基于STC系列單片機控制的物料搬運小車

朱巖松 王偉

摘要：針對物料搬運小車的需求，提出了以控制模塊、驅動模塊、械手臂模塊、傳感器模塊組成物料搬運小車的硬件系統，使用軟件Keil uVision5結合C51語言開發出物料搬運小車的軟件系統。傳感器模塊通過掃描二維碼把要搬運物料的信息反饋給控制模塊，循跡模塊把物料搬運小車的行駛信息反饋給控制模塊，控制模塊發出信號，通過驅動模塊控制物料搬運小車的行駛。

關鍵詞：尋跡;搬運;掃碼;識別

引言

物料搬運小車是一款能識別物料并執行搬運的智能移動機器人。其能夠在規定的場地范圍內自主行走，通過掃描指定位置的二維碼領取其搬運任務，自主尋找、識別在場地范圍內其任務中指定的物料，按照任務中要求的搬運順序將物料搬運到指定的存放區域，并按照大賽委員會要求的位置和方向擺放。場地中出存在尺寸相同顏色不同的三種物料，其顏色分別為紅、綠、藍。根據大賽委員會要求，物料的搬運順序共有6種，如表1所示：

一、硬件系統

智能搬運小車由控制模塊、驅動模塊、機械手臂模塊、傳感器模塊等模塊組成其硬件系統，系統的總體結構如圖1所示：

二、控制核心

物料搬運小車的控制模塊為STC15W4K32S4單片機，該單片機屬于8051系列單片機[1]，其運行速度是普通51單片機的8-12倍[2]。該型號單片機共有48個I/O端口，支持6路獨立PWM輸出以及串口通信接口。6路PWM輸出用于控制行走電機和機械手臂單元的控制。串口通信用于接收傳感器模塊反饋給控制模塊的搬運任務。選擇STC15W4K32S4的原因是該單片機運行速度快、支持AD轉換、支持6路獨立PWM輸出、支持UART通信。單片機通過UART通信控制傳感器模塊獲取搬運任務、該車的驅動速度以及機械手臂的動作由PWM控制、通過A/D轉換可以獲取物料顏色與機械手抓夾緊力的信息。

三、傳感器模塊

傳感器模塊包含二維碼掃描器、壓力傳感器、顏色識別傳感器、紅外循跡傳感器。傳感器模塊擔任識別物料、軌跡修正、獲取任務、獲取機械手爪壓力等任務。以下是各個傳感器模塊的作用：

1.二維碼掃描器是物料搬運小車用于獲取搬運任務信息的裝置。其型號為：GM65。

2.壓力傳感器是安裝于機械手爪上，用來檢測檢測機械手爪是否牢固的抓住待搬運地物料。當機械手爪牢固抓住待搬運的物料后，壓力傳感器發送一個脈沖信號給控制模塊，以便控制模塊執行下一個動作。壓力傳感器的型號為：FSR。

3.顏色識別傳感器是裝在機械手爪上，用來識別待搬運物料的顏色，當其檢測完畢后向控制模塊發送檢測結果的信息。控制模塊將待搬運物料的位置以及顏色存放在一個三維數組中，確保物料搬運小車能正確的搬運相應的物料。顏色傳感器采用的型號是：TCS230。

4.紅外循跡傳感器是用來檢測物料搬運小車的行駛軌跡是否正確。一共使用了4路搭載LM393比較器的紅外循跡傳感器[3]。

驅動模塊

物料搬運小車的驅動模塊采用了L293D芯片，可以同時驅動2路直流電機，其內部結構是雙H型橋式電路[4]，此模塊可以控制電機的正轉、反轉、停車、變速地功能，從而實現物料搬運小車前進、后退、左轉、右轉、剎車功能。該芯片具有寬電壓輸入的功能，支持5V到36V范圍內的直流電源輸入。該模塊支持PWM脈寬調節輸入的功能，用于控制行走電機的速度?。驅動電路圖如圖2所示：

四、機械手臂模塊

物料搬運小車的機械手臂是物料搬運小車的重要組成部分。該模塊的作用是夾取、釋放物料。此部分采用2個舵機以及一個直流電機用于控制機械手臂關節的運動。該機械手臂具有3個自由度，可以實現平面內物料的抓取工作。舵機控制機械手臂在X、Z平面內實現平動，直流電機控制機械手臂繞Z軸的轉動，直流電機易于控制[5]，加上微動開關可以實現直流電機的準確停車。通過MG996R舵機現實X、Z平面內的平動，驅動繞Z軸轉動的直流電機采用TT直流減速電機（減速比為1：120）。機械手臂的支架部分采用亞克力板材制作。

五、軟件總體流程

物料搬運小車的軟件工作流程分為六個步驟，分別為啟動、掃碼、搬運、返回、停車、軌跡調整。軟件設計流程圖如圖3所示：

總結

通過使用C51編寫軟件運行系統，到各個模塊的組裝調試、運行。物料搬運小車各個模塊在運行時非常穩定，在測試中均未出現硬件系統非正常工作的現象。經過長時間測試UART通信系統，字節丟失率僅達0.02%。

參考文獻

[1]何賓.STC單片機原理及應用——從器件、匯編、C到操作系統的分析與[M].北京：清華大學出版社，2015

[2]劉平，劉釗.STC15單片機實戰指南（C語言版）[M].北京：清華大學出版社2016

[3]朱利洋.基于單片機的智能尋跡系統設計[D].杭州： 浙江工業大學，2013.

[4]盧威.智能小車避障系統的設計與實現[D].南昌： 南昌大學，2012

[5]顏增顯，閆秀燕.基于單片機 STC89C52 智能小車設計[J].火力與指揮控制，2011

作者簡介：朱巖松（1997—），男，漢族，安徽蚌埠人，武昌工學院機械工程學院學生，機械工程。王偉（1977—），男，漢族，湖北武漢人，武昌工學院機械工程學院副院長