智能搬运小车

2009广东工业大学第二届电子设计大赛设计报告
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竞赛题目：智能搬运小车
参赛编号:X1-003
学生姓名：
学院班级：
智能搬运小车
一．前言
随着生产自动化的发展，智能小车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，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。

视觉传感器的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。

视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，但其价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近传感器是一种实用有效的方法。

智能搬运小车要实现自动寻迹功能、趋光行驶功能和金属探测功能就必须要检测黑带、感知光源和识别金属物，传感器相当给机器人一个视觉功能。

故对机器人的研究已成为必要。

智能循迹是基于红外传感器实现小车寻找黑线，利用光敏电阻在不同强度光照下电阻分压的不同实现趋光行驶，利用接近开关探测金属物并用电磁铁将金属捡起，并可实现声光提示。

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二．硬件设计
1.小车控制单元的选择
方案一：采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对光源检测信号，黑带检测信号，铁片检测信号。

本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。

方案二：采用STC89C52单片机来作为整机的控制单元。

铁片检测采用电感式接近开关LJ18A3-4-Z/BX检测，黑带检测采用红外发射二极管和红外接收管对光源信号进行采集，光源检测利用光敏电阻的感光特性对光源信号检测，信号送到单片机系统处理。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。

单片机是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。

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STC89C52，负责检测传
感器的状态并控制电机。

如图(1)所示
图(1)
趋光部分利用光敏电阻的感光特性采集光源信息，信号经电压比较器处理后再将信号输入单片机进行处理；铁片检测采用电感式接近开关J12A3-4-Z/BX ，产生的高低电平信号再经电压比较器调整后，完成相应的检测项目；捡铁片是利用电磁铁来完成的；使单片机控制蜂鸣器发声；黑带寻迹依靠安装在车底部三对红外发射二极管和红外接收管来采集地面颜色信息，信号输入单片机进行处理。

此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现。

2. 小车的选择
本次设计所需小车车体为三轮小车，小车采用两轮驱动，两轮各用一个直流电机执行，前轮为一万向轮。

底盘为上等的试验板，以防止小车变型；所有的控制电路以及传感器模块均是由排线连接在一起的，最后再优化固定在小车上。

为了能精确测定黑线位置和光源位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设3对红外发射二极管和3个光敏电阻，具体位置如图（2）所示。

图(2)
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2．模块电路设计与比较
1)检测铁片方案选择
方案一：采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信号也不可靠，成
功率比较低，难以准确输出传感信息。

方案二：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LJ18A3-4-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0.7伏，所以应使用电压比较器与一个0.3伏的电压进行比较，产生标准TTL电平信号，0.3伏小电压可以使用普通电阻串联分压获得，稳定性较好。

故采用方案二。

2)捡铁片方案选择
方案一：采用机械手臂
此方法可靠性高，但控制要求精度高，价格较高，一般不被采用。

方案二：采用电磁铁
控制简单，使用灵活，能够完成任务。

所以此处选用方案。

检测铁片与拾起/放下铁片电路如图（3）所示：
图(3)
当接近开关没有检测到金属物质时，A端将输出0.7伏高电平，经电压比较器LM339调整电压后，向单片机输入标准的TTL高电平。

当接近开关检测到金属物质时，A端将输出低电平，输入单片机直接执行外部中断。

通过程序，在适当时候向B端输出高低电平信号，从而控制电磁铁的开启与关闭，实现铁片的拾起与放下的功能。

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3)黑带检测方案选择
方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。

由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。

方案二：利用红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。

采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，再用电压比较器对信号进行调整。

本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

黑带检测电路图如图（4）所示。

图(4)
输出信号进入LM324进行电压比较，产生标准TTL电平，稳定性能得到提升。

当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时输出电平为低电平，反之为高电平。

结合程序控制小车转弯。

电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在不同光度的环境光中能够检测黑带。

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LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下，共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

其引脚图如下图（5）：
图（5）
4)光源检测电路
方案一：采用光敏二极管的感光特性实现对光源的检测, 二极管响应快，制作环保，但一般灵敏度比光敏电阻低，稳定性差
方案二：利用光敏电阻的高灵敏感光特性，且具有光谱特性及γ值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性；在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

再经由三个光敏电阻各自分压而构成两对输出电平信号。

本方案也易于实现，比较可靠，因此采用方案二。

黑带检测电路图如图（6）所示。

图（6）
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，该电压比较器的特点是：失调电压小，典型值为2mV；电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为±1V-±18V；对比较信号源的内阻限制较宽；共模范围很大，为0~（Ucc-1.5V）Vo；差动输入电压范围较大，大到可以等于电源电压；输出端电位可灵活方便地选用。

图(7)
两对输出信号进入LM339进行电压比较，产生两个标准TTL电平。

结合查询方式，通过程
表（1）
调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，结合智能车驱动电路能够实现对应的动作。

结合程序控制小车转弯。

电路中的可调电阻可调节灵敏度，以满足小车在适当的环境中能够检测光源。

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5)智能车驱动电路
方案一：采用分立元件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立元件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想。

方案二：采用市面易购的电机驱动芯片L293D，该芯片是利用TTL电平进行控制，对电机的操作方便，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正反转操作，很方便单片机的操作，亦能满足直流减速电机的要求。

智能车驱动电路实现如图（8）所示。

图（8）
小车电机为直流电机，带有齿轮组，考虑不需调速功能，采用电机驱动芯片L293D。

L293D 是著名的SGS公司的产品。

为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。

内部包含4通道逻辑驱动电路。

其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；Vs电压最大值也是36V。

表（2）是其使能、输入引脚和输出引脚
表（2）
L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。

通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。

调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。

6)电源供电部分
放案一：采用4节5号蓄电池串联直接提供5伏电压，电路设计简单，小车续航能力强，节
能环保；但4节5号蓄电池成本太高且电压输出不稳定，且受外界影响较大。

方案二：采用6节5号普通电池串联提供9伏电压，再经稳压电路提供5伏稳定电压，虽电路较复杂，但电压输出稳定可靠，并且可以避免受电池容量减少导致输出电压变小；考虑到电池容量问题，实际比赛操作时可使用碱性电池，以提高小车续航能力。

电路实现如图（9）所示：
图(9)
LM2596系列稳压器是单片集成电路，提供作为降压开关稳压器应有的所有功能，可以通过优良的线荷调节与负载调节，驱动3A的负载。

LM2596使用简单，只需极少的外部元件，且包含内置频率补偿和一个固定频率的晶振。

LM2596系列器件工作在150 kHz的转换频率下，从而使得滤波元件的规模比低频稳压器所要求的更小。

在指定的输入电压和输出负载范围内，可保证±4%的输出电压容差，以及±15%的晶振频率容差。

LM2596还集成了外部关断模式，待机电流仅为80 μA（典型）。

LM2596的自我保护特性包括用于输出开关的二阶降频限流，以及在故障发生时，采用过温关断提供充分的保护。

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7)显示部分
方案一：采用LCD显示，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。

方案二：采用LED七段数码管，采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。

故采用LED数码管显示。

8)声音提示
方案一：采用蜂鸣器，在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高，我们出自经费方面考虑，采用方案一。

方案二：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但DS1420录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一。

四．原理分析与计算
1、单片机系统组成
单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分整体调整。

主要是组成是：单片机STC89C52、电机驱动系统芯片L293D、LM2596稳压器、LCD显示模块、LM324N、LM339、蜂鸣器、三个光敏电阻与三对红外发光二极管与金属接近开关等。

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2、黑带检测原理
利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以利用红外发光二极管的发射与接受端判断黑带轨道的位置。

当红外发光二极管检测到黑带时产生低电平输出信号，输出信号进入LM324N进行电压比较，产生标准TTL电平。

稳定性能得到提升。

结合程序控制小车转弯。

3、光源检测原理
利用光敏电阻的感光特性：在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子—空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。

光照愈强，阻值愈低。

再经由三个光敏电阻各自分压而构成两对输出电信号，之后通过LM339产生两个标准TTL电平信号输入单片机，经其处理控制小车往哪个方向行走。

4、寻找铁片方法
编程让小车从起跑线直走1.2米后向右转弯90度，然后再直走寻找铁片。

如果找到就调用趋光程序驶向仓库卸货；否则限制其在黑线内继续寻找。

5、搬运铁片进入仓库方法
小车检测到铁片后，调用中断程序使小车趋光驶向仓库，当检测到仓库黑带后单片机发出指令调整小车位置，然后关闭电磁铁实现卸货。

卸货完成后小车驶出仓库，然后关闭中断程序，继续寻找下一铁片。

五. 系统程序设计
为了提高小车反应灵敏度，我们采用接近开关的输入信号为中端请求信号。

主程序流程图见图（10），各子程序图见图（11）、图（12）、图（13）。

图(10)
寻铁子程序流程图
图（11）
寻光子程序流程图
图（12）
卸货子程序流程图
图（13）
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六．调试及性能分析
整机焊接完毕，首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。

首先写入电机控制小程序，控制其正反转，停机均正常。

加入趋光子程序，小车运转正常，调整灵敏度达最佳效果。

铁片检测依靠接近开关，对检测信号进行处理并实时显示和发出声光信息，无异常状况。

接着对黑带检测模块调试，发现有时小车会跑出黑带，经判断是因为程序编写不合理，根据实际情况重新编写直到达到满意效果。

整机综合调试，上电后对系统进行初始化，接着控制电机使小车向前行驶，发现小车有失控的情况的情况。

经过不断的尝试与实验，发现有可能是主程序与外部中断时执行的程序在某些循环语句中产生重叠，为避免这一情况发生，在各程序控制电机正转、反转的条件判断语句下加上接近开关输入变量的限制，并多次修改直到满意效果。

最后进行场地测试，比赛场地较柔软，不适应此车接触面较小的轮子行驶，发现有打滑的情况发生，经过不断的尝试与实验，发现有可能使重心不平衡问题，多次调整重心后直到能够较为正常行走。

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参考文献：
《微型计算机在机器人技术中的应用》孙耀明编著科学技术文献出版社《单片机原理及应用教程》范立南,谢子殿主编北京大学出版社。