智能搬运车设计论文

1、智能搬运车的设计摘 要本设计以ATMEL公司的AT89S52单片机为控制核心进行控制，采用直流电机驱动小车前进及转向，电机驱动采用电磁继电器和ULN2803芯片，电源采用双电源分别为电机和控制系统供电，提高了系统的稳定性。小车检停和判断金属颜色传感器采用红外对管（红外发光管和红外接收管），光源检测采用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器，增强了减了检测光源的灵敏性。采用电感式金属传感器进行金属探测，并用蜂鸣器进行声音提示。全过程各环节采用LCD液晶显示。关键词：AT89S52单片机，控制，传感器Abstract The design of ATMEL Corporation AT89S52

2、microcontroller for the control of the core control, the use of DC motor-driven car forward and turn motor drive and the use of electromagnetic relays ULN2803 chip, dual power supply for the electrical power supply and control system, improve the system stability. Frederick parked car and judgment m

3、etal color infrared sensors used to control (infrared LED and IR receiver tube), light detection using photosensitive resistance and phototransistor cause photosensitive detector portfolio, enhanced by the detection sensitivity of the light source. ICP metal sensors metal detector and used buzzers v

4、oice suggested. The entire process by using LCD. Keywords : SCM AT89S52, control, sensors一.方案设计与论证根据设计要求，本系统主要由控制器、电源、 直流电机、传感器等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。1.控制器模块设计与论证小车控制单元的选择 ， 此部分是整个小车的大脑，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。通常选用单片机作为小车的核心控制单元。方案一：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集

5、成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻光运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案二：采用ATMEL公司生产的AT89S52型单片机作为我们的控制单元，因为该型单片机价格便宜，功能比较强大，性价比高，而且在市场上很容易买到。，AT89S52是一种低功耗、

6、高性能CMOS 8位单片机，片内含8KB ISP（In-system programmable）的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器、该器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存储技术制造、兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构。片内集成了通用的8位CPU和ISP Flash为存储单元，可为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、高性价比的解决方案。最重要的是AT89S52为C51系列单片机技术成熟，可靠性高，而且容易查找资料，因此我们采用AT89S52单片机。 如上所述，考虑到技术的成熟性，我们采用方案二。2电源模块设计与论证由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下几种方案为系

7、统供电。方案一： 采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但我们的车体设计时留出了足够的空间。重要的是蓄电池的价格比较低又可以反复使用。方案三：采用双电源供电。用两个电源分别给控制系统个电机系统供电，将两个系统完全隔

8、离，将电机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。因此我们选择了此方案。如上所述，考虑到系统的稳定性，我们采用方案三。3.电机模块设计与论证本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。我们综合考虑了以下几种方案。方案一：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，而且步进电机控制相对复杂。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案二：采用直流电机。直流电机转

9、动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。而且具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁快速启动、制动和反转。能够较好的满足系统的要求，而且直流电机控制起来相对容易，因此我们选择了此方案。如上所述，考虑到简单易行，我们采用方案二。4电机驱动模块设计与论证方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电机的分压，实现调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现困难。方案二：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。此电路由四个大功率晶体

10、管组成H桥电路，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，根据调整输入控制脉冲的占空比，达到调整电机的目的。这种电路虽然能精确调整电机转速，但搭建电路却很复杂，而且对电路要求极高，实现难度很大。方案三：采用继电器对电机的开或关进行控制，通过控制继电器通断时间和开关切换速度实现对小车的速度进行控制。继电器控制电机可能存在响应时间慢的问题，但这个电路的优点时电路较为简单，容易实现。如上所述，考虑到容易实现问题，我们采用方案三。5.路面情况检测模块的设计与论证路面检测的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑色材料和白色材料的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光的强弱来判断路面颜色。我们考虑了以下几种

11、方案。方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。当发光二极管发出的可见光照射到黑带时，光线被黑带吸收，光敏二极管为检测到信号，呈高阻抗，使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时，它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到，其阻抗迅速降低，此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大，电路的稳定性很差。方案二：用市面上通用的发射管及接收头（红外发射管和红外接收管）自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出高电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出低电平。这

12、样自己制作组装的寻迹传感器虽然容易受外界光线的影响，但基本能够满足要求，在实际应用中也有比较好的效果，因此我们采用了这个方案。如上所述，考虑到系统的可靠性，我们采用方案二。6光源检测模块的设计与论证此模块为本设计的核心方案，是小车实现各部分功能的关键。方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。采用多路电压比较的方式组成多各检测支路，控制小车的前进方向。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案二：用光敏三极管做为光敏探测器。光敏三极管把光信号转化为相应的电信号经AD转化为数字信号送入单片机处理，单片机根

13、据各路信号大小比较的结果，从而判断各个方向光线的强弱，进而调整车的前进方向。此方案技术成熟，精度高。方案三：用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器。我们把光敏电阻的判断结果和光敏三极管的判断结果综合处理，这样发挥了光敏电阻和光敏三极管的各自优势，对彼此的缺点进行了互补。对光源的判断更加精确、可靠。如上所述，考虑到系统的可靠性，我们采用方案三。7金属探测模块的设计与论证方案一：用霍尔传感器进行金属探测。但该方案受到磁钢的磁力大小以及铁片的大小的影响，易导致误触发，而且探测距离太短，效果不好。方案二：用电感式金属传感器进行金属探测。该传感器灵敏度较，不易受到外界的震动的干扰。此方案稳定、可靠。如

14、上所述，考虑到系统的可靠性，我们采用方案二。8最终方案确定经过反复论证，我们最终确定了如下方案：l 控制模块采用AT89S52单片机进行控制l 电机模块采用直流电机驱动小车及转向l 电机驱动采用电磁继电器和ULN2803芯片l 电源模块采用双电源分别为电机和控制系统供电l 小车检停控制器模块和判断金属颜色模块采用红外对管（红外发光管和红外接收管）作为传感器l 光源检测模块采用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器。l 金属探测模块采用电感式金属传感器进行金属探测。系统的结构框图如图：AT89S52单片机LCD显示电源转向控制前轮电机驱动控制后轮电机检停控制模块判断颜色模块光源检测模块金属探测模

15、块电源蜂鸣器二系统的具体设计与实现1系统的硬件设计（1）微控制器模块电路的设计AT89S52具有如下特点：40个引脚，8k Bytes Flash片内程序存储器，256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，3个16位可编程定时计数器,1个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。    此外，AT89S52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RA

16、M的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。AT89S52单片机的时钟和复位电路如下：（2）电机模块及其驱动模块电路的设计电机控制部分我们采用电磁继电器进行控制，而且前后轮电机各由两个继电器控制，控制电路如下图，当给两个继电器送入“10”信号时，电机做出相应动作，向一个方向转动，当给两个继电器送入“01”信号时，电机则做出向反动作，即向反方向转动，而给两个继电器送入“00”或“11”信号时，电机不做任何反应。用这种方法控制前轮的左右转向，控制后轮的前进与后退操作简单，容易实现。经我们使用发现，此方法实际应

17、用中十分可靠而且方便。电机模块及其驱动电路如下图：（由于后轮驱动电路与前轮电路一样，故省略未画）接单片机（3）检停红外对管及其电压比较电路的设计红外对管判断颜色的原理：小车在白色地板上行走判断黑线，通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。本设计对于发射

18、和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。自制红外探头电路如图所示，红外光的发送接收选用对管。当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。此种方法简单，价

19、格便宜，灵敏度可调，但是容易受到周围环境的影响，特别是在较强的日光灯下，对检测到的信号有一定的影响。但我们把车体前端和上端进行了有效的遮挡后，效果已经完全可以满足要求。检停红外对管和电压比较电路图如下：（实际应用两组，图中只画一组）此处用LM339作为电压比较器。下图为LM339外型及管脚排列图：LM339的原理：接收的红外信号转换为电压信号经LM339进行比较，产生高电平或低电平返回给AT89S52。LM339集成块采用DIP-14型封装，上图为其外型及管脚排列图。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称

20、为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当 “-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，把 LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极。输出信号进入LM339。稳定性能得到提升。当小车低部的某边红外线收发对管遇到黑带时输入电平为低电平，反之为高电平。结

21、合中断查询方式，通过程序控制小车是否前进。（4）判断金属颜色红外对管电路的设计此处红外对管的用法与上面相同。只是A/D转换用的是TLC1543.判断金属颜色的红外对管及其A/D转换电路如下：（5）金属检测模块电路的设计该部分采用金属探测器探测金属，该金属探测器共有三个接口：接地，接电源，另外一个为输出，其探测有效距离为12mm，满足我们的要求。金属探测器的工作原理是：金属探测器头部有一电感线圈，当探头接近到金属时，相当于在线圈内增加一个磁芯，由公式R=jwL可知当频率恒定，电感增加时，感抗发生变化，该变化产生的高低电平感应信号被送入单片机。此功能工作过程是：没有信号时，探头输出的一直是高电平。

22、当探测到金属时，电平由高置低。单片机收到信号后，进行相应的处理并完成检测金属片的功能。金属传感器的电路图如下：（6）光源检测模块电路的设计此处我们采用光敏电阻和光敏三极管做成组合光敏探测器。这样设计是为了更好地检测光源。在车前面安装两个光敏电阻和两个光敏三极管，在车后面安装两个光敏电阻。光敏三极管是利用PN结在施加反向电压时，在光线照射下反向电阻由大变小的原理进行工作的。光敏三极管当无光照射时，反向电流很小，即暗电流很小；当有光线照射时，在光的激发下，光敏三极管内产生大批“光生载流子”，反向电流大增。即光电流大增。光敏电阻时用硫化镉或硒化镉材料制成的特殊电阻器，它对光线非常敏感。无光线照射时呈

23、高阻状态，暗阻值一般可达1.5M欧姆以上；有光照时材料中便激发出自由电子与空穴，使其电阻减小，随着照度的增高，电阻值迅速降低，亮阻值可小至1k欧姆以下。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。此处A/D转换采用TLC1543芯片。光敏三极管和光敏电阻及其A/D转换电路如下：（7）硬件原理仿真图如下：2系统的软件设计智能搬运车的控制器使用ATMEL公司的AT89S52单片机，因为在程序中不需要涉及精确实时操作，所以我们使用C语言进行软件编写，这样可以大大提高编程效率。主程序流程图如下： 检测金属片显示”Start”判断颜色寻光入A库寻光入B库遇黑线停车倒车，显示金属片数目金属片数=3后退，入