基于直流電機的智能搬運小車設計與實現

楊日容

（中山職業技術學院，廣東中山，528400）

近年來，隨著工業AGV小車和汽車電子的迅速發展，智能小車得到了廣泛的研究。本文以智慧工廠中常見的搬運小車為研究對象，給出了小車總體結構、硬件設計、軟件設計、系統聯調四個主要設計內容，最終實現了智能搬運小車常見的沿線走、避障、站點設計、到站停、顯示路程等功能。

1 智能搬運小車系統結構

智能搬運小車系統結構如圖1所示。小車以STC89C52單片機為控制器，兩路L298N驅動控制小車運動的四個直流電機，通過3路TCRT5000紅外光電傳感器檢測電路實現小車的尋跡運動，1路紅外傳感器檢測電路實現自動避障，采用LJK-D4N金屬探測器實現金屬探測，使用者可以通過按鍵設計目標站點，同時根據在車輪安裝的檢測電路通過單片機的數據處理，可以在液晶顯示屏上顯示小車所走過的路程。

圖1 系統結構圖

2 智能搬運小車的硬件設計

2.1 單片機最小系統及I/O設計

設計采用國產宏晶公司的貼片式STC89C52RC單片機為控制器，這款單片機具有高速、抗干擾能力強、功耗低的特點，指令代碼完全兼容傳統8051單片機，實際工作頻率可達48MHz，時鐘電路采用12MHz晶振和兩個22pF瓷片電容，設計了上電復位和按鍵復位兩種電路，最小系統電路如圖2所示，單片機板安裝時，注意安裝位置，注意電源供電和下載線使用的方便性。

圖2 最小系統電路圖

根據系統需求，單片機I/O分配如下：P0.0-P0.7：直流電機驅動板的控制端；P1.0-P1.7：液晶顯示器的數據端；

P3.5-P3.7：液晶顯示器的控制端；P2.0-P2.2：三路光電尋跡檢測電路的信號端；P2.3：1路紅外線避障的檢測信號端；P2.5：金屬探測器的檢測信號端；P3.0-P3.3：四個按鍵的控制端；P2.6-P2.7：直流電機驅動電路板中的兩塊驅動芯片L298N的使能端。其中，四個控制按鍵的作用分別是控制直流電機的啟動/停止、加速、減速、站點選擇。

2.2 L298N驅動電路設計

智能搬運小車的4個直流電機驅動采用常見的電機驅動模L298N實現，如圖3所示。L298N輸出最大電壓可達50V，滿足直流電機的驅動要求，可以直接通過單片機的I/O端口提供驅動信號，1塊L298N驅動模塊驅動兩路3～16V的直流電機，工作電流可達2A，系統只需2塊L298N，具有電路結構簡單、易于實現的特點。單片機將有一定規律的控制脈沖從P0口的P0.0-P0.7輸出，經驅動芯片L298N驅動4個直流電機的各相繞組，兩個端口控制一個電機的運動，如果需要對小車進行PWM調速，則通過ENA和ENB端輸出PWM調速脈沖控制電機轉速。VDD和GND端為驅動電源輸入端輸入電壓，可輸入6～12V電壓。

圖3 L298N驅動模塊

2.3 尋線檢測電路及避障電路設計

本設計中要求的小車尋線運動主要是按照黑線的路徑進行，光電尋跡檢測電路采用反射式紅外光電對管TCRT5000檢測信號，TCRT5000傳感器中藍色管為發射紅外線管，黑色管為接受管，其電路原理如圖4所示。系統設計了電源指示燈和檢測指示燈，方便進行系統調試和驗證，當TCRT5000檢測到黑線時，比較器正向輸入端電壓變大，檢測指示燈熄滅，當TCRT5000檢測到反射較強的區域時，比較器正向輸入端電壓變校，檢測指示燈點亮，通過10k歐姆的精密可調電阻可調節檢測靈敏度。設計共采用三路光電尋跡檢測電路，傳感器分別按照在小車車頭左中右三個位置，檢測信號分別由單片機的P2.0、P2.1、P2.2端口輸出。在白色區域內，光電管導通，比較器輸出為低電平；在黑色區域內，光電接收管截止，比較器輸出為高電平。單片機根據檢測到的高低電平可以控制小車前進的方向是左轉還是右轉，使小車行走不偏離黑線。當小車左向偏離黑帶，則應該控制小車右轉；當小車右向偏離黑帶，則應該控制小車左轉。當環境變化時，可以通過微調可調電阻RW讓單片機可靠檢測到黑白線信號。

圖4 尋線檢測電路

小車避障電路采用尋線檢測電路相同的檢測原理，由單片機P2.3端口接收TCRT5000傳感器的檢測信號，避障電路安裝在小車正前方位置，當小車前進過程中有物體遮擋時，P2.3為高電平，單片機控制小車停止運動，直到把障礙物移除，小車繼續前進。

2.4 金屬檢測電路設計

選用型號為LJK-D4N的金屬探測器來對小車實現金屬探測，其電路原理圖如圖5所示。傳感器的金屬探測距離是3-4mm，所以要將金屬探測器安裝在小車前面中間位置，而且讓它與地面相距3-4mm。當智能小車前方有金屬塊時，輸出為低電平。

圖5 金屬檢測電路

3 智能搬運小車的軟件設計

3.1 主程序流程圖

本設計的主設計流程圖如圖6所示，當接通電源時，必須按下啟動按鍵小車才能運動，在行駛過程中，結合查詢方式查詢小車是否偏離黑線，并根據偏離方向執行相應的控制程序；若P2.5端口為低電平，則探測到金屬，執行對應的報警程序；當檢測到障礙物時，會產生中斷，執行對應的避障程序。

圖6 主程序流程圖

3.2 尋線檢測及控制程序設計

在完成小車的機械結構安裝后，首先要讓小車能夠實現前進、后退、左轉彎、右轉彎和停止五種基本運動，分別對應forward（）、back（）、left（）、right（）、stop（）五個功能函數，根據控制邏輯實現8個驅動I/O的不同電平輸出來實現。

小車尋線檢測及控制的過程為：前車底部安裝3個傳感器，沿黑線運動時，只有中間傳感器可以檢測到信號，小車向右偏移時則是左邊傳感器檢測到黑線，單片機接收到信號后將控制小車左轉以保證小車沿黑線前進，小車向左偏移時則是右邊傳感器檢測到黑線，單片機接收到信號后將控制小車轉以保證小車沿黑線前進，程序流程圖如圖7所示。轉向程序可以分為小角度拐彎和大角度拐彎兩個函數模塊，可以通過程序控制四個車輪不同的運動狀態來實現。

圖7 尋線檢測及控制程序流程圖

3.3 智能小車到站停及站點設計

所設計的智能搬運小車可以通過按鍵設置所要前往的目標站點，為節省I/O資源和硬件設計復雜性，系統只設計了一個按鍵，通過不同的按鍵次數識別設置的目標站點數值，單片機通過計數功能累加所經過的站點數，當計數所得的站點數和目標站點數值一致時，表明小車到達目標站點，需要停車進行裝卸貨工作。

3.4 路程計算程序設計

在車輪安裝一個路程檢測電路，小車車輪每轉一圈單片機I/O端檢測到一個低電平信號，控制器內部通過識別電平的變化信號由變量自動累加車輪轉動的圈數，使用軟尺測量輪胎的周長，在單片機內部通過數據處理計算得到小車走過的路程。如果通過單片機的定時器設定一個電平信號采集時間，計算在采集時間內變量的累加值就可以計算出小車的平均運動速度。

4 系統調試

在進行系統聯調前，首先進行了硬件測試。在尋線檢測電路和避障檢測電路調試時，在反射式光電傳感器上面放置白色物體，用萬用表測量LM324的第1引腳是不是為低電平；然后再用黑色的物品放在反射式光電傳感器的感應部分，看萬用表的的電壓是否為高電平；來回移動黑色物品，看萬用表的電壓值是否呈現高低電平的變化。在金屬探測電路調試時，首先給金屬探測傳感器導入+7.2V的電源，并在接電源端和輸出端之間接一個4.7kΩ電阻；再用萬用表測量尚未碰到金屬時輸出端是否為高電平；當碰到金屬時，指示燈是否亮，電路輸出端是否為低電平。當保證硬件電路正常工作的前提下，再對軟件進行調試。說先通過仿真軟件proteus在線下載調試，觀察仿真情況是否和預計的要求一致。在確定無誤后，將程序下載到單片機中，進行系統的聯調，圖8為調試過程。

圖8 小車調試過程

本設計所完成的基于直流電機的智能搬運小車，可以實現尋線、避障、金屬探測、到站停等功能，具有體積小、性價比高等特點，對工業AGV小車、兒童玩具車的開發研制具有一定的借鑒作用。