智能运输小车控制系统的设计

常州信息职业技术学院学生毕业设计（毕业论文）系别机电工程系专业机电一体化班级机电041学生姓名常俊松学生学号0404023108设计（论文）题目智能运输小车控制系统设计指导教师朱江设计地点常州信息职业技术学院起迄日期20073152007620常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告毕业设计（论文）任务书专业机电一体化班级机电041姓名常俊松一、课题名称智能运输小车控制系统的设计二、主要技术指标1由单片机89C51作为电机的主控制器，实现小车的智能化。2采用直流减速电机驱动，可实现正转、反转和调速控制。3电机的转速35转/分，工作电压6V，电流012A4利用传感器采集轨迹信号和检测轨迹位置。5轨迹是白色背景下的一条2厘米宽的黑线。三、工作内容和要求智能运输小车能够完成从起点到工件，再到起点的工作过程按照固定的轨迹实现工件的转移。由单片机作为系统的主控制器，传感器作为信号的采集工具，将信息反馈给单片机，单片机根据不同的信息作出判断并控制电机。整个过程都是智能化控制，完全淘汰了原来机械控制。四、主要参考文献1、王晓明，电动机的单片机控制北京北京航空航天大学出版社2003；2、黄贤武郑莜霞，传感器原理及应用西安电子科技大学出版社1999；3、张洪润张亚凡，传感器技术与实验北京清华大学出版社会2005；4、王幸之等，AT89系列单片机原理与接口技术北京航空航天大学出版社会性2004学生（签名）常俊松2007年3月16日指导教师（签名）朱江2007年3月16日教研室主任（签名）朱江2007年3月16日系主任（签名）刘进球2007年3月16日智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE2OF2常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告毕业设计（论文）开题报告设计（论文题目）智能运输小车控制系统的设计一、选题的背景和意义智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理。将机械技术和电子技术相结合，将先进的微电子技术、电力电子技术、液压技术、模糊控制技术用到机械的驱动和控制系统，实现物流设备的自动化和智能化将是今后的发展方向。智能运输小车就是其中的一个体现。二、课题研究的主要内容1完成智能运输小车的控制系统,它能实现的功能是从起点出发,沿黑色轨迹移动,由传感器反馈信息,完成对工件的运输。2完成智能小车驱动系统的设计3实现整个电路的合理配置4完成智能小车软件系统的设计三、主要研究（设计）方法论述1上网和到图书馆查找相关资料，综合分析。2对硬件的选取采用了比较论证的方法。3根据对电路原理图的分析，了解电路控制过程和方法。4由电机的工作原理对电机的选用进行演绎论述。5在传感器的论述中我们采用了因果论述法。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE3OF3常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告四、设计（论文）进度安排时间工作内容319328收集、整理相关的资料32945理清思路，确定总方案，并撰写开题报告46814智能运输小车控制系统设计方案的比较、论证与选取415425对小车的测控系统的分析和设计426515设计控制系统硬件电路及作相关的实验验证516524编制小车控制流程图和程序525610整理并撰写论文初稿611616审核，定稿617答辩五、指导教师意见研究的主要内容和研究方法恰当，进度安排合理。同意，请按计划实施。指导教师签名朱江2007年4月5日六、系部意见同意。系主任签名刘进球2007年4月5日智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE4OF4常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告智能运输小车控制系统设计目录摘要6引言7一、简易智能运输小车设计方案的比较、论证与选取11控制方案和系统原理图712信号检测与处理方案的选取8121小车移动引导线信号的检测8122小车金属路标信号的检测813小车执行部件的方案及选取914小车系统电源电路的选取1015小车电机的确定1016传感器的选取11二、简易智能运输小车测控系统的设计21小车的电动机驱动控制模块设计13211直流电机的驱动电路选择13212电机驱动芯片的选型及控制1422信号检测与处理模块的设计16221小车移动位置信号的检测与处理模块的设计16222小车移动引导线信号的检测与处理模块的设计19223金属探测传感系统的设计21三、单片机硬件实现31单片机简介2432整车安装框图2733电机驱动电路图28四、单片机软件设计41行走控制程序流程2842超声测距程序流程3143小车寻迹的程序设计32结论34参考文献34致谢35智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE5OF5常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告智能运输小车控制系统设计常俊松摘要本设计对象为一个简易智能运输小车的控制系统,它能实现的功能是从起点出发,沿黑色轨迹移动,由传感器反馈信息,完成对工件的运输该系统以51系列单片机技术作为核心控制技术，以行为控制作为核心控制策略。控制决策所需的信息主要来源于红外线传感器、金属探测传感器以及超声波等传感器。通过传感器获取引导线、小车的车速、金属标志信息以及工件位置等信息小车根据以上诸信息“了解”它所处的位置，并根据运动策略做出运动决策。实验表明，本文所提供的设计方案正确可行，能够达到设计要求。本设计的主要特色1由传感器反馈信息控制小车的运行,使小车能够准确、稳定的工作2采用以单片机控制脉宽调制（PWM）信号的方式实现了车速调节；3基于行为的智能控制策略；关键词智能传感器单片机ABSTRACTTHISPAPERDESCRIBESANAPPROACHOFDESIGNINGANINTELLIGENTCONTROLSYSTEMFORAFACILITYCARTHEFUNCTIONTHATITCANCARRYOUTISSETOUTFROMTHEPOINTOFDEPARTURE,FOLLOWTHEBLACKTRACKAMBULATIONFROMSPREADINGTHEFEELINGMACHINEFEEDBACKINFORMATION,COMPLETETHECONVEYANCETOWARDTHEWORKPIECEINTHISCONTROLSYSTEM,MCSCHIPSACTASACOREHARDWARESUPPORT,ANDMCSTECHNOLOGYASACORETECHNOLOGYBASEDONTHESIGNALSINFORMATIONPICKEDUPBYINFRAREDSENSORS,METALSENSORS,ANDULTRASONICWAVESENSORS,THEINFORMATIONABOUTCIRCUMSTANCEARE“KNOWNOF”BYCARONKNOWINGOFTHESEPIECESOFINFORMATION,THECARCANINFERABOUTACTIONSITWILLTAKETHISCONTROLSYSTEMISCHARACTERISTICOFITS1FROMSPREADTHEMOVEMENTTHATTHEFEELINGMACHINEFEEDBACKINFORMATIONCONTROLSTHESMALLCAR,MAKESMALLCARCANACCURATEANDSTABLEWORK2CONTROLSYSTEMBASEDONMCSHNOLOGY3ANDINTELLIGENTCONTROLALGORITHMSBASEDONBAHAVIORKEYWORDSMCS/SENSORS/INTELLIGENTCONTROLSYSTEM智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE6OF6常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告引言智能寻迹运输小车是指根据任务及环境信息做出全局路线规划，右在行进中不断感知黑色轨迹和工件位置的信息，并自主地作出决策，从而能够安全行驶并到达目标的智能系统。本设计系统中采用89C51单片机控制，实现其智能控制功能，通过各种传感器检测小车运行状态，及时的向单片机反馈信息，再由程序指令发出信号作用于执行电机。采用传感器技术感知外界环境，它的精度高，线度好，灵敏度高，因此小车的运行准确，平稳。利用红外线传感器对轨迹的检测，并通过超声波传感器控制小车的运行位置。设计的难点就在于控制系统设计，如何实现传感器和电机的控制和安装，以及软件的设计。一、简易智能运输小车设计方案的比较、论证与选取11控制方案和系统原理图1、精确定时法这种方案主导思想是在对电动小车直线、转弯行驶速度以及行程的准确把握基础上利用单片机定时来使电动车顺利通过直道区、弯到区、到达终点取工件,然后运输。缺点供电电压不稳定，易导致小车车速不稳定，则距离不好控制；另外路线固定不变，不能应对意外事件，而且想要准确跑完全程对于小车的起始位置、直线行进参数、转弯半径进行精密测量和计算，智能化差。2、传感器引导法这种方法的核心是单片机通过对传感器信号检测来控制制动电机和电机转向的动作，智能化大大增强，可以用下图形象的表示出来比起前一种方案来说，这种方案应用面更广，也更接近实用化，智能化。重要的是单片机可以通过对感应器信号的检测来控制电机运作，从而大大提高了运行过程中的实时性，准确性、使得电动车能够轻松的完成整个过程。因此，选择第二种方案。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE7OF7常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图一、系统总体结构框图简易智能运输小车控制系统主要包括三个模块小车的行动决策控制模块、信号的检测与处理模块以及小车的执行模块。信号的检测与处理模块主要通过各种传感器从外部环境拾取标志信号；小车的行动决策控制模块信号对传感信号做进一步的处理，它是信号的检测与处理模块与小车执行模块的接口；经过行动决策控制模块后的信号从信号的形式上是符合执行模块要求的信号，从信息的角度提供了足够控制信息给执行模块。12信号检测与处理方案的选取121小车移动引导线信号的检测环境所提供的引导线是白色背景下一条宽度为2厘米的黑线，为了确保小车沿着该引导线行驶，小车必须“识别”黑色引导线和白色背景，可以在小车底部分别安装红外反射式光电传感器以提供反映小车与引导线位置关系的信号。122小车金属路标信号的检测要检测到轨道上面的金属，并在金属路标处减速，小车必须要能“识别”金属。仅提供两种方案参考其一是采用自制金属检测器的方案。原理图如图二所示，基于电涡流式传感器的原理，受到交变磁场作用的导体会产生电涡流，从而改变线圈原来阻抗。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE8OF8常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告其二采用LJ12A34Z/BX型金属检测器的方案。经过实验比较，LJ12A34Z/BX型金属检测器在性能和指标方面都优于自制的金属探测器。分析如下自制的金属探测器是用多匝金属丝绕制而成，制作过程繁琐，而且精度不高。且线圈振荡产生的正弦波形要通过整形，才能成高低电平。相反的LJ12A34Z/BX型金属检测器弥补了以上的不足，精确度高也比较稳定。所以，采用LJ12A34Z/BX型金属检测器完成金属的探测的功能。图二、金属传感器原理图13小车执行部件的方案及选取通用的智能小车大多具有三种结构四轮分别驱动结构，三轮两后驱结构，四轮前轮纠偏单后驱动结构。（如图三）本方案采用三轮两后驱结构，使用万向轮，仅控制两个电机就能达到四轮分别驱动效果,两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，而万向轮可变换行驶方向，使调速灵活，同时可使电动车旋转360度，简单易行。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE9OF9常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图三、智能小车机械结构图在设计小车时还要考虑到小车的运行的平稳性及，小车动作的灵活性，车轮在选用时应用橡胶尼龙轮这样抓地及耐磨性都比其他材质的要好。同时要考虑小车总体的重量，一般寻迹小车采用塑料底盘。这样其中其重量可能会轻一点。机械手的设计不但要保证小车平稳的运行，还要能够轻松自如的取工件。机械手的抓紧和旋转分别用两个电机来控制。如图四所示图四、机械手结构图14小车系统电源电路的选取方案1所有器件使用单一电源（9伏）。这种方案的缺点在于部分器件的工作电压在9伏时不稳定，而且电压过高容易造成器件烧坏。方案2双电源供电。这种方案可有效的解决上一种方案中的问题，但其需要占用大量空间，而小车的空间有限，故放弃此方案。方案3使用9伏电源，用稳压管（7805）分出一个稳定的5伏电压，这样，可有效的解决上述两个方案中提到的问题综上所述，故采用方案三作为本系统的供电电源（图五）。随着微电子技术的不断进步，系统电源的设计在单片机应用系统设计中显得越来越重要，它对单片机系统是否正常工作起着至关重要的作用。由于电动车本身为6节15V电池供电,根据系统要求，选择7805稳压管将直流9V电压转成5V输出。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE10OF10常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图五、7805直流稳压电路图电动机和金属感器部分用原有的9V电压信号，其他电路、传感器都为5V电压供电。（2）单片机最小系统利用单片机最小系统实验电路板完成传感器与电动机的连接和控制。单片机选用89C51，其内部有4K字节的FLASHROM，电路设计简单。具体为89C51的18、19脚接6MHZ，40脚输入信号为5伏，20脚接地，EA脚接高电平。如图六所示图六、单片机最小系统15小车电机的确定由于电动小车均采用干电池供电，而干电池为直流电，故本系统为直流传动系统，为了实现小车的运行，考虑到不同电机的特点，采用永磁直流机，这种直流电动机体积小，结构简单，省电，且小车自带的永磁直流机，性能较好，通过采用高性能的控制方式，可以满足设计要求。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE11OF11常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图七、直流电机的工作原理这是分析直流电机的物理模型图。其中，固定部分有磁铁，这里称作主磁极；固定部分还有电刷。转动部分有环形铁心和绕在环形铁心上的绕组。其中2个小圆圈是为了方便表示该位置上的导体电势或电流的方向而设置的上图表示一台最简单的两极直流电机模型，它的固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。16传感器的选取实现运输小车寻迹接近功能有多种方式1）可使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法，但是不适用在小体积系统使用，并且还涉及图象采集、图象识别等领域。2）电容式接近传感器，基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化。3）超声波传感器，根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。4）红外反射式光电传感器，它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏二极管（或光敏三极管）。根据使用场合的具体情况，传感器要感知的对象是物体的有无和物体的接近程度，与精确的测距系统有相似之处，但又有不同，只要求判断出简单的阈值或提供远、近分档的距离。因此使用较简单的接近传感器实现小车寻迹和避障是有依据可循的并且是可行的。因此，对于小车的寻迹我们采用红外反射式光电传感器（INFRAREDS），智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE12OF12常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告而我们后面所要用到的对工件的接近检测，则考虑选用超声波传感器（后面介绍）。二、简易智能运输小车测控系统的设计21小车的电动机驱动控制模块设计一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。本文即主要介绍这种直流电机的驱动及控制。211直流电机驱动电路的选择直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。它的基本原理图如图八所示。全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。图八、H型全桥式电路在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、S4导通，这两种状态之间转换。在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。这个过程可用图九说明。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE13OF13常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图九、桥臂状态因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现（具体方法参看后文）驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁。开关管的选择对驱动电路的影响很大，开关管的选择宜遵循以下原则1由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大；2开关管的开通和关断时间应尽可能小；3小车使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低。212电机的驱动芯片的选型以及控制L293D双极性H桥型脉宽调整方式电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区；低速平稳性好等L293D通过内部逻辑生成使能信号，使能信号可以用于脉宽调整（PWM），通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速H桥电路的输入量可以用来设置电机转动方向，L293D将2个H桥电路集成到1片芯片上，意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。各种传感器信号经过单片机处理后，经过驱动芯片L293D，驱动小车的两轮电机进行相应的动作。一片驱动芯片L293D可以驱动两个电机，利用PWM控制实现小车的加减速，电路原理图如下智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE14OF14常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图十、电路原理图PWM控制PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比1时，电机转速最大。PWM调速原理直流电机转速表达式是速原、KE是电势常数，KM是转矩常数，RA是电枢电阻，是每极磁通，T是电磁转矩，N是转速。由上式知，直流电机调速可采用电枢控制法，也可采用磁场控制法。但磁场控制法易受饱和的限制，调速范围不大。通常采用电枢控制法。而电枢控制法又分为两种一种是调压调速，一种是脉宽调制PWM。调压调速是在励磁电压不变的情况下，改变控制电压信号，从而控制电机转速。我们最初考虑使用运放的加法电路，通过改变单片机的输出信号来改变加在电机两端的电压，从而改变电机的转速。脉宽调速，是通过调整某一特定频率的脉冲信号的占空比，来调节直流电机通电断电的时间比，达到调节直流电机转速的目的。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE15OF15常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告通过时序模拟输出，最适合小车的调速。在实际制作过程中，我们认为控制信号的频率不需要太高，一般在400HZ以下为宜，占空比16级调节也完全可以满足调速要求，并且在小车行进的过程中，占空比不应该太高，在直线前进和转弯的时候应该区别对待。若车速太快，则在转弯的时候，方向不易控制；而车速太慢，则很浪费时间。这时可以根据具体情况慢慢调节，我们的小车驱动信号的占空比一般在8/16以下。采用这种控制方式可以方便地实现电机的正反转和转速变化。电机驱动电路如图十一所示。其工组原理为当P10端口为高电平、P11端口为低电平时，三极管Q5导通，Q5导通又导致Q3和Q2导通，则电流从电源通过Q2、直流电机和Q3构成回路；当P10端口为低电平、P11端口为高电平时，三极管Q6导通，Q6导通又导致Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机和Q4和Q1导通，则电流从电源通过Q1、直流电机和Q4构成回路，且电流方向和前面相反，即电机转向发生变化。通过控制P10口和P11口电平的高低和高电平导通的时间，就可以控制电机的正、反转和转速。图十一、直流电机PWM驱动电路22信号检测与处理模块的设计221小车移动位置信号的检测与处理模块的设计智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE16OF16常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告超声波传感器可以给CPU提供足够精确的位置信息（在本车上，距离的测试可以精确到1CM），使得CPU可以根据该信息精确计算出到达工件的距离,能够及时停车夹紧工件,并且能运送到指定位置。AT89C51用发射和接收到超声波的时间差判断小车与工件的距离执行特定的指令目前较为常用的是压电式超声波发生器。1、压电式超声波发生器原理压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波发生器内部结构如图十二所示，它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。2、超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340M/S，根据计时器记录的时间T，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即S340T/2图十二、超声波传感器结构这就是所谓的时间差测距法。超声波测距系统的电路设计智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE17OF17常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图十三、超声波测距原理图本系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对超声波自发射至接收往返时间的计时，单片机选用89C51，经济易用，且片内有4K的ROM，便于编程。电路原理图如图十三所示。3、超声波的接收与处理接收头采用与发射头配对的UCM40R，将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器IC1A和IC1B两极放大后加至IC2。IC2是带有锁定环的音频译码集成块LM567，内部的压控振荡器的中心频率F01/11R8C3，电容C4决定其锁定带宽。调节R8在发射的载频上，则LM567输入信号大于25MV，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。前方测距电路的输出端接单片机INT0端口，中断优先级最高，左、右测距电路的输出通过与门IC3A的输出接单片机INT1端口，同时单片机P13和P14接到IC3A的输入端，中断源的识别由程序查询来处理，中断优先级为先右后左。部分源程序后续。在本设计中，为了降低成本，减轻小车的负载，我们选用较小较轻的超声波传感器。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE18OF18常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告型号是KT401601A这是一种带线型的超声波传感器产品特点1）汽车倒车防撞装置和超声波近接开关；2）高灵敏度、高可靠性、高稳定性；3）耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、振动等严酷环境条件；4）一致性好，余振小，在极限温度情况下也能表现出良好的性能；5）外观精致小巧；222小车移动引导线信号的检测与处理模块的设计基本思路在小车前左、中、右分别安装一个红外传感器用于检测路面颜色，传感器检测的信号输送给单片机，通过单片机控制电机的正反转进而实现小车的前进、左转、右转。直线行驶当轨道为直线时，中间传感器检测到信号而两边的传感器没有检测到信号，则发出“有线”信号，通过单片机控制电机继续转动，实现小车向前行驶。左转行驶当轨道出现一个左转弯时，INFRAREDSL检测到信号而中间和INFRAREDSR没有检测到信号，左边传感器发出“有线”信号，通过单片机控制电机正转，实现小车的左转行驶。右转行驶当轨道出现一个右转弯时，INFRAREDSR检测到信号而中间和INFRAREDSR没有检测到信号，右边传感器发出“有线”信号，通过单片机控制电机正转，实现小车的右转行驶。缓慢变向由于使用直流电机所以需要依靠程序PWM进行车轮速度的控制，进而实现缓慢变向的过程。1、红外反射式光电传感器特性与工作原理反射式光电传感器的光源有多种，常用的有红外发光二极管，普通发光二极管，以及激光二极管，前两种光源容易受到外界光源的干扰，而激光二极管发出的光的频率较集中，传感器只接收很窄的频率范围信号，不容易被干扰但价格较贵。理论上光电传感器只要位于被测区域反射表面可受到光源照射同时又能被接收管接收到的范围就能进行检测，然而这是一种理想的结果。因为光的反射受到多种因素的影响，如反射表面的形状、颜色、光洁度，日光、日光灯照射等不确定因素。如果直接用发射和接收管进行测量将因为干扰产生错误信号，采用对反射光强进行测量的方法可以提高系统的可靠性和准确性。红外反射光强法的测量原理是将发射信号经调制后送红外管发射，光敏管接收调制的红外信号，原理如图十四左所示。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE19OF19常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图十四、光电传感器特性与工作原理图十五、红外线检测电路反射光强度的输出信号电压VOUT是反射面与传感器之间距离X的函数，设反射面物质为同种物质时，X与VOUT的响应曲线是非线性的，如图十四右所示。设定输出电压达到某一阈值时作为目标，不同的目标距离阈值电压是不同的。2、运输小车的寻迹采用红外传感器进行行走设计本设计需要检测黑色轨道，我们选用单束光反射式红外传感器ST178接受信号，再分别用运放LM324比较电压信号进行放大。下图的电路在5V电压下工作，根据此型号传感器红外发射管所需的工作压降（红外发射管的正向压降在113V）和工作电流（红外发射管的工作电流为210MA），选取负载电阻R1051K,红外接收管负载电阻R251K。取R3R41K是由R5进行设置。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE20OF20常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告ST178特点1采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。2检测距离可调整范围大，410MM可用。3采用非接触检测方式。极限参数（TA25）项目符号数值单位正向电流IF50MA反向电压VR6V输入耗散功率P75MW集射电压VCEO25V射集电压VECO6V输出集电极功耗PC50MW工作温度TOPR2065储存温度TSTG3075智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE21OF21常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告底示图内部电路示意一般的寻迹三个红外传感器是排成一行设计的,以三角形安装的红外传感器,能较好地识别复杂轨迹行走。小车行走的轨迹一段大约3米长的黑色轨迹，其中有圆弧弯道。我们把黑色轨迹线分解成直线、弯角、终点，那么，只要我们能够辨别它，也就成功了一半，剩下的问题是每一部分怎样走了。算法分析“1”在黑线上“0”不在黑线上,总体分析表IOA2左IOA1中IOA0右运输小车运行状态及处理方法010直线,前进10001左偏离,右转3010直线,前进10100右偏离,左转3怎样才能够辨别出每一部分呢，这与使用的黑线检测传感器的数量有关。使用得少了，就需要频繁的修正机器人的方向，使机器人不要偏离黑色轨迹线；使用得多了，就会使算法复杂了。为此我们使用了3个黑线检测传感器。3个黑线检测传感器排成一个三角形，如图黑线总是夹在左、右黑线检测传感之间。当左、右黑线检测传感器都检测到黑线时，就是小车跑偏黑色轨迹，否则就是正常行走。如何保证黑线总是夹在左、右黑线检测传感器之间呢为了使黑线总是夹在左、右黑线检测传感器之间，需要作如下处理当左黑线检测传感器检测到黑线时智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE22OF22常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告当右黑线检测传感器检测到黑线时图十六、寻迹传感器安装位置示意图223金属探测传感系统的设计本设计中使用的金属探测传感器是基于接近式开关传感器工作原理。外界的金属性物体对传感器的高频振荡器（即是由缠绕在铁氧体磁芯上的线圈构成的LC振荡器）产生非接触式感应作用。当外界的金属性导电物体接近这一磁场，并到达感应区时，在金属物体内产生涡流效应，从而导致LC振荡电路振荡减弱，振幅变小，即称之为阻尼现象。这一振荡的变化，经过施密特触发器整形成高低电平以后,即被开关的后置电路放大处理并转换为一确定的输出信号，触发开关并驱动MCU，从而达到非接触式目标检测之目的。智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE23OF23常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告图十七、在阻尼和非阻尼状态时的磁场图十八、接近式开关金属传感器的工作原理图三、单片机硬件实现31单片机简介MCS51单片机是美国INTE公司于1980年推出的产品，与MCS48单片机相比，它的结构更先进，功能更强，在原来的基础上增加了更多的电路单元和指令,指令数达111条，MCS51单片机可以算是相当成功的产品，一直到现在，MCS51系列或其兼容的单片机仍是应用的主流产品，各高校及专业学校的培训教材仍与MCS51单片机作为代表进行理论基础学习。我们也以这一代表性的机型进行系统的讲解。在本设计中我们采用的是AT89C51。它是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFALSHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE24OF24常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。1主要特性与MCS51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命1000写/擦循环数据保留时间10年全静态工作0HZ24HZ三级程序存储器锁定1288位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路2管脚说明VCC供电电压。GND接地。P0口P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE25OF25常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示P30RXD（串行输入口）P31TXD（串行输出口）P32/INT0（外部中断0）P33/INT1（外部中断1）P34T0（记时器0外部输入）P35T1（记时器1外部输入）P36/WR（外部数据存储器写选通）P37/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000HFFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2来自反向振荡器的输出。3振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。4芯片擦除智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE26OF26常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告整个EPROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10MS来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。32整车安装框图在小车的车体和机械手臂的设计中，我们选用AUTODESK公司的三维机械设计软件INVENTOR11完成相关的机械结构设计，整车装配结构如下所示智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE27OF27常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告33电机驱动电路图智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE28OF28常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE29OF29常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告自制的小车模型如下图、单片机软件设计四41超声测距程序流程智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE30OF30常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告42行走控制程序流程智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE31OF31常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告3小车寻迹的程序设计程序ORG00HMOVP10,00HJMPMAINORG0BHMAINJNBP10，AUTOCARJNBP11STARTJMPMAIN启动程序STARTJBP10，GOJMPMAINGOJNBP10，STARTDJJMPGOSTARTDJJNBP13，NOMIDJMPSTARTDJNOMIDJNBP14，NORIGHTSETBP06CLRP04RIGHTJNBP12，NOLEFT4主JMPSTARTDJNO智能运输小车控制系统设计机电工程系机电041班常俊松PAGE32OF32常州信息职业技术学院毕业设计（论文）报告SETBP04CLRP06JMPSTARTDJNOLEFTJNBP14NORIGHT电机转动子比）ORG0000HOSJMPINTSTARMOVTMOD，01HMOVTL0，0F6HSMOVR7，50HMACALLDELAYJBP30，LOOPJNBP30，CJNER7，101，D1MOVR7，100HD1JP31，D11，R7ER7，07，D2D2INT3MOVR6，00HSETBP06CLRP04JMPSTARTDJ程序（R7是占空SJMPSTARTDJRG000BHTDJSETBEAMOVTH0，0FFHSETBP17ETBTR0OVR6，00HLOOPJBP30INCR7BP31，D2ACALLDELAYJBJNB