基于單片機的垃圾搬運車的設計

李 野，關 娜

智能機器人是近年來機器人應用工程中一項前沿性的題目，本課題設計的垃圾搬運車是智能行走機器人的一種。垃圾搬運車就是針對上述情況，在參考了目前大多數智能小車的基礎上，以降低成本為原則設計的。小車具備檢測、巡跡、避障等功能。此垃圾搬運車具有性價比高、操作方便、可靠性好、功耗小等優點。

1 設計方案

垃圾搬運車分為十部分，分別是：1）主控制器裝置；2）垃圾點檢測模塊；3）信號檢測模塊；4）障礙檢測模塊；5）車速測量模塊；6）巡跡模塊；7）車輛控制模塊；8）卸載裝置模塊；9）人機接口模塊；10）電源。

1.1 主控板

主控板主要用于對垃圾搬運車的控制，要求主控板小巧輕便，操作簡單，易于寫入和修改程序。選擇51 系列單片機作為主控板，主要原因有以下幾點：1.4k 字節FLASH 閃速存儲器，128 字節內部RAM；2.擁有32 個I/O 口線，2 個16 位定時/計數器，一個5 向量兩級中斷結構，一個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路；3.AT89C51 可以降至0Hz的靜態邏輯操作，并支持兩種可選的節電工作模式。

1.2 垃圾點檢測模塊

垃圾點檢測設備采用紅外線接收裝置。當通過發射紅外線并檢測紅外線有無被反射來確定前方是否存在站臺，檢測到垃圾點，則停車卸載；反之繼續前行。這樣提高了整體系統的智能性。

1.3 垃圾搬運車的電機驅動模塊

選擇L293D 作為垃圾搬運車的電機驅動芯片。實現垃圾搬運車左右輪的轉動主要依靠單片機的I/O 接口，通過改變輸入的控制端電平，由單片機驅動L293D，此時不需要外加隔離電路，就可以實現垃圾搬運車的左右輪的共同轉動。接口p1.5 和p1.6 控制左邊電機，接口p1.0 和p1.4 控制右邊電機。取右邊電機為例，當p1.0 輸入數字電平“1”，p1.4 輸入數字電平“0”時實現電機的正轉；當p1.0 輸入數字電平“0”，p1.4 輸入數字電平“1”時實現電機的反轉；當p1.0 輸入數字電平“0（1）”，p1.4 輸入數字電平“0（1）”時電機停止；然后由單片機共同作用，完成垃圾搬運車的左右輪共同轉動。

1.4 避障檢測模塊

紅外測距速度快，便宜，安全，容易制作。此模塊要求具有一對紅外信號發射與接收的二極管，要求發射管發射特定頻率的紅外信號，接收管能接收這種頻率的紅外信號。在范圍內，當紅外信號遇到障礙物時，紅外信號會被反射，進而被接收管接收，因此可利用紅外信號來識別周圍環境的變化。由于是光檢測距離，其反應速度比超聲波傳感器要快，紅外測距速度快精度高。

1.5 底盤選擇

選擇金屬底盤，金屬地盤質量較塑料地盤厚重，價格較貴。但是穩定性能非常高，更加堅固。

1.6 巡跡模塊

利用集成型紅外對管作為尋跡單元的傳感器，其中紅外線發射管發射紅外線，紅外線二極管進行接收，采用紅外線發射，外面可見光對接收信號的影響較小，再采用射極輸出器對信號進行隔離。

紅外傳感器巡線的基本原理是利用物體的反射性質，目的是讓小車巡黑線行駛，當紅外線照射到黑線上時，此時紅外線會被黑線吸收，反之照射到其他的顏色時，會有光反射到傳感器的接收管。其中中間兩路巡線是一直在黑線上，小車會直行，當任意一個出來，則小車會自動糾正，如果最外面的檢測到黑線，則小車以更大速度糾正到正確黑線上面。紅外巡跡模塊原理如圖1 所示。

1.7 車輛控制模塊

垃圾搬運車采用STC89C52 作為該該車的主控制器。STC89C52 單片機的特點：1）超低功耗；2）具有運算速度快；3）抗干擾能力強；4）支持ISP在線編程；5）片內含8k 空問的可反復擦寫1 000次的只讀存儲器；6）具有256 字節的隨機存取數據存儲器；7）32 個I/O 接口，3 個16 位可編程程序定時計數器；8）兼容性好，軟件設計難度相對較低，價格低。

1.8 垃圾卸載裝置

垃圾搬運車上安裝一根管子并放上鋼球，模擬垃圾，當收到信號時，運用舵機卸下指定的鋼球（垃圾）。該裝置可以隨時調整卸下鋼球的數量、結構簡單，占用空間小。結構示意圖如圖2 所示。

1.9 人機接口

人機接口處采用機械彈性開關，當機械彈性開關閉合或者斷開時，由于其本身的彈性作用，并不會立刻接通或斷開，會伴有一連串的抖動。

圖1 紅外巡跡模塊原理示意圖

圖2 垃圾卸載裝置示意圖

1.10 電源

能源選擇關系到垃圾搬運小車的續航問題、動力問題，對于整個小車的制作至關重要。本設計采用目前應用最為廣泛的電池——鋰電池。優點是鋰電池電壓平臺高，達到3.7V，便于組成電池電源組，消極的一方面是，鋰離子電池很容易燃燒，因此，大多數鋰離子電池都帶有防短路的保護電路，還有防爆線。鋰電池價格便宜，性能較高，鋰電池使用壽命相對較長，使用壽命可達到6 年以上，綠色環保，對環境沒有危害。并且具備高功率承受力。

2 結語

整個系統的設計以單片機為核心，利用了多種傳感器，將軟件和硬件相結合。能夠實現垃圾搬運車的檢測、巡跡、避障等功能。