智能装备控制技术 课件(3-1)任务一 AGV智能小车的装调及检修

模块三装备制造单片机技术应用任务一AGV智能小车的装调及检修知识目标1.了解AGV智能小车的功能及应用场景；2.掌握AGV智能小车光电传感器的使用及检测方法；3.掌握AGV智能小车电机驱动电路及控制方法；4.理解AGV智能小车循迹的工作原理；5.掌握AGV智能小车故障检修方法。

能力目标1.能正确述说AGV小车的功能及应用场景；2.能正确选用合适的光电传感器，按工艺标准安装，规范调试AGV小车电路；3.能按要求规范调试AGV小车电机驱动电路；4.能根据任务要求，完成AGV智能小车循迹功能的简单编程及调试；5.能根据故障检测步骤及方法，排除AGV智能小车出现的各种故障问题。素养目标1.培养认真细致、规范严谨的职业精神；2.培养安全规范操作的职业准则；3.培养学生团结协作的职业素养。

规范标准（国家标准、职业标准、JIS工艺标准等）1.GB/T14479-1993《传感器图用图形符号》2.GB/T7665-2005《传感器通用术语》3.GB/T7666-2005《传感器命名法及代号》4.JB/T6475-1992《光电开关》5.JISC5010-1994《印制电路板通则》6.JISC5012-1993《印制电路板试验方法》7.JISC5013-1996《单面及双面印制电路板》8.JISC5610-1996《集成电路术语》●学习情境

AGV在制造业的应用方面有较大的进展，成为智能工厂、智能车间的重要组成部分。在制造业的生产中用AGV小车代替工人进行装载、搬运、卸载等工作，实现了车间物流的自动化，极大的提高了生产自动化水平。通过AGV小车与产线的完美结合，可自动化完成每个环节的运输、上下料工作，无需工人的参与，且能自动记录搬运货物所存放地点，真正实现无人化管理。图3-1-1各种类型的AGV小车

AGV在国内的应用场景越来越广泛，不仅在制造业，在物流业、柔性生产线、柔性装配线、机械加工、家电生产等领域也发挥重要作用。AGV的应用，势必会在各行业掀起一场巨变，加快传统企业模式的转型升级。一、AGV小车

AGV(AutomatedGuidedVehicle)，通常也称为AGV小车，无人搬运车，自动导航车，激光导航车等。一般指装备有电磁或光学等自动导航装置，能够沿规定的导航路径行驶，具有安全保护以及各种移载功能的运输车。二、AGV小车的种类1.电磁感应引导式AGV

2.激光引导式AGV3.视觉引导式AGV三、AGV小车的应用场景1.仓储业2.制造业3.邮局、图书馆、港口码头和机场4.医药、食品、化工5.危险场所和特种行业AGC智能小车认知图3-1-2AGV应用于仓储业图3-1-3AGV搬运小车图3-1-4AGV在未来智慧仓储的应用●获取信息子任务1AGV智能小车认知学习任务

通过查阅AGV小车的认知材料，了解AGV小车的应用场景、基本知识及关键控制技术。以仿真模拟AGV智能小车为载体，识别AGV小车所涉及的核心芯片、传感器及电机驱动模块，查阅参考资料，规范使用相关的器件及模块。

任务目标1.了解AGV小车的基本知识及应用场景；2.查阅核心器件单片机、传感器及电机驱动模块的参考资料，按照职业标准要求规范使用；3.能正确叙述电机驱动电路的工作原理。表3-1-1本任务知识点列表序号知识点具体内容知识点索引1AGC智能小车概述一、AGV小车二、AGV小车的种类三、AGV小车的应用场景新知识2光电传感器1.光电传感器的符号及原理2.循迹原理新知识3电机驱动电路1.H桥式电路2.L298N驱动电路新知识■思政元素

科技兴则民族兴，科技强则国家强。今天，我们比历史上任何时期都更接近实现中华民族伟大复兴的目标，比历史上任何时期都更有信心、更有能力实现这个目标。实现“中国梦”离不开“科技梦”的助推，面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求，我们比历史上任何时期都更需要加快科技创新，掌握竞争先机。

工厂智能化已成为不可逆的发展趋势，在技术进一步发展的基础上，AGV已成为自动化技术升级重要的核心组成部分。未来AGV的应用场景将进一步扩大，将逐渐深入到制造业的各个领域及环节，以“科技梦”助推“中国梦”的实现。图3-1-5科技兴国

中国梦·科技梦·强国梦

以“科技梦”助推“中国梦”，中国科技创新实现历史性跨越。经过新中国成立以来特别是改革开放以来不懈努力，尤其是近5年，我国科技发展取得举世瞩目的伟大成就，科技整体能力持续提升，一些重要领域方向跻身世界先进行列，某些前沿方向开始进入并行、领跑阶段，正处于从量的积累向质的飞跃、点的突破向系统能力提升的重要时期。知识点活页一

AGV智能小车器件识别及应用◆问题引导1.AGV智能小车的控制芯片是单片机吗？型号是什么？与你之前学习过的51系列单片机有什么不一样的吗？2.观察AGV智能小车，指出所使用的传感器有哪些？循迹传感器安装在哪个位置？试叙述循迹的原理。3.什么是H桥式电路？它是如何实现电机的正转、反转、停机和短路制动状态的控制的？4.AGV智能小车的电机驱动电路是怎样的？试简单叙述其工作原理。图3-1-6基于STC单片机的AGV智能小车◆知识学习

在智能控制体验工作平台，配备有仿真模拟AGV智能小车。该小车由主控芯片STC单片机、红外对射管检测电路、电机驱动电路、红外循迹传感器电路等组成，融合了工业AGV小车的各功能特点，包含：无线通信控制、双向色带循迹、碰撞检测、锂电池供电等功能，如图3-1-6所示。一、传感器传感器名称传感器实物图片传感器符号用途光电传感器

用于AGV小车循迹检测光电开关（光电传感器）也称光遮断器是一种运用光线为控制信号的开关，光电开关即是一种由红外线发射二极管与光敏三极管封装在一起的组件。它有两个悬臂，一个是发光二极管，另一个是光敏三极管。

光电开关内部的光敏三极管和一般三极管不同，其集电极电流是由基极电流上的光线所触发的。接上电源后，发光二极管发出的光线照射到光敏三极管上，此时集电极电流导通，光遮断器开关为通路；当发光二极管和光敏三极管之间的光线被遮断时间，则形成断路。目前市场上出售的光电开关主要有两个类型，一是对射式，二是反射式。实物图如图3-1-7所示。表3-1-2传感器列表1.光电传感器（TCRT5000）（a）对射式

（b）反射式

（c）实物图图3-1-7对射式和反射式光电开关2.AGV小车红外传感器循迹原理

AGV智能小车采用TCRT5000传感器。TCRT5000传感器的工作原理，与一般的红外传感器一样,TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管。当发射管的红外信号经反射被接收管接收后，接收管的电阻就会发生变化，在电路上一般体现为电压的变化。再经过ADC转换或LM324等电路整形后，就能得到处理后的输出信号。

AGV小车红外传感器循迹的基本原理是利用物体的反射性质。当红外线发射到黑线上时会被黑线吸收掉；发射到其他颜色的材料上时，会有反射到红外的接收管上。我们可以根据这点特性完成小车循迹功能。

以下为处理直线、小弯、直角的红外传感器状态分析：图3-1-8红外传感器循迹位置分析二、电机驱动电路

AGV智能小车采用L298N作为电机驱动芯片。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装，含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载。L298N能够根据输入电压的大小不同，控制输出不同的电压和功率，解决负载能力不够的问题。1.H桥式电路

桥式电路是电机控制中一种最基本的驱动电路结构。控制电机正反转的桥式驱动电路有单电源和双电源两种驱动方式，如图3-1-6所示。图中的4个二极管为续流二极管，其主要作用是用以消除电机所产生的反向电动势，避免该反向电动势对晶体三极管的反向击穿。图3-1-9H桥式电路的电路图

单电源方式的桥式驱动电路又称为H桥方式驱动。电机正转时三极管Q1和Q4导通，反转时Q2和Q3导通，两种情况下，加在电机两端的电压极性相反。当4个三极管全部关断时，电机停转。若是Q1与Q3关断，而Q2与Q4同时导通时，电机处于短路制动状态，将在瞬间停止转动。这四种状态所对应的H桥式驱动电路状态如图3-1-10所示。图3-1-10H桥电路的四种状态

从左到右分别表示H桥式驱动电路的开关工作状态的切换，电机分别处于正转、反转、停机和短路制动4个状态。2.L298N驱动电路（1）L298N驱动电路采用标准逻辑电平信号控制，控制引脚为IN1、IN2、IN3、IN4；（2）具有两个使能控制端：ENA、ENB，在不受输入信号影响的情况下，可（高电平）

允许或（低电平）禁止驱动器件工作；（3）有5V逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分工作在低电压下。（4）电机的控制方式如表3-1-3所示。使能端电机M1控制引脚状态L298N引脚ENAIN1IN2

单片机引脚

P10P11

电平控制方式1110M1正转101M1反转PWM控制方式21IN1(PWM)>IN2(PWM)M1正转1IN1(PWM)<IN2(PWM)M1反转

0无效停止表3-1-3电机M1的控制方式注：直流电机M2的控制方法与M1同理。2.L298N驱动电路

1）直流电机速度的调节与控制

直流电机可通过IN1/IN2、IN3/IN4接口输入PWM信号对电机转速进行控制，也可以通过使能端ENA和ENB输入PWM脉宽调制信号对直流电机转速进行调节控制。2）直流电机的正反转控制

信号输入端IN1=1、IN2=0或者IN1(PWM)>IN2(PWM)，电机M1正转；信号输入端IN1=0、IN2=1或者IN1(PWM)<IN2(PWM)，电机M1反转，L298N电机驱动电路图如图3-1-11所示。图3-1-11L298N电机驱动电路3.双H桥电机驱动模块

图3-1-12所示为L298N双H桥电机驱动模块的实物图。双H桥电机驱动模块的相关参数如下：（1）工作模式：H桥驱动（双路）（2）主控芯片：L298N（3）逻辑电压：5V（4）驱动电压：5V-35V（5）逻辑电流：0mA-36mA（6）驱动电流：2A(MAX单桥)（7）存储温度：-20℃到+135℃（8）功率：25W图3-1-12L298N双H桥电机驱动模块实物图●任务实施子任务2AGV智能小车的装调及检测学习任务

AGV小车的种类、引导方式及应用场景很多，本任务主要以仿真模拟AGV智能小车为载体，根据工艺标准要求制作电路，规范调试AGV智能小车的硬件电路，实现模拟AGV小车的循迹及载货功能，体验AGV小车的工作场景。任务目标1.能根据工艺标准要求，安装、调试硬件电路；2.能根据AGV小车的故障现象，按步骤正确排除电路故障；3.在老师的引导下，能简单调用相关子程序，调试AGV智能小车的电机运行、寻迹等功能程序。设备及工具

设备及工具要求，如表3-1-4所示。表3-1-4

设备及工具序号设备及工具数量1万用表1块2稳压电源1台3示波器1台4电烙铁、烙铁架、尖嘴钳、斜口钳等1套5计算机（含编程软件）1台6AGV小车1台7下载线、测试线等1套实训活页一电路的安装与调试一、电路原理图识读图3-1-13AGV小车主控电路原理图1.AGV小车主控电路图

AGV小车的主控电路原理图如图3-1-13所示。电路采用12V的锂电池供电，通过7805稳压电路输出5V电源给单片机，AGV小车核心控制器件采用STC12C5A60S2单片机。图3-1-14循迹模块电路原理图2.循迹电路

AGV小车采用的是八路红外传感器，分别连接在AGV小车STC单片机主控板上的L1、L2、L3、L4、R1、R2、R3、R4口上，对应STC单片机引脚为P00-P07引脚。中间两路红外传感器检测到黑线，小车则会直行，当中间任意一路红外传感器出来，则AGV小车会自动纠正。如果最外面的红外传感器检测到黑线，则AGV小车以更大速度纠正到正确黑线上面，从而完成AGV小车循迹功能。

红外循迹传感器电路中，用到了LM324比较器。通过TCRT5000传感器检测黑线，输出接收到的信号给到LM324，接收电压与比较电压比较之后，输出信号为高低电平。而比较电压的大小值，可以通过可调电阻（R20、R21、R22、R23、R38、R39、R41、R44）去调节。通过调节可调电阻，可提高红外循迹传感器的检测黑线灵敏度。故MCU通过高低电平判断是否检测到黑线。

图3-1-15L298N电机驱动电路原理图3.电机驱动电路

图3-1-15所示为L298N电机驱动电路原理图。M1、M2两个直流电动机接两个接口，ENA、ENB两个使能端接高电平，单片机P1.0\P1.1、P1.2\P1.3分别接IN1\IN2、IN3\IN4引脚。按上述控制方式，控制电机的正反转，从而控制智能小车的前进、后退、左转、右转、停止等状态。在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。二、电路安装与调试图3-1-15电路PCB图1.电路的安装

（1）按照图3-1-15所示电路PCB图，正确安装各元器件。序号元件名称元件参数1STC单片机STC12C5A60S22光电传感器TCRT50003电机驱动L298N4稳压集成电路78055运算放大器LM3246减速电机GA12-N207串口转换芯片CH340表3-1-5核心元件列表二、电路安装与调试图3-1-16电路焊接实物图1.电路的安装（2）按照电路PCB图正确焊接制作电路，如图3-1-16所示。2.电路的调试（1）电路检查无误后，接入12V的锂电池，观察电源指示灯是否工作正常；（2）把AGV小车放置在黑色循迹线，观察循迹传感器的各种状态；（3）把搬运的物品放置在AGV小车上，观察传感器的工作状态；（4）给电机驱动模块的IN1、IN2、IN3、IN4引脚，按电机驱动的工作原理，输入不同的电平信号，观察电机的运动状态。■思政元素

安全操作规程是规定的程序，要求员工在日常工作中遵循以确保安全。忽视操作规程在生产中的重要作用，可能引发各种安全事故，给公司和员工带来经济损失和人身伤害，严重危及生命安全，造成不可挽回的人生遗憾。

因此，在今后的工作、生活及学习中，我们要严格遵守安全操作规程，遵守规则，不断学习，进一步提高安全意识。例如：在电路调试过程中，我们要明确操作步骤，注意安全操作规范，防止出现电源短路或因操作不当导致仪器损坏等现象，树立安全生产、安全操作的意识。三、AGV小车的维护及检修1.AGV小车电路故障检测方法

电子电路故障排查一般可以通过输入到输入顺序检测，也可以从输出到输入的反向方法检测。（1）直接观察（2）万用表检测（3）信号寻迹法（4）对比方法（5）替换法（6）旁路检查法（7）短路检查法（8）断路检查法三、AGV小车的维护及检修2.排除故障（1）循迹故障智能小车的循迹模块电路如图3-1-17所示。U1为光电开关ST188，当遇到“白边”时，U1内部的红外线发射二极管发射的信号被反射到光敏三极管接收后，光敏三极管导通，A点为低电平，经过74HC04非门后输出高电平。当遇到“黑边”时，U1内部的红外线发射二极管发射的红外信号被“黑边”吸收，光敏三极管截止，A点为高电平，经过74HC04非门后输出低电平。①采用“直接观察法”②采用“信号寻迹法”检测电路故障

（2）其他故障AGV小车除了循迹的故障比较常见外，还有工件检测的故障、到达终点不停机、电机不转等故障，需要根据实际的情况，运用故障排除的方法进行排除。图3-1-17智能小车的循迹电路图实训活页二

AGV智能小车程序调试一、子程序的应用把AGV小车放置在黑线上，根据红外传感器检测的状态，分别调用前进、左转、右转、停止、后退等电机动作子程序。1.电机控制子程序以下提供两个轮子的编程调试子程序，四个轮子的程序调试，可参考两个轮子的程序编写。2.AGV小车红外传感器循迹子程序根据AGV小车的4个光电传感器的循迹位置的分析，可得到4个光电传感器的信号规律，如表3-1-6所示。通过4个光电传感器的信号状态，即可按照实际情况控制智能AGV小车的工作。序号状态状态程序调用11001前进go();21011左转left();31101右转rignt();40001左直角前进时stop();51000右直角后退时stop();表3-1-6红外传感器循迹传感器信号状态●能力拓展智能物料运送小车的设计与制作

一、产品用途及功能1.产品用途

本智能物料运送小车在装载物料后，自动出发，根据设定的路线将物料运送到指定的终点，利用舵机模块进行物料的自动卸料，小车能自动的返回出发地进行下一个物料的运送，直到所有的物料运送完成。在运送过程中，小车能实现自动的避障，循迹，卸料及其语音播放的功能，并且在出发地，卸料地，遇到障碍地及其回到出发地的关键位置上设置了语音提示。2.功能描述（1）循迹功能：智能物料小车根据设计的路线将物料运送到指定的终点。（2）装卸物料功能：人工装卸物料，自动从车的右侧卸料。（3）语音播放功能：按动出发按钮，先发出“接受送货任务，5秒后出发”，行驶过程要发出音乐提示声音卸下物料后，发出“卸货完成，返回”语音提示，运送车自动返回出发地点，关闭行驶音乐提示声音，发出“送货完成，请求新任务”语音提示。（4）拓展功能：①在进入D通道E区（出发400mm左右）处遇障碍物时，运送车自动倒后，回到出发点，并发出“通道受阻，请求更改任务”语音请求。遇障碍物移开后，按动出发按钮，自动到达终点。②在进入D通道F区700cmm左右处遇障碍物时，从当前车道左侧绕过障碍物后，回到正常行驶车道（距障碍物不超过50cm），完成物料运送并返回（5）工作平台如下图3-1-18所示：图3-1-18工作平台二、硬件安装及调试1.硬件框图

本产品硬件部分可以分为七大功能模块：循迹检测模块、红外避障模块、电机驱动模块、语音播放模块、物料卸载模块、CPU控制单元模块和电源模块。其系统框图如图3-1-19所示：AT89S51图3-1-19智能物料运送小车的系统框图

2.电路原理图智能物料运送小车核心电路原理如图3-1-20所示。AT89S51图3-1-20智能物料运送小车核心电路原理图

3.智能物料运送小车的PCB图设计与制作

智能物料运送小车的PCB设计图主要包含了单片机STC89C52控制核心单元，语音播放模块电路和相应的I/O连接口，其中循迹、直流减速电机驱动、红外避障、物料卸载等电路均采用相对独立的模块，其PCB制板的设计图如图2-2-18所示。通过多次对试制的智能物料运送小车的调试及修改，最后确定设计方案。

最终设计的智能小车PCB图如图3-1-21所示，发厂制板或在实训室自制PCB板，核心电路PCB板实物如图3-1-22所示。图3-1-21智能小车电路PCB图图3-1-22智能小车PCB板实物图4.智能物料小车的安装与调试

根据智能物料运送小车的整体设计原理图和装配工艺图，选择元器件进行PCB电路板的焊接，各功能模块电路的装配，组装小车，进行整体电路的连接与调试，并将编写好的程序通过ISP下载器下载到单片机主控芯片中，接上电源，利用万用表及其它电子仪器检测相关参数符合要求后，再把小车放到事先铺设好的轨道上作进一步智能循迹、避障、语音播放、物料卸载等功能的调试，并记录小车完成指定任务的时间及其他参数。智能物料运送小车的装配实物图如图3-1-23所示。图3-1-23智能物料运送小车的装配实物图5.软件功能模块设计

软件部分主要包含主程序和相关功能模块的子程序。其中主程序流程如图3-1-24所示，包含：初始化程序、按键扫描程序及通道循迹卸货子程序；定时中断处理程序流程如图3-1-25所示，包含：左右轮转速趋势控制程序、左右轮PWM控制程序；循迹信号检测子程序流程，包含各循迹状态应调用的子程序，具体如图3-1-26所示。通道循迹卸货控制程序流程如图3-1-27所示，主要包含各个通道的卸货状态子程序。图3-1-24主程序流程图图3-1-25中断处理流程图图3-1-26循迹信号检测子程序流程图图3-1-27通道循迹卸货控制程序流程图图3-1-28小车运行调试图（小车在智能循迹运送物料、自动卸载物料）

智能循迹物料运送小车的调试过程如图3-1-28所示，经过调试实现智能运料小车的功能。一、任务总结1.AGV(AutomatedGuidedVehicle)，通常也称为AGV小车，无人搬运车，自动导航车，激光导航车等。2.根据AGV的导航方式，可分为：电磁感应引导式AGV、激光引导式AGV、视觉引导式AGV、铁磁陀螺惯性引导式AGV、光学引导式AGV等多种形式的AGV。3.STC12C5A60S2系列单片机是单时钟/机器