彭川桃+杜忠杰

摘要：在工業(yè)生產(chǎn)中，物料搬運(yùn)費(fèi)用常常占總生產(chǎn)成本的30%?95%，而智能搬運(yùn)小車是一種模擬人的搬運(yùn)動(dòng)作，按照預(yù)定程序，實(shí)現(xiàn)物料搬運(yùn)的機(jī)電一體化裝置，代替了人的勞作，大大節(jié)省了生產(chǎn)成本。文章基于AT89S52單片機(jī)對(duì)智能搬運(yùn)小車設(shè)計(jì)做簡(jiǎn)要分析，對(duì)控制器、電機(jī)、傳感器等模塊進(jìn)行選擇和優(yōu)化。最后通過多次測(cè)試得出，這款智能搬運(yùn)小車能高效地完成搬運(yùn)任務(wù)，可以在工業(yè)自動(dòng)化中發(fā)揮出重要作用。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；智能搬運(yùn)；工業(yè)自動(dòng)化

各行各業(yè)都有搬運(yùn)過程，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人工搬運(yùn)不能完全滿足市場(chǎng)的需求。而智能搬運(yùn)小車可安裝在不同的場(chǎng)所以完成不同的任務(wù)，因此被廣泛應(yīng)用于機(jī)床上下料、沖壓機(jī)自動(dòng)化生產(chǎn)線、自動(dòng)裝配流水線、碼垛搬運(yùn)、集裝箱等的自動(dòng)搬運(yùn)。使用智能搬運(yùn)小車會(huì)使得過程質(zhì)量控制更有效，同時(shí)減少了檢測(cè)環(huán)節(jié)，在很大程度上控制了企業(yè)的人工成本和質(zhì)量成本。

1 硬件搭配優(yōu)化設(shè)計(jì)

本智能搬運(yùn)小車是一個(gè)基于單片機(jī)的輪式移動(dòng)小車，利用各種傳感器在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成智能掃描5個(gè)目標(biāo)物料并準(zhǔn)確地將其搬運(yùn)至指定位置的任務(wù)，具體如圖1所示，智能小車要能從綠色①出發(fā)區(qū)出發(fā)，到達(dá)場(chǎng)地中心后，自動(dòng)掃描物料的方向并確定物料的距離，到達(dá)可夾取的范圍后，識(shí)別區(qū)域并將其快速準(zhǔn)確地搬運(yùn)至指定區(qū)域，共需搬運(yùn)5塊區(qū)域分別為黃②、白③、紅④、黑⑤、藍(lán)⑥的不同的物料，最后回到出發(fā)區(qū)并停止動(dòng)作。故本小車系統(tǒng)主要由控制器、直流電機(jī)、傳感器等模塊構(gòu)成。為更好地實(shí)現(xiàn)各模塊的交互，經(jīng)反復(fù)論證，最后確定方案如下：控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、線巡跡、物距檢測(cè)、顏色識(shí)別分別采用AT89S52單片機(jī)、L298N集成芯片、DM-S53401灰度傳感器（QTI），HC-HR04超聲波模塊、DM-S28302B顏色傳感器。

2 系統(tǒng)理論分析

2.1 控制模塊

控制模塊采用AT89S52單片機(jī)，其性能如表1所示。

AT89S52單片機(jī)屬于Atmd公司推出的AT89系列芯片，有以下特點(diǎn)：可重復(fù)擦寫1000次以上、低功耗、8位Flash，在系統(tǒng)開發(fā)過程中可以十分容易地進(jìn)行程序的修改，大大縮短了系統(tǒng)開發(fā)周期。

2.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

直流電機(jī)非常容易實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此次采用集成芯片L298N構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。L298N是一款輸入電壓可達(dá)50V，輸出電流可達(dá)3A，使用PWM控制技術(shù)的大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，是雙H橋高電壓大功率集成電路，可用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等電感性負(fù)載。小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電流一般都在1?2A之間，輸入電壓在9?15V之間，使用單片機(jī)控制L298N芯片使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可以精確地調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。系統(tǒng)采用脈寬調(diào)速技術(shù)，通過改變脈沖寬度t來改變電樞回路的平均電壓，從而得到不同大小的電壓值，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的平滑調(diào)速。

2.3 線巡跡模塊

QTI傳感器是一種紅外傳感器，它利用光電接收管探測(cè)其所面對(duì)的表面反射光強(qiáng)度。當(dāng)QTI傳感器面對(duì)一個(gè)暗的表面時(shí)，反射光強(qiáng)度低；面對(duì)一個(gè)亮的表面時(shí)，反射光的強(qiáng)度高。反射光強(qiáng)度的不同對(duì)應(yīng)輸出不同的電平信號(hào)。在本文中所使用到的DM-S53401探測(cè)到黑線時(shí)輸出高電平（5V），探測(cè)到白線時(shí)輸出低電平（0V）。此次使用6個(gè)QTI組成巡線組，根據(jù)6個(gè)QTI反饋的電平信號(hào)換算成一個(gè)6位二進(jìn)制數(shù)，針對(duì)每種數(shù)值對(duì)電機(jī)發(fā)出不同指令，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的巡線功能。

2.4 物距檢測(cè)模塊

要實(shí)現(xiàn)物料的精確擺放，智能小車必須要安裝一個(gè)“看得見”的眼睛，使用HC-HR04超聲波模塊，可實(shí)現(xiàn)2?400cm的非接觸式距離檢測(cè)功能，精度S高達(dá)2mm，模塊主要有聲波發(fā)生器和接收器以及控制電路組成，它非常方便與單片機(jī)連接，只需要TRIG和ECHO兩個(gè)10口即可控，給TRIG輸入至少10|is的高電平，模塊自動(dòng)發(fā)射8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有回波?；夭ㄍㄟ^ECHO返回，ECHO輸出高電平，高電平持續(xù)時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回經(jīng)過的時(shí)間。

在AT89S52中，回波信號(hào)己被其內(nèi)部程序處理轉(zhuǎn)變成一個(gè)PWM信號(hào)從ECHO端輸出，在使用時(shí)，只需要讀出PWM信號(hào)高電平的時(shí)間7，通過發(fā)射信號(hào)到收到回波的時(shí)間間隔計(jì)算等到距離。如果沒有檢測(cè)到回波，回響信號(hào)腳就會(huì)輸出140|is的電平，以防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的干擾。

2.5 顏色識(shí)別模塊

當(dāng)小車執(zhí)行送物料子任務(wù)之前，必須先確認(rèn)被送物料的屬性（顏色），才能發(fā)出下一步該往哪個(gè)方向走的指令。這個(gè)模塊選用DM-S28302B顏色傳感器，它由TCS230感應(yīng)芯片、白光LED、瞄準(zhǔn)鏡和連接線等組成，采用RGB三色原理識(shí)別顏色。識(shí)別顏色之前，需要進(jìn)行白平衡調(diào)整，使得顏色傳感器對(duì)白色中RGB三原色輸出相等。識(shí)別顏色時(shí)，由TCS230感應(yīng)芯片對(duì)所測(cè)顏色的R，G和B參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。參數(shù)調(diào)整方法：依次選通3種顏色的濾波器，然后對(duì)TCS230的輸出脈沖依次進(jìn)行計(jì)數(shù)。當(dāng)計(jì)數(shù)到255時(shí)停止計(jì)數(shù)，分別計(jì)算每個(gè)通道所用的時(shí)間，這些時(shí)間對(duì)應(yīng)于實(shí)際測(cè)試時(shí)TCS230每種濾波器所采用的時(shí)間基準(zhǔn)，在這段時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的脈沖數(shù)就是所對(duì)應(yīng)的R，G和B的值，根據(jù)R，G和B的值判斷物料顏色。

3 程序設(shè)計(jì)

程序是智能搬運(yùn)小車的核心，程序設(shè)計(jì)分4個(gè)子任務(wù)：一個(gè)是巡線，這個(gè)任務(wù)貫穿整個(gè)搬運(yùn)過程；第2個(gè)任務(wù)是測(cè)S巨，這關(guān)系到取物與送物的精準(zhǔn)度；第3個(gè)任務(wù)是識(shí)別顏色，只有獲取了物料的顏色屬性后才能判斷其運(yùn)送方向；第4個(gè)任務(wù)，也是最基礎(chǔ)的任務(wù)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，它控制著小車的前進(jìn)后退逆轉(zhuǎn)順轉(zhuǎn)及其速度。各個(gè)子任務(wù)相互貫穿相互交互，如圖2所示。為保證小車能夠完成智能搬運(yùn)，先對(duì)每個(gè)子任務(wù)編寫一個(gè)或多個(gè)子程序，簡(jiǎn)化任務(wù)，最后根據(jù)系統(tǒng)整體控制方案開發(fā)完整的主程序。編好主程序之后進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)，調(diào)試程序并簡(jiǎn)化程序，最終增進(jìn)搬運(yùn)小車的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)及調(diào)試過程在此不再贅述。

4 測(cè)試與分析

小車調(diào)試完畢后，進(jìn)行了10次搬運(yùn)測(cè)試，結(jié)果如表2所示。

測(cè)試結(jié)果表明，平均得分率高達(dá)99%，平均耗時(shí)73.5s，低于規(guī)定時(shí)間的1/2，測(cè)試結(jié)果優(yōu)秀。

5 結(jié)語(yǔ)

為節(jié)約在工業(yè)生產(chǎn)中的物料搬運(yùn)費(fèi)，減少人工的勞作，本文基于AT89S52單片機(jī)設(shè)計(jì)了智能搬運(yùn)小車，該搬運(yùn)小車具有體積小、空間占用少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、擴(kuò)展性好、易于移植等特點(diǎn)。測(cè)試表明其能夠應(yīng)用于工業(yè)自動(dòng)化中的自動(dòng)化物流系統(tǒng)。

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