基于AT89S52单片机的智能搬运小车设计

    彭川桃+杜忠杰

    

    

    

    摘要：在工业生产中，物料搬运费用常常占总生产成本的30%?95%，而智能搬运小车是一种模拟人的搬运动作，按照预定程序，实现物料搬运的机电一体化装置，代替了人的劳作，大大节省了生产成本。文章基于AT89S52单片机对智能搬运小车设计做简要分析，对控制器、电机、传感器等模块进行选择和优化。最后通过多次测试得出，这款智能搬运小车能高效地完成搬运任务，可以在工业自动化中发挥出重要作用。

    关键词：单片机；智能搬运；工业自动化

    各行各业都有搬运过程，随着经济的快速发展，人工搬运不能完全满足市场的需求。而智能搬运小车可安装在不同的场所以完成不同的任务，因此被广泛应用于机床上下料、冲压机自动化生产线、自动装配流水线、码垛搬运、集装箱等的自动搬运。使用智能搬运小车会使得过程质量控制更有效，同时减少了检测环节，在很大程度上控制了企业的人工成本和质量成本。

    1 硬件搭配优化设计

    本智能搬运小车是一个基于单片机的轮式移动小车，利用各种传感器在规定时间内完成智能扫描5个目标物料并准确地将其搬运至指定位置的任务，具体如图1所示，智能小车要能从绿色①出发区出发，到达场地中心后，自动扫描物料的方向并确定物料的距离，到达可夹取的范围后，识别区域并将其快速准确地搬运至指定区域，共需搬运5块区域分别为黄②、白③、红④、黑⑤、蓝⑥的不同的物料，最后回到出发区并停止动作。故本小车系统主要由控制器、直流电机、传感器等模块构成。为更好地实现各模块的交互，经反复论证，最后确定方案如下：控制模块、电机驱动、线巡迹、物距检测、颜色识别分别采用AT89S52单片机、L298N集成芯片、DM-S53401灰度传感器（QTI），HC-HR04超声波模块、DM-S28302B颜色传感器。

    2 系统理论分析

    2.1 控制模块

    控制模块采用AT89S52单片机，其性能如表1所示。

    AT89S52单片机属于Atmd公司推出的AT89系列芯片，有以下特点：可重复擦写1000次以上、低功耗、8位Flash，在系统开发过程中可以十分容易地进行程序的修改，大大缩短了系统开发周期。

    2.2 电机驱动模块

    直流电机非常容易实现调速，此次采用集成芯片L298N构成驱动电路。L298N是一款输入电压可达50V，输出电流可达3A，使用PWM控制技术的大电流电机驱动芯片，是双H桥高电压大功率集成电路，可用来驱动直流电动机和步进电动机等电感性负载。小车的电机驱动电流一般都在1?2A之间，输入电压在9?15V之间，使用单片机控制L298N芯片使之工作在占空比可调的开关状态，可以精确地调节电机转速。系统采用脉宽调速技术，通过改变脉冲宽度t来改变电枢回路的平均电压，从而得到不同大小的电压值，实现直流电机的平滑调速。

    2.3 线巡迹模块

    QTI传感器是一种红外传感器，它利用光电接收管探测其所面对的表面反射光强度。当QTI传感器面对一个暗的表面时，反射光强度低；面对一个亮的表面时，反射光的强度高。反射光强度的不同对应输出不同的电平信号。在本文中所使用到的DM-S53401探测到黑线时输出高电平（5V），探测到白线时输出低电平（0V）。此次使用6個QTI组成巡线组，根据6个QTI反馈的电平信号换算成一个6位二进制数，针对每种数值对电机发出不同指令，从而实现精准的巡线功能。

    2.4 物距检测模块

    要实现物料的精确摆放，智能小车必须要安装一个“看得见”的眼睛，使用HC-HR04超声波模块，可实现2?400cm的非接触式距离检测功能，精度S高达2mm，模块主要有声波发生器和接收器以及控制电路组成，它非常方便与单片机连接，只需要TRIG和ECHO两个10口即可控，给TRIG输入至少10|is的高电平，模块自动发射8个40kHz的方波，自动检测是否有回波。回波通过ECHO返回，ECHO输出高电平，高电平持续时间就是超声波从发射到返回经过的时间。

    在AT89S52中，回波信号己被其内部程序处理转变成一个PWM信号从ECHO端输出，在使用时，只需要读出PWM信号高电平的时间7，通过发射信号到收到回波的时间间隔计算等到距离。如果没有检测到回波，回响信号脚就会输出140|is的电平，以防止发射信号对回响信号的干扰。

    2.5 颜色识别模块

    当小车执行送物料子任务之前，必须先确认被送物料的属性（颜色），才能发出下一步该往哪个方向走的指令。这个模块选用DM-S28302B颜色传感器，它由TCS230感应芯片、白光LED、瞄准镜和连接线等组成，采用RGB三色原理识别颜色。识别颜色之前，需要进行白平衡调整，使得颜色传感器对白色中RGB三原色输出相等。识别颜色时，由TCS230感应芯片对所测颜色的R，G和B参数进行调整。参数调整方法：依次选通3种颜色的滤波器，然后对TCS230的输出脉冲依次进行计数。当计数到255时停止计数，分别计算每个通道所用的时间，这些时间对应于实际测试时TCS230每种滤波器所采用的时间基准，在这段时间内所测得的脉冲数就是所对应的R，G和B的值，根据R，G和B的值判断物料颜色。

    3 程序设计

    程序是智能搬运小车的核心，程序设计分4个子任务：一个是巡线，这个任务贯穿整个搬运过程；第2个任务是测S巨，这关系到取物与送物的精准度；第3个任务是识别颜色，只有获取了物料的颜色属性后才能判断其运送方向；第4个任务，也是最基础的任务，电机驱动，它控制着小车的前进后退逆转顺转及其速度。各个子任务相互贯穿相互交互，如图2所示。为保证小车能够完成智能搬运，先对每个子任务编写一个或多个子程序，简化任务，最后根据系统整体控制方案开发完整的主程序。编好主程序之后进行大量的实验，调试程序并简化程序，最终增进搬运小车的准确性与稳定性，实验及调试过程在此不再赘述。

    4 测试与分析

    小车调试完毕后，进行了10次搬运测试，结果如表2所示。

    测试结果表明，平均得分率高达99%，平均耗时73.5s，低于规定时间的1/2，测试结果优秀。

    5 结语

    为节约在工业生产中的物料搬运费，减少人工的劳作，本文基于AT89S52单片机设计了智能搬运小车，该搬运小车具有体积小、空间占用少、结构简单、扩展性好、易于移植等特点。测试表明其能够应用于工业自动化中的自动化物流系统。

    [参考文献]

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    [2]李传娣，赵常松，李继超.单片机原理、应用及Proteus仿真[M].北京：清华大学出版社，2017.

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