多功能小车重点讲义

1、多功能智能搬运循迹小车摘要：本设计以实现电动车搬运铁片的智能化为目的，利用单片机MSP430G2553作为小车的控制核心；采用PWM驱动芯片控制电机动作；车身前后布置了多个红外反射式光电传感器用于对黑色边界线的检测，辅助小车定位，同时利用红外进行避障；此外还安装了舵机摆杆，接近开关检测铁片、红外反射式光电传感器和电磁铁组成的模块实现了对铁片的检测、颜色识别和搬运功能。加之独特的软件算法，实现了对小车行进路线及铁片搬运的精确控制。另外，设计中我们设计了电池低电量报警模块，整个系统功能全面，能完成题目的各项指标。关键词：智能小车、搬运铁片、金属检测、电磁铁目录一、方案论证与选择31.试题分析32.

2、车体的选择33.电机的选择34.摆杆电机的选择35.电机驱动方式的选择36.地面黑线检测和铁片颜色检测模块47. 搬运工具选择48.寻找铁片和避障方案4二、系统具体设计与实现5三、各单元电路的设计51.电机驱动模块52.红外模块63.金属检测模块64.电磁铁模块75.声光报警模块7四、系统软件设计分析7五、系统测试81.测试方法82.测试结果与分析8六、总结分析8七、参考文献8一、 方案论证与选择1.试题分析本题要求利用多种传感器协调配合，设计一辆具有一定适应能力的自动智能搬运小车。小车能在有一定范围内的场地探测到金属并根据金属片的颜色，在规定的时间内，能成功避开障碍物将其搬运到不同的货物储存

3、区。根据题目要求，设计应有电机驱动，控制模块，场地黑边线检测模块，避障模块，金属探测与颜色识别模块，电源模块，电磁铁模块，电源模块，显示模块，声光提示模块及单片机控制模块。由于本设计属于移动性高精度实时控制系统，因此模块必须具有高精度，稳定性强，多种传感器综合控制，智能控制等诸多性能要求。2.车体的选择方案一：用玩具小车，选用其车体的主体结构再加以改造，在玩具商店很容易买到。但其驱动能力较差并且其转弯效果均不理想。方案二：自制简易小车，车体的大小与外型完全由我们决定且驱动电机选择型号可以选择，但在短时间内装配一简易小车很有难度。3.电机的选择方案一：采用直流电机。其中直流电机使用方便，价格便宜

4、，但运动精度较低，难以实现精确的位置控制。如用直流电机调整输液瓶的高度，将难以控制其精确位置，系统稳定性较差，较难达到题目的要求。方案二：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。我们小组最后选用步进电机，自制三轮车，前轮用两个步进电机，后轮用万向轮，转弯灵活。4.摆杆电机的选择方案一：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进

5、驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（及步进角）。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时也可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。方案二：采用舵机。控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。体积紧凑，便于安装； 输出力矩大，稳定性好； 控制简单

6、，便于和数字系统接口。舵机体积小，安装轻便，控制简单，所以我们采用舵机来控制摆杆。 5.电机驱动方式的选择方案一：采用L298N驱动芯片。用L298N驱动该四相的步进电机，其输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出的电压，通过单片机对L298N的IN1IN4口和ENA、ENB口发送脉冲信号来控制电机的转速和方向。方案二：采用L297驱动器加L298N组成的步进电机控制电路,该电路具有以下优点：使用元件少，组件的损耗低，可靠性高体积小，软件开发简单，并且单片机硬件费用大大减少。L297与L298配合使用控制双极步进电机工作电流可达2.5A， L297的特性是只需要时钟、方向和

7、模式输入信号。相位是由内部产生的，因此可减轻单片机和程序设计的负担。方案三：采用东芝细分芯片THB7128。它内部集成了细分、电流调节、CMOS功率放大等电路，配合简单的外围电路即可实现高性能、多细分、大电流的驱动电路。且振动低、噪声小、转动平滑。本系要求电机转动角度小，且平滑，这样可大大提高精度。6.地面黑线检测和铁片颜色检测模块方案一：采用红外对管检测。一般自然光线中红外线频段能量较弱，而且红外线波长较长，近距离衰减小，这样在一定程度上能避免外界光源干扰，可以更为可靠的探测近距离的黑线。方案二：采用光敏电阻检测。光敏电阻对光强敏感，当光强时其电阻较小。黑线和白纸对光的反射能力不同，所以可以

8、利用这一性质，判断黑线的位置。 在车下面，光强较弱，会在一定程度上影响光敏电阻的功能，且还有钨丝灯对光敏电阻的影响，不同的地方光强不一样。另外，光敏电阻对光强有一定的反应时间，实时性不如红外对管，难以达到小车循迹的要求，所以我们选择方案一。7. 搬运工具选择方案一：使用机械手捡取铁片。此方案结构复杂，且难以控制。方案二：使用电磁铁吸取铁片。简便易行。采用方案二。8.寻找铁片和避障方案方案一：因为题目中以给定铁片放置的位置，并且由于我们所选用的电机为步进电机，故我们完全可以通过计算起跑线至放置铁片的直线（铁片线）的距离，以及储存库距铁片线的距离，同时通过记录行驶的里程位置等数据，实现小车的各项功

9、能，此算法较简单，但在初步调试过程中发现由于电机性能、路面平整性等影响，轮胎又太软，所以直线行驶累计误差较大。方案二：由于我们已知铁片的放置位置，小车活动区周围有黑线边界，而且在铁片存储库有光源引导，而且步进电机在较小范围内运动时具有直线前进、设定任意值转弯等优势，故我们可以考虑在小车在出发时沿黑线走，检测到黑线时能根据传感器信号作运动方向调整，至底线时调头180度并行驶小段距离以到达铁片线位置，然后再转向90度检测铁片，入库时依据光敏三极管导向等等一系列措施。此方案算法复杂，但可靠性高，有效地利用了题目提供的各种条件。方案三：我们采用黑色边界来对小车定位，走到底线时，垂直伸出摆杆，在距底线3

10、0cm处进行搜索铁片。在避障上，我们采用红外避障，具体路线如图所示。 图1二、 系统具体设计与实现本设计以MSP430G2553单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍物，使用金属传感器检测金属铁片，利用PWM技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现小车行进、绕障、检测、识别铁片并在光线指引下运送铁片到指定位置的精确控制以及检测数据的存储、显示。我们通过对电路的优化组合，最大限度的利用单片机的全部资源。图2 系统方框图三、 各单元电路的设计1.电机驱动模块该步进电机驱动控制是由L297和L298双芯片组成的混合式步进电机驱动控制电路，L297芯片只需要时钟、方

11、向和模式输入信号，相位由内部产生，因此可减少单片机和软件设计上的困难。其内的PWM斩波器电路可在开关模式下调节步进电机绕组中的电流。而L298芯片则是一种高压、大电流双H桥式驱动器。该驱动电路可使步进电机运行平稳可靠,提高了步进和定位准确度,可较好地控制发热现象。 图22.红外模块寻迹电路采用的是3个ST188光电传感器作为检测器件，电路中所接的红外发射管不断向外发射红外光 ，当检测到黑线时，红外线被吸收，LM339同相端输入高电平，反相端通过调节电位器输入定值电压，此时电压比较器输出高电平，发光二极管处于截止状态，相反检测到白色底板，通过比较器输出低电平，发光二极管暗。具体电路图如图3所示。

12、图2为三个传感器安装图。图3 图43.金属检测模块图5采用电感式接近开关LT5-B17-3E1，电感式接近开关是有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，从而从输出端输出电压信号。输出端信号经过比较器后（门值电压为0.5V），有金属接近时输出低电平，无金属接近时输出高电平。 4.电磁铁模块铁片吸放装置由一个金属传感器、一个电磁铁和一个反射式红外光电传感器组成，放置在车头位置。其布局如附图一所示。金属传感

13、器检测到铁片后将TTL低电平信号送至单片机INT1口，单片机进入中断服务程序，声光报警、液晶屏显示已检测到铁片数目，同时控制光电耦合器导通，电磁铁电源被接通，吸起铁片。此外，电磁铁并接了一个续流二极管，防止通断电磁铁开关瞬间感生电流过大，烧坏电磁铁。5.声光报警模块使用单片机P3.1口控制蜂鸣器和发光二极管实现声光报警。电路如图9所示： 图6四、 系统软件设计分析 图7小车开始从车库走固定步数出库，转90°，走到边线，开始寻迹。当检测到障碍物时，小车转弯，避障。当检测到底线时，舵机转90°，让摆杆与底线垂直，开始寻找铁片。当检测到铁片时，打开电磁铁，收摆臂。当没有检测到铁片

14、，小车在下个转弯标志线处收摆臂，进行下次寻找。直到检测完三个铁片，小车才入库、停车。五、 系统测试1.测试方法 将小车放置于起跑线，按照题目要求让小车开始运动，小车依次搬运铁片并运送至相应存储库（A库存白铁片,B库存黑铁片）。运动完毕后，小车准确停至车库。 此时，记录库中的铁片数目及颜色，并记录小车运动起始时间。2.测试结果与分析表1 测试结果是否成功避障运动时间A库中铁片及数量B库中铁片及数量测试1成功3'20"黑色2块白色1块测试2成功3'22"黑色1块白色2块测试3成功3'23"黑色2块白色1块 通过测试结果的比较与分析，可知整个系统

15、运行时间均小于5分钟，达到要求；检测到的铁片均相应入库，达到要求。注意事项：在放置小车与起跑线时，注意小车与起跑线保持垂直，小车的起始位置对后面小车运行的稳定性有很大影响六、 总结分析1. 这个题目的难点就是在寻找铁片和避障。刚开始在定寻找铁片方案的时候有很多想法。很多方案都是可行的，但是对于自制小车来说，小车走直线和定位的效果不是很好。如果采用将接近开关装在车身，小车去寻找铁片，这属于开环控制，系统很不稳定。最后采用摆杆系统，将接近开关，红外模块，电磁铁装在摆杆上。小车车身沿底线循迹，摆杆寻找铁片，这样的稳定性较好，成功率较高。2. 检测铁片用的接近开关距离太短，而且小车在行驶过程中，接近开关的高度也有起伏。很容易漏检。我们想到漏斗V型，像漏斗一样，将铁片弄到接近开关下面检测并判断颜色，电磁铁工作将铁片吸引起来。这样的成功率很高。3. 在做小车项目的时候，电池的电量对系统很重要。如果在电量不足的情况下调试的参数，换一块电磁，参数完全变了。所以我们想到做一个电池报警器，将电池的