毕业设计（论文）-基于单片的工厂智能运料小车.doc

本科生毕业设计基于单片机的工厂智能运料小车 学 院 电气（机电）工程学院专 业电气工程及其自动化班 级电气一班学 号 学 生 姓 名 联 系 方 式 指 导 教 师职称：讲师 2015年 5 月14 独 创 性 声 明本人郑重声明：所呈交的毕业论文（设计）是本人在指导老师指导下取得的研究成果。除了文中特别加以注释和致谢的地方外，论文（设计）中不包含其他人已经发表的研究成果。与本研究成果相关的所有人所做出的任何贡献均已在论文（设计）中作了明确的说明并表示了谢意。签名：_ _年_月_日授权声明本人完全了解许昌学院有关保留、使用本科生毕业论文（设计）的规定，即：有权保留并向国家有关部门或机构送交毕业论文（设计）的复印件和磁盘，允许毕业论文（设计）被查阅和借阅。本人授权许昌学院可以将毕业论文（设计）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编论文（设计）。本人论文（设计）中有原创性数据需要保密的部分为（如没有，请填写“无”）： 学生签名： 年月日指导教师签名： 年月日基于单片机的智能运料小车摘 要本文主要是为假发工厂的发制品智能运输而特别研制的一款针对性的运料小车，主要运用单片机技术。虽然现在许多现代企业提倡智能化，无人化，但是当前国内很多中小型企业车间依然还是人工的托运，因此，这款运料小车是由开发意义的，它的低成本、易操作、好上手等特点，是非常适合中小型企业的。本文选用的单片机是STC15F104W；红外反射传感器，在白路的黑色引导线的识别，实现信号的采集和模数转换（A/D）；L298N驱动芯片组成双H桥型控制直流电机，软件部分选用C语言程序，本课题的电路结构简单易懂，稳定性好，可靠性高，完成起来比较容易。关键词：智能运行；控制电路；单片机TheIntelligentMaterial Transport TrolleyBased onMCUAbstractThe purpose of this paper is to wig factory hair products intelligent transportation especially developed a for the material transport trolley, the main use of single-chip technology.Although now many promotion of modern enterprise intelligence, unmanned, but the current domestic many small and medium enterprises workshop still artificial checked. Therefore, this material transport trolley is from the meaning of development, its low cost, easy operation, good to get started, characteristics, is very suitable for small and medium enterprises.This paper mainly uses the STC15F104W microcomputer; infrared reflection sensor , black on white road guide line recognition, to achieve signal acquisition and analog to digital converter (A / D); driver L298N chip is composed of dual H bridge DC motor control, software using C language program, the circuit structure is simple and easy to understand, good stability, high reliability, complete easier.Keywords:intelligentoperation;electriccontrol;single-chip microcomputer目 录1 绪 论11.1 智能运料小车概述11.1.1 运料小车发展历程11.1.2 智能运料小车的分类21.1.3 智能运料小车的应用21.2 智能运料小车的关键技术32. 智能运料小车的整体设计规划52.1 整体规划52.1.1 系统基本流程52.1.2 小车的具体构成52.2 确定总体规划63. 硬件设计部分7 3.1 单片机电路73.1.1 单片机的功能特性描述73.1.2 晶振电路73.1.3 复位电路73.2.1 传感器分布83.3 电机驱动电路部分93.3.1 L298N引脚结构93.3.2 电机驱动原理104. 软件规划部分124.1 软件规划流程125. 整体测试135.1 硬件部分135.2 软件部分13结 论14参考文献15附录A 程序代码16附录B 原理图22致 谢261 绪 论随着新世纪科技快速的发展，机器人小车也发生了很大很大的变化，有了很大的进步，智能运料小车就是个具有“眼睛”功能以及“手”功能的小车。1.1 智能运料小车概述智能运料小车是指安装各种传器的装置，能够自行移动而且稳定的小车。实际使用的时候充电方法采用电源充电，用电脑监控小车的移送、转弯儿、暂停和其他动作，在发制品工厂的地面上安装相关的小车轨道用来确定小车的移送路径。无人小车在轨道上移动的时候，会收到轨道的相关传感信号，然后判断自己的运行，就这样，成型的发制品就会自动的运到指定的仓库或者接收处。智能运料小车具有非常高的自动化以及很高智能化，这是它非常特殊的地方。因此在运输发制品的时候，他可以按照发制品生产要求以及效率变化而及时转换运输路线，与传统的输送带相比，传输线是非常低的成本改变行驶路径。智能运料小车通常按有装卸部分，能够和别的物流设备自动对接，这样，发制品的装车、卸载、运输都是在没有人的情况下自己完成的。此外，由于智能运料小车的电池是可以充电的，节约资源，大大的降低了污染环境、浪费资源，非常适合用在像假发制品这样对环境要求较高好的地方。1.1.1 运料小车发展历程当今社会越来越向智能化发展，人们的生活水平越来越好，而且技术水平也发展的十分迅速，人们的要求也随之越来越高。对于有些危险的工作，人们希望有一种工具来代替人工，随之机器人学出现了。从诞生至今，由于这种现实的的需要以及人们的重视，它的发展是非常快速的，也经受了一轮又一轮的不断变革， 随着单片机的出现，智能化进入了高速发展的道路，体力劳动渐渐淡出人力市场，在这场变革中。智能小车孕育而生。它大大提高了工作效率。使生产加快。第一代机器人比较简单，没有传感器，仅仅用一个开关来启动，移动十分不灵活。但是机器人的出现具有非常重大的意义。它的出现使社会进人了智能化时代，开启了人们对智能化的探索。第二代机器人就有了一定的进步，它配备了一个十分简单的传感器，可以感觉到这些位置的移动，速度等物理量，该电路是一个闭环反馈控制系统，能够适应的外部环境变化。当前钻研和探索第三代小车是智能的，配备了多种大量的传感器，用来收集影响小车运行的周围环境因素信息，准确的根据外部环境改变而改变。智能运料小车，可以不在人为管控的情况下单独完成预设工作，根据储备的知识基础系统，信息处理系统，在结构化或半结构化的工作环境中，依照具体情况的改变而改变。另一方面，掌握多传感器信息融合技术，这个使机器人可以更准确，更全面地获取环境信息。1.1.2 智能运料小车的分类从智能小车的出现到现在已经超过五十年，使用的地方也越来越多，出现了各种不同的种类和非常繁多的样式。根据导航种类主要有以下3种：(1)电磁感应式顾名思义，这是一种通过高电流产生电磁场，小车上的传感器检测和接受信号，根据得到的这种信息来决定小车的下一步往哪个方向移动。在实际使用中，非常适合用在发制品的运输。本设计就采用这种类型的小车。另外还有激光式和视觉式。视觉式是安装摄像头，传感器和车载电脑的AGV是一个快速发展和成熟，被称为视觉形象，周围环境在AGV运行路线的车载电脑中的数据里。在AGV的移动过程当中，相机获得的图象和数据库里的相对比，来为后面的运行作出判定。1.1.3 智能运料小车的应用智能运料小车的发展历史和主要应用如下：(1) 仓库业智能运料小车的首次应用到仓库是在一九五四年，美国南卡罗来纳州的水星汽车货运为实现进口货物的自动处理。现在有2100多个厂家20000台大型或小型车AGV应用到他们的仓库在世界。中国的嘉腾机器人在2013年12月19号在联想武汉工厂使用联想AGV机器人载重500千克，行走路线1300米，路途停靠站点60个，完成了5条生产线物料配送。(2)制造业智能小车在传统制造业中更是“出手不凡，亮点闪闪”，以其自身快速、精确、灵活的特点迅速的完成设定任务。和人工搬运比较起来，多辆智能小车构建的运输系统更加快捷灵活，由于运输路线的可变性可，可行性研究显示，新物料解决方案将以至少一半增加完成率。目前，在世界主要的汽车制造商，如本田、劳斯莱斯、法拉利汽车已广泛应用智能小车。(3)邮局、图书馆、港口码头和机场人口非常集中的场所，如邮局，图书馆，港口和机场，有着庞大的物品运输要求，具有不确定性以及动态性强的特点，运输过程通常是人工搬运，单一繁琐。但是该小车可以并行工作，运行起来非常方便，减少了大量的人力体力工作，自动化程度高，具有很强的灵活性和智能性，可以完成上述场地各种大量货物运输。在一些港口，集装箱船被称为“仓库堆场牵引车”多辆辆智能运料小车每天在数百米内完成运货。1.2 智能运料小车的关键技术目前世界上许多科技发达的国家对智能小车都有不同程度、不同方向的研究和探索。自动导航小车的系统相当的复杂，除了具备平常的功能外，还该拥有判断解析，得到相关信息，对自己进行改变等“人”的基本能力。我们人类自己根据自身的各种感觉器官即：耳朵、眼睛、鼻子、手等对信息进行初步的鉴定了解，然后根据所学知识分析、思考、信息融合。仿照人类大脑的这个过程，多传感器信息融合多信息和数据源在未来使用计算机技术，自动分析和综合在一个特定的标准，信息处理的决策和估计为了完成所需的过程。1、如何保证小车在规定的路线上平稳、稳定、安全的移动；2、如何却确保在行驶的时候不会脱离路线以及偏离路线后怎么样返回原来的路线；3、碰到前面有障碍物时如何处理。本设计采用电磁感应式小车，先把小车安放在修整好的轨道上，启动后，小车开始按原先设定的速度移动，在小车拐弯时候，安装在小车前面下方、紧贴地面轨道边缘两边侧的传感器就会有一个接收不到相关信号，然后就会产生不一样的电平信号（高电平），进而它会驱动电动机，使电机的转速发生变化，推动信号变化一侧的车轮加速或者减速，这样就完成了拐弯。由于小车每侧都有2个传感器，当第一个没有收到信号时不会马上认为是拐弯，只有当两个都没有收到信号，小车才开始拐弯。小车偏离路线时候，小车的归位原理和转弯相似。至于小车完全跑出了轨道，那么两个传感器都检测不到信号，小车就会自动停止，然后响起美妙音乐，提示相关技术工人过来调整。当遇到有障碍物时候，我这里设计了一种简单方便，与红外传感器比较几乎没有成本的方法，就是在小车的前面安装上3根类似人手形状的坚硬的金属触须，呈三角形状。这样，触须就会先碰到障碍物，小车被顶在原地不能移动，接着就会发出美妙的音乐，提醒工作人员前来移走障碍物。 该技术在品质和功能上是非常有特点的：（1）延伸的空间范围；（2）提高可靠性；（3）提高检测性能；(4)提高空间分辨率；（5）提高了系统的可靠性（6）低成本的信息。2. 智能运料小车的整体设计规划2.1 整体规划系统设计非常简单而不失初衷，黑色路线的寻找是用传感器，是由二极管和光电晶体管构成的再经STC15F104W控制驱动，来改变直流电机运行，利用这种模式达到小车移动目的。 2.1.1 系统基本流程(1)按照前面的规划流程，拿出比较具体一点的策划案。(2)用Protel DXP画具体电路的原理图。(3)画出流程图，利用C语言进行编程，采用6000波仿真调试。2.1.2 小车的具体构成1、 单片机的电路：核心元件用的是STC15F104W，这种芯片使用经典的MCS-51内核，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相匹配。H桥驱动模块直流电机红外光电循迹传感器模块电源模块单片机电路路径小车图2.1智能运料小车控制系统结构框图 2、 TCRT5000模块：传感器使用的是脉冲反射式的，这种类型的传感器具有红外收发的功能，调制信号带有交流分量，几乎不怎么受外环境的影响。信息的收集模块即是小车的“眼睛”，实现黑线识别并产生不同的电平信号发到STC15F104W芯片。然后微控制器发出命令来控制驱动模块来控制直流电机的运行，实现小车自主前进。3、L298N驱动模块：该芯片具备高电压、输出电流大、驱动功率强的全桥驱动型芯片，单片 L298N可带动一组直流电机是十分容易的事情。L298N的使能端控制方法有很多种，因此，对电路的适应性也是非常强的。 4、直流电机：这里用了两个电机。电机的调速方法有两种：一是调节电压，二是通过PWM（脉冲宽度调制）调整。5、供电部分：使用两组可以充电的5号12V 700mAh镍镉充电电池组。提供可以满足发制品运输小车一天的电量。这样可以在夜间充电，白天工作，不影响工作效率。稳压芯片用的是78L06，滤波用0.1uF和470F电容。2.2 确定总体规划图2.2示意图控制系统对车辆跟踪。小车沿着黑色引导线前进，传感器收到相应信号，单片机对这个信号进行判定，然后驱动电机进行相应的动作，确保快速移动的小车沿着预定的路线。 图2.2智能运料小车系统控制框图主电源使用两组5号的可以充电电池组。STC15F104W芯片是主要控制要素。电机有L298N驱动，电机驱动芯片L298N控制直流电机，无需使用步进电机。L298N是由TTL电平控制，通过改变芯片控制端的输入电平，可应用于电机的正转，反转和停止操作，而且L298N还有操作简单方便、性能良好等特点。3. 硬件设计部分3.1 单片机电路3.1.1 单片机的功能特性描述一个单片机应用系统的硬件电路设计包括两部分内容：一是系统扩展，就是单片机内部的功能单元；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备。单片机即微控制器,集成了一台计算机的功能，而不是部分逻辑。简而言之：1个芯片就是1台计算机。而且占用空间小，简直是物美价廉。STC15F104W单片机是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS16位微控制器。3.1.2 晶振电路 本设计选用的是12MHZ无源晶振、2个22pF电容，使得一个机器周期是1s。晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号，而两个电容则是起到并联谐振的作用。3.1.3 复位电路复位电路的作用是在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。15F系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上，则CPU就可以响应并将系统复位。电容器设计中采用10 F和1.5K与200欧姆电阻。如3.3图所示，通电后，电容充电，RST在一定时间内持续高电平。而在正常工作状态下的微控制器，按下复位按钮，也可以在一段时间内使RST持续高水平，这就完成了电源和开关复位操作。图3.3 单片机复位电路图跟踪传感器的工作原理：终端传感器控制终端，高电平，发光二极管传感器不工作，传感器睡眠，反之，启动传感器。信号端子的输出信号，当黑色，黑色吸收红外线，红外反射弱，光敏三极管不导通，信号输出高电平；当白色，相反，红外反射很强，光敏三极管输出低电平。如图3.4所示的原理图传感器的灵敏度在一定的范围里是可以调节的，可调电阻进行适当的调整，恰当增减就可以改变敏感性。此外，对于位置跟踪传感器还应该注意到，有两种方式，一是两个紧密放置的黑色边缘内，二是放置在相同的线接近边缘的黑边。3.2.1 传感器分布传感器的分布方式有一下几种：一字型布局就是传感器按一直线一字排开。分为等距与非等距两种类型。等距排列式不利于在一个拐弯处的收集准确信息。M型传感器布局，M型，M是最合适的路径规划的角点检测。整体布局有利于提高弯道车速。活动型布局，即矩阵的形状，由于信息采集比较到位，对路的适应性更强。但是这种方式需要非常多的传感器，体重就会增大，甚至会和小车装的发制品重量相当，小车移动就会不方便。根据假发制品工厂的道路拐角比较多，对速度还有一定的要求的条件，我选用了M式的。3.3 电机驱动电路部分3.3.1 L298N引脚结构表3.3 L298N引脚编号与功能引脚编号名称功能1电流传感器A在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流2输出引脚1内置驱动器A的输出端1，接至电机A3输出引脚2内置驱动器A的输出端2，接至电机A4电机电源端电机供电输入端,电压可达46V5输入引脚1内置驱动器A的逻辑控制输入端16使能端A内置驱动器A的使能端7输入引脚2内置驱动器A的逻辑控制输入端28逻辑地逻辑地9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端为5V10输入引脚3内置驱动器B的逻辑控制输入端111使能端B内置驱动器B的使能端12输入引脚4内置驱动器B的逻辑控制输入端213输出引脚3内置驱动器B的输出端1，接至电机B14输出引脚4内置驱动器B的输出端2，接至电机B15电流传感器B在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流图3.4 寻迹传感器电路图3.3.2 电机驱动原理该电路类的形状类似于H ，晶体管组成H桥的2条竖着的直线，H中的“一”线是电机.图3.5 L298N内部H桥驱动电路如图3.5的直流电机控制电路。如图，电机运转，必须使三极管Q1、Q4或Q2、Q3导通。三极管的传导可以控制基于电流的电机转向，通过电机从左到右，也可以通过从右向左。如图3.6所示，如果Q1和Q4通，电流流向：Q1Q4阴极，电机正转。对于三极管Q2和Q3，情况一样，只是电机反转。Q1和Q2是不能一起通路的。如果发生这样的情况，三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到阴极。在这个时候，除了晶体管电路，就相当于只有导线在电路中，这个时候电流非常的大，三极管就会承受全部电流，容易被损坏。所以，在假发制品下车上，驱动程序方便地控制晶体管开关电路的用硬件电路。四个门与和一个“使能”信号连接，所以，这个信号可以控制整个电路的开关。4. 软件规划部分4.1 软件规划流程和机器语言最相近的是汇编语言，这往往是用来准备与硬件有关的程序，它是最快和最有效的语言，汇编语言在空间和时间要求的情况下还是比较好用的。本设计采用C语言来编译程序。软件设计的模块化程序结构的使用，使程序非常明了。如下图4.1图4.1系统主程序流程图5. 整体测试5.1 硬件部分根据运料小车的设计，在电路板上用红色、黑色表笔来测试每一行，如果测得的电阻值很小，这条线没有断，当电阻值非常大，线路要打破，更换线路，使电路板在电气上得到正确地连接。主要测试两方面内容：(1) 晶振电路的测试 (2)复位电路的测试5.2 软件部分在软件调试，使用强大的WAVR6000编写和调试，单片机的ISP软件的使用，对主程序部分的功能先模拟仿真；然后每个模块组织起来进行统调。通过好几遍的测试改修，程序逐步的完善，问题一步步被解决。但是还有几个常见的毛病：(1)启动电源后，小车不移动 。解决方案：用电表检查线路是否通路，然后检查是否又不可用或过期坏掉的器件。(2) 小车移动笨拙，拐弯时有时候会跑偏。(3) 解决方案：适当增加或减少阻值可以变化的敏感性，可以解决寻迹不迅速的问题结 论本研究是智能车辆跟踪系统为主要内容。4个光电传感器同时检测周围的环境，收集信息。有了很多发现和收获：(1)在假发车间里周围环境不改变时候载有假发的小车能够始终沿着黑线行走。(2)多次实验性的测试表明，当4跟踪传感器是M型布置，检测曲线的轨迹是最合适的。整体布局不太影响小车在拐弯时的前进速度。小车可以平稳的不间断的前进。(3)小车还预留了一些未来开发空间。它基本完成了规划的要求，拥有简单的机身设计，生产成本低，普及性高等特点，设计要求其实不繁杂。智能运料小车是实验性质的，糅合了许许多多的知识技术，尽管如此，还有一些有待提高的地方：（1）在不偏离轨道的情况下，尽量的提高速度，以提高效率。（2）小车转弯的灵活性、遇到障碍物前多少时间可以停下来，并呼叫技术人员等。参考文献1 胡松涛编著.自动控制原理基础教程.第3版.北京:科学出版社,2013,32 黄智伟编著. 全国大学生电子设计竞赛系统设计.第2版. 北京航空航天大学出版社, 2011,23 常喜茂,孔英会,付小宁编著. C51基础与应用实例. 北京:电子工业出版社，2009,14 杜树春编著.基于Proteus的电路基础知识快速入门.北京:电子工业出版社,2014,55 杨鹃.多信息融合技术在移动运料小车避障系统中的应用D. 哈尔滨：哈尔滨理工大学.2007.6 恒盛杰资讯编著Protel电路板设计从入门到精通. 第1版. 中国青年出版社.2006:1-1487 江思敏，陈明编著Protel电路设计教程. 第1版. 清华大学出版社，2006:1-2968 陈晓莉，张俊涛KEIL C51单片机仿真器的设计. 第二版. 陕西科技大学出版社，2006:19209 杨素行编著模拟电子技术基础简明教程第2版.高等教育出版社，2005:532-54710 余孟尝编著数字电子技术基础简明教程. 第2版. 高等教育出版社. 1999:1-36111 李全利，迟荣强编著单片机原理及接口技术.第1版.高等教育出版社，2004:14-19112 王守中编著51单片机开发入门与典型实例.第1版. 人民邮电出版社，2007:103-10813 陈杰，黄鸿编著.传感器与检测技术.北京：高等教育出版社，2002,8附录A 程序代码/智能循迹小车的#C程序/#include/*第一部分*/ /以下是电机驱动芯片L298N 管脚位声明 sbit PWM1=P10; /