi)關(guān)避障模塊，單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊，電源模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)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

31、獨(dú)使用。如圖3-1所示為智能小車(chē)硬件設(shè)計(jì)方框圖。 3.2 紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)模塊在本設(shè)計(jì)中紅外光電開(kāi)關(guān)模塊是智能小車(chē)前向通道的主要組成部分，本設(shè)計(jì)采用E3F-DS30C4作為探測(cè)前方障礙物體的檢測(cè)元件，光電開(kāi)關(guān)發(fā)出信號(hào)由單片機(jī)89C51產(chǎn)生。E3F-DS30C4的工作電壓為5V，工作電流為10mA，驅(qū)動(dòng)電流為100mA，感應(yīng)距離為30cm。結(jié)合題目指標(biāo)和實(shí)際測(cè)試結(jié)果，本設(shè)計(jì)中設(shè)定感應(yīng)距離為6cm。圖3-1 系統(tǒng)功能模塊圖 3.2.1 光電開(kāi)關(guān)的工作原理光電開(kāi)關(guān)是傳感器中的一種,它把發(fā)射端和接受端之間光的強(qiáng)弱變化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。光電開(kāi)關(guān)是光接近開(kāi)關(guān)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是利用被檢測(cè)物對(duì)光束的遮擋或

32、反射，由同步回路選通電路，從而檢測(cè)物體有無(wú)得。所以能反射光線(xiàn)的物體均可被檢測(cè)。光電開(kāi)關(guān)將輸入電流在發(fā)射器上轉(zhuǎn)換為光信號(hào)射出，接收器再根據(jù)接收到的光線(xiàn)的強(qiáng)弱對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行探測(cè)。工作原理如圖3-2所示。發(fā)光器障礙物收光器 圖3-2 光電開(kāi)關(guān)工作原理圖 3.2.2 光電開(kāi)關(guān)的類(lèi)型紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)它利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線(xiàn)的物體均可檢測(cè)。根據(jù)檢測(cè)方式的不同，紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)可分為四種：漫反射式光電開(kāi)關(guān)、鏡反射式光電開(kāi)關(guān)、對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)、槽式光電開(kāi)關(guān)。漫反射光電開(kāi)關(guān)是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，將光

33、電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線(xiàn)反射到接收器，于是光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖3-3為漫反射光電開(kāi)關(guān)工作原理圖。圖3-3 漫反射式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖鏡反射式光電開(kāi)關(guān)亦是集發(fā)射器與接收器于一體，光電開(kāi)關(guān)發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)經(jīng)過(guò)反射鏡，反射回接收器，當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)且完全阻斷光線(xiàn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)開(kāi)關(guān)信號(hào)。圖3-4為鏡反射式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖。圖3-4 鏡反射式開(kāi)關(guān)工作原理圖對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)包含在結(jié)構(gòu)上相互分離且光軸相對(duì)放置的發(fā)射器和接收器，發(fā)射器發(fā)出的光線(xiàn)直接進(jìn)入接收器。當(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)發(fā)射器和接收器之間且阻斷光線(xiàn)時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)檢測(cè)物體是不透明時(shí)，對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)是最可靠的檢測(cè)模式

34、。圖3-5為對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖。槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，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(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。圖3-6為槽式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖。圖3-5 對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖槽式光電開(kāi)關(guān)通常是標(biāo)準(zhǔn)的U字型結(jié)構(gòu)，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(dāng)被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)U型槽且阻斷光軸時(shí)，光電開(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了檢測(cè)到的開(kāi)關(guān)量信號(hào)。圖3-6為槽式光電開(kāi)關(guān)工作原理圖。圖3-6 槽式開(kāi)關(guān)工作原理圖本次設(shè)計(jì)所使用的光電開(kāi)關(guān)德國(guó)SICD公司所生產(chǎn)的E3F-DS30C4，如圖3-7。E3F-DS30C4為常開(kāi)型紅

35、外線(xiàn)漫反射式光電開(kāi)關(guān)，由于漫反射光電開(kāi)關(guān)的工作方式，決定了其功用，正符合本設(shè)計(jì)檢測(cè)障礙物所用。圖3-7 E18-B03N1紅外線(xiàn)漫反射式光電開(kāi)關(guān)3.2.3 壁障光電管電路的設(shè)計(jì)采用E18-B03N1光電開(kāi)關(guān)，其檢查距離為30cm，是常開(kāi)型漫反射式紅外線(xiàn)光電開(kāi)關(guān)，它有三個(gè)引腳，把光電開(kāi)關(guān)焊為上圖所示，信號(hào)線(xiàn)和電源線(xiàn)分開(kāi)方便連接。如圖3-8所示E18-B03N1電路連接圖。圖3-8 光電開(kāi)關(guān)電路連接圖3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊由于單片機(jī)I/O口驅(qū)動(dòng)能力弱，不能直接連接直流電機(jī)，故需要驅(qū)動(dòng)芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。該設(shè)計(jì)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(dòng)電路。L

36、298N是一種二相和四相電機(jī)的專(zhuān)用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其電路如圖3-9所示。1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，成電流傳感信號(hào)。本電路未用到采樣所以將其接地。L298N可以驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。5腳、7腳、10腳、12腳接輸入控制信號(hào)，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB為電機(jī)控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。本電路中分別與單片機(jī)89C51相連，L298N的邏輯功能如表3-1所示。表3-1 L298N邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3)IN2(IN4)

37、電機(jī)運(yùn)行情況HHL正傳HLH反轉(zhuǎn)HHH快速停止HLL快速停止L任意任意停止圖3-9 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖圖3-10 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖由于電機(jī)在正常工作時(shí)對(duì)電源的干擾很大，所以在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入端并聯(lián)電容，用以濾除噪聲干擾。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)物圖如圖3-10所示。3.4 紅外循線(xiàn)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。理論上光電傳感器只要位于被測(cè)區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測(cè)，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日

38、光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測(cè)量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯(cuò)誤信號(hào)，采用對(duì)反射光強(qiáng)進(jìn)行測(cè)量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)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(hào)，原理如圖3-11所示。反射表面發(fā)射接收?qǐng)D3-11紅外發(fā)射接收原理3.5 紅外循線(xiàn)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)每 1路的傳感器的紅外發(fā)射管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，當(dāng)發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的TTL輸 出端為高電平，相應(yīng)指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管導(dǎo)通，此時(shí)模塊的TT

39、L輸出 端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮。圖3-12 YL40四路循跡傳感器圖3.6金屬探測(cè)模塊電感式接近開(kāi)關(guān)由三大部分組成:振蕩器、開(kāi)關(guān)電路及放大輸出電路。振蕩器產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)。當(dāng)金屬物體 接近這一磁場(chǎng)，并達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流，從而導(dǎo)致振蕩衰減，以至停振。振蕩器振蕩及停振的變化被后級(jí)放大電路處理并轉(zhuǎn)換成開(kāi)磁信號(hào)，觸發(fā)驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式這檢測(cè)目的。 物體離傳感器越近，線(xiàn)圈內(nèi)的阻尼就越大，阻尼越大，傳感器振蕩器的電流越小。圖3-9 金屬探測(cè)器原理圖3.7顏色識(shí)別模塊 1.TCS230芯片的結(jié)構(gòu)框圖與特點(diǎn): TCS230是TAOS公司推出的可編程彩色光到頻率的轉(zhuǎn)換器，它把

40、可配置的硅光電二極管與電流頻率轉(zhuǎn)換器集成在一個(gè)單一的CMOS電路上，同時(shí)在單一芯片上集成了紅綠藍(lán)（RGB）三種濾光器，是業(yè)界第一個(gè)有數(shù)字兼容接口的RGB彩色傳感器，TCS230的輸出信號(hào)是數(shù)字量，可以驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)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(gè)彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使電路變得更簡(jiǎn)單，圖1是TCS230的引腳和功能框圖。圖1TCS230結(jié)構(gòu)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(gè)光電二極管，這些二極管分為四種類(lèi)型，其16個(gè)光電二極管帶有紅色濾波器；

41、16個(gè)光電二極管帶有綠色濾波器；16個(gè)光電二極管帶有藍(lán)色濾波器，其余16個(gè)不帶有任何濾波器，可以透過(guò)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(shí)別的精確度；另一方面，相同顏色的16個(gè)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(shí)，通過(guò)兩個(gè)可編程的引腳來(lái)動(dòng)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2Hz500kHz，用戶(hù)還可以通過(guò)兩個(gè)可編程引腳來(lái)選擇100、20或2的輸出比例因子，或電源關(guān)斷模式。輸出比例因子使傳感器的輸出能夠適應(yīng)不同的測(cè)量范圍，提高了它的適應(yīng)能力。例如，當(dāng)使用低速的頻率計(jì)數(shù)器時(shí)，

42、就可以選擇小的定標(biāo)值，使TCS230的輸出頻率和計(jì)數(shù)器相匹配。從圖1可知：當(dāng)入射光投射到TCS230上時(shí)，通過(guò)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(guò)電流到頻率轉(zhuǎn)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(qiáng)對(duì)應(yīng)不同頻率的方波；還可以通過(guò)輸出定標(biāo)控制引腳S0、S1，選擇不同的輸出比例因子，對(duì)輸出頻率范圍進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)不同的需求。下面簡(jiǎn)要介紹TCS230芯片各個(gè)引腳的功能及它的一些組合選項(xiàng)。S0、S1用于選擇輸出比例因子或電源關(guān)斷模式；S2、S3用于選擇濾波器的類(lèi)型；OE反是頻率輸出使能引腳，可以控制輸出的狀態(tài)，當(dāng)有多個(gè)芯片引腳共用微處理器的輸出引腳時(shí)，也

43、可以作為片選信號(hào)，OUT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S0、S1及S2、S3的可用組合。表一 引腳輸出狀態(tài)圖 2.TCS230識(shí)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(zhuǎn)換器適合于色度計(jì)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域，如彩色打印、醫(yī)療診斷、計(jì)算機(jī)彩色監(jiān)視器校準(zhǔn)以及油漆、紡織品、化妝品和印刷材料的過(guò)程控制和色彩配合。下面以TCS230在液體顏色識(shí)別中的應(yīng)用為例，介紹它的具體使用。首先了解一些光與顏色的知識(shí)。（1）三原色的感應(yīng)原理 通常所看到的物體顏色，實(shí)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(yīng)

44、。白色是由各種頻率的可見(jiàn)光混合在一起構(gòu)成的，也就是說(shuō)白光中包含著各種顏色的色光（如紅R、黃Y、綠G、青V、藍(lán)B、紫P）。根據(jù)德國(guó)物理學(xué)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(lán)）混合而成的。（2）TCS230識(shí)別顏色的原理 由三原色感應(yīng)原理可知，如果知道構(gòu)成各種顏色的三原色的值，就能夠知道所測(cè)試物體的顏色。對(duì)于TCS230來(lái)說(shuō)，當(dāng)選定一個(gè)顏色濾波器時(shí)，它只允許某種特定的原色通過(guò)，阻止其他原色的通過(guò)。例如：當(dāng)選擇紅色濾波器時(shí)，入射光中只有紅色可以通過(guò)，藍(lán)色和綠色都被阻止，這樣就可以得到紅色光的光強(qiáng)；同時(shí)，選擇其他的濾波器，就可以得到藍(lán)色光和綠色光

45、的光強(qiáng)。通過(guò)這三個(gè)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(shí)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(lán)色混合而成的；但實(shí)際上，白色中的三原色并不完全相等，并且對(duì)于TCS230的光傳感器來(lái)說(shuō)，它對(duì)這三種基本色的敏感性是不相同的，導(dǎo)致TCS230的RGB輸出并不相等，因此在測(cè)試前必須進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得TCS230對(duì)所檢測(cè)的"白色"中的三原色是相等的。進(jìn)行白平衡調(diào)整是為后續(xù)的顏色識(shí)別作準(zhǔn)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(gè)白色的光源，使入射光能夠穿過(guò)試

46、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(lán)色濾波器，分別測(cè)得紅色、綠色和藍(lán)色的值，然后就可計(jì)算出需要的3個(gè)調(diào)整參數(shù)。 當(dāng)TCS230識(shí)別顏色時(shí)，就用這3個(gè)參數(shù)對(duì)所測(cè)顏色的R、G和B進(jìn)行調(diào)整。這里有兩種方法來(lái)計(jì)算調(diào)整參數(shù)：1、依次選通三顏色的濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R、G和B的值。2、設(shè)置定時(shí)器為一固定時(shí)間 （例如10ms），然后選通三種顏色的濾波器，計(jì)算這段時(shí)間內(nèi)TCS230的輸出脈沖數(shù)，

47、計(jì)算出一個(gè)比例因子，通過(guò)這個(gè)比例因子可以把這些脈沖數(shù)變?yōu)?55。在實(shí)際測(cè)試時(shí)，室外同樣的時(shí)間進(jìn)行計(jì)數(shù)，把測(cè)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(duì)應(yīng)的R、G和B的值。3.應(yīng)用中需要注意的問(wèn)題 (1)顏色識(shí)別時(shí)要避免外界光線(xiàn)的干擾，否則會(huì)影響顏色識(shí)別的結(jié)果，最好把傳感器、光源等放置在一個(gè)密閉、無(wú)反射的箱子中進(jìn)行測(cè)試。 (2)對(duì)光源沒(méi)有特殊的要求，但是光源發(fā)出的光要盡量集中，否則會(huì)造成傳感器之間的相互干擾。 (3)當(dāng)?shù)?次使用TCS230時(shí)，或TCS230識(shí)別模塊重啟、更換光源等情況時(shí)，都需要進(jìn)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(shè)計(jì)晶振電路由頻率為12MHz的晶體作

48、為時(shí)鐘，兩個(gè)20pF的瓷片電容構(gòu)成，如圖3-13所示。由于機(jī)器周期為晶體周期的12倍，因此使用該晶體時(shí)，機(jī)器周期=1us。晶體和瓷片電容相同，在焊接時(shí)沒(méi)有正負(fù)極之分外部時(shí)鐘電路完成后，給單片機(jī)上電，如果時(shí)鐘電路及單片機(jī)工作正常，則X2對(duì)地電壓和X1對(duì)地電壓均在2.3V左右（±0.5V）圖3-13 晶振電路3.8.2 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)復(fù)位電路比較簡(jiǎn)單，由一個(gè)10pF的電解電容、一個(gè)開(kāi)關(guān)按鍵、一個(gè)10K的電路構(gòu)成，如圖3-14所示。圖3-14 復(fù)位電路圖圖3-15 單片機(jī)最小系統(tǒng)3.9 電源模塊本次設(shè)計(jì)所用的電源為12V直流鉛蓄電源，經(jīng)過(guò)L298N的降壓穩(wěn)壓，把12V的直流電源變?yōu)?V的電

49、源，供電給單片機(jī)工作。圖3-16 12v鉛蓄電池第4章 軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占重要地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類(lèi)型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制小車(chē)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)

50、計(jì)法。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序避障子程序循線(xiàn)子程序、搬運(yùn)子程序、中斷子程序等構(gòu)成。4.1 主程序流程圖如圖4-1為主程序流程框圖，打開(kāi)電源，小車(chē)運(yùn)行。小車(chē)檢測(cè)黑線(xiàn)，如果遇到黑線(xiàn)，則紅外傳感器輸出低電平，小車(chē)沿著黑線(xiàn)行駛。小車(chē)裝有四個(gè)紅外傳感器，分別兩左兩右，用來(lái)探測(cè)黑線(xiàn)信號(hào)。假如中間兩個(gè)燈亮，小車(chē)直行，右邊燈亮，小車(chē)向左，左邊燈亮，小車(chē)向右。左右兩個(gè)傳感器不斷修正軌跡，使小車(chē)始終保持沿黑線(xiàn)行駛。小車(chē)運(yùn)行，在檢測(cè)黑線(xiàn)的同時(shí)，也在檢測(cè)障礙物，如果小車(chē)前方有障礙，朝前的兩個(gè)光電開(kāi)關(guān)給單片機(jī)輸出一個(gè)高電平，同時(shí)小車(chē)安裝程序立即停止，避開(kāi)障礙。小車(chē)檢測(cè)黑線(xiàn)的同時(shí)還在檢測(cè)金屬，如果遇到金屬，單片

51、機(jī)立即讓小車(chē)制動(dòng)，停止，然后由顏色傳感器識(shí)別顏色判斷抓取還是放下。抓取之后，繼續(xù)進(jìn)入大循環(huán)，開(kāi)始循跡，等待下一次探測(cè)到金屬，識(shí)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(chē)開(kāi)始運(yùn)行，紅外線(xiàn)光電傳感器為高電圖4-1 主程序流程圖平，光電傳感器檢測(cè)障礙物，如前方有障礙物，紅外線(xiàn)光電傳感器向單片機(jī)輸出低電平，單片機(jī)接收低電平信號(hào)，控制電機(jī)改變轉(zhuǎn)向；如前方無(wú)障礙物小車(chē)向前運(yùn)行。4.3 循線(xiàn)子程序流程圖圖4-3為循線(xiàn)模塊流程圖，小車(chē)初始化完畢，等待接受信號(hào)。如果左邊紅外線(xiàn)接收管為高電平，則小車(chē)向左轉(zhuǎn)，如不是，則繼續(xù)運(yùn)行；如果右邊紅外接收管為高電平，則小車(chē)向右轉(zhuǎn)，如不是則保持運(yùn)

52、行。NY開(kāi)始小車(chē)運(yùn)行檢測(cè)障礙物小車(chē)停止小車(chē)向前圖4-2 避障模塊流程圖圖4-3 巡線(xiàn)子流程圖4.4搬運(yùn)子程序流程圖圖4-4 搬運(yùn)子程序小車(chē)搬運(yùn)流程圖如圖4-4。小車(chē)開(kāi)始循跡運(yùn)行，金屬探測(cè)器探測(cè)到金屬立即停止，顏色傳感器識(shí)別標(biāo)志位顏色，通過(guò)顏色的不同來(lái)判斷該位置是抓取還是釋放。動(dòng)作完畢，小車(chē)?yán)^續(xù)正常運(yùn)行。第5章 系統(tǒng)調(diào)試和測(cè)試5.1 安裝步驟1.檢查元件的好壞按電路圖買(mǎi)好元件后首先檢查買(mǎi)回元件的好壞，按各元件的檢測(cè)方法分別進(jìn)行檢測(cè)，一定要仔細(xì)認(rèn)真。而且要認(rèn)真核對(duì)原理圖是否一致，在檢查好后才可上件、焊件，防止出現(xiàn)錯(cuò)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(guò)程中要先放置

53、、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(shí)連續(xù)焊接時(shí)間不要超過(guò)10s，注意芯片的安裝方向。5.2 電路調(diào)試首先燒入電機(jī)控制小程序，控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)，停止均正常。說(shuō)明電機(jī)及驅(qū)動(dòng)電路無(wú)誤。然后加入避障子程序，小車(chē)運(yùn)轉(zhuǎn)正常時(shí)，光電開(kāi)關(guān)模塊靈敏度使達(dá)到理想效果。接下來(lái)測(cè)試紅外循線(xiàn)模塊的二極管是否有亮燈，有的話(huà)，代表有用不需更換，接著輸入程序進(jìn)行簡(jiǎn)單的循線(xiàn)活動(dòng)，測(cè)試靈敏度是否達(dá)到要求。在調(diào)試程序時(shí)，發(fā)現(xiàn)有的指令用的不正確，特別測(cè)試紅外循線(xiàn)模塊的時(shí)候，一些比較急的彎，轉(zhuǎn)彎不夠靈活，非常容易走出跑道，對(duì)于這段程序調(diào)試了比較長(zhǎng)的時(shí)間。5.2.1 光電開(kāi)關(guān)模塊調(diào)試過(guò)程

54、光電開(kāi)關(guān)采用的是紅外線(xiàn)漫反射型光電開(kāi)關(guān)，直徑為18毫米的圓柱體，工作電壓為5V，消耗電流25mA，響應(yīng)時(shí)間2ms，指向角15°，正常工作環(huán)境溫度為-25+55。當(dāng)電路連接好，檢測(cè)小車(chē)有無(wú)變相，若無(wú)，光電開(kāi)關(guān)常態(tài)下正常。調(diào)試過(guò)程中，可取出一張白紙，當(dāng)作障礙物，擋在小車(chē)面前方3cm處，如果小車(chē)向右轉(zhuǎn)，則光電開(kāi)關(guān)正常。在把白紙放在小車(chē)前方4cm處，在測(cè)量小車(chē)有無(wú)反應(yīng)。按照如此方法，調(diào)節(jié)軟件程序，最后成功把小車(chē)的探測(cè)距離，確定在要求范圍內(nèi)。5.2.2 電機(jī)模塊調(diào)試過(guò)程由于采用的電機(jī)供電電壓是9V，而電機(jī)額定工作電壓是6V，所以可使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的PWM值范圍可從5% 65%左右。由于電機(jī)的感性阻抗

55、作用，隨著PWM頻率的升高，感抗增大，導(dǎo)致電流減小。尤其設(shè)計(jì)中所采用的電機(jī)是遙控車(chē)電機(jī)，額定電流較小，線(xiàn)圈匝數(shù)必然較多，感抗自然就較大。 PWM的原理，其實(shí)就是面積等效原理，在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)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(shí)，其效果基本相同。所以可用等幅值的不同寬度的脈沖來(lái)等效一些想要的波形。5.2.3 紅外循線(xiàn)模塊調(diào)試過(guò)程首先利用萬(wàn)用表測(cè)試是否有發(fā)光二極管不亮的，有的話(huà)再堅(jiān)持是否因?yàn)槎搪坊蛘叨O管燒壞，然后通過(guò)循跡模塊的電位器調(diào)節(jié)當(dāng)前環(huán)境下20mm距離的臨界點(diǎn)，使光電開(kāi)關(guān)照射到黑色是關(guān)閉狀態(tài)，照射到白色是打開(kāi)狀態(tài)。在接著在輸入程序，接著做一個(gè)簡(jiǎn)單的跑道進(jìn)行簡(jiǎn)單的測(cè)試，跑道如圖5-2。利用這個(gè)跑道可以簡(jiǎn)單的了解各功能是否正常運(yùn)行。A起點(diǎn)E起點(diǎn)C起點(diǎn)B起點(diǎn)D起點(diǎn)圖5-2測(cè)試跑道從D點(diǎn)到B點(diǎn)的彎道上，總是會(huì)出現(xiàn)出軌道的情況，后來(lái)經(jīng)過(guò)改變程序和利用塑膠減小光的影響，最后成功讓小車(chē)順利過(guò)彎成功。5.2.4 測(cè)試結(jié)果與分析1.測(cè)試方法（1）開(kāi)啟電源開(kāi)關(guān)，將智能電動(dòng)車(chē)放于起跑線(xiàn)位置，智能電動(dòng)小車(chē)在“直道區(qū)”行駛過(guò)程中，檢查看其是否沿跑道運(yùn)行，再檢測(cè)是否能順利轉(zhuǎn)彎。（2）當(dāng)小車(chē)穿過(guò)障礙物區(qū)時(shí)看小車(chē)是否碰到