摘要：
关键词：单片机，PWM，光电传感器，运货小车
1.引言
1.1智能搬运小车研究的背景和目的：
运货是各个行业不可或缺的过程，人工运货随着经济的快速发展，不能完全满足市场的需求。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪60年代。当时斯坦福研究院的Nils Nilssen和charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。
智能搬运小车可以安装不同的末端以完成各种不同形状和状态的工件搬运工作，可以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，大大减轻了人类繁重的体力劳动，具有广阔的市场前景。
1.2智能搬运小车的功能介绍：
智能搬运小车希望能够希望得到可以自动抓取货物，循迹行进，自动卸货物的功能。
2.总体方案及论证 2.1系统结构框图：
光传感器直流稳压电源电压比较器89C52单片机PWM波减速直流电机舵机自动循迹夹取货物
图1.系统结构框图 2.2具体设计：
整个系统包括单片机控制模块、电机驱动模块、光电传感器模块、机械手
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模块、模拟电源模块、小车车体。将单片机控制模块，驱动模块固定在小车上端；光电电传感器安装在小车底部；将机械手安装在小车上部的前端；车架结构选择铝板。
2.2.1系统机械部分
采用铝板安装设计图纸自行加工。即根据图纸首先用剪床剪得合适大小的铝板，再用钳工和折床将铝板做成合适的形状，再用钻床钻孔，用车床加工轴，用铣床加工轴套，最后安装即可得到所需的机械部分。
图2.小车底盘
图3.轴承座
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图4.前直角
图5.中心固定架
图6.中心固定架支架
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图7.左右关节
图8. 左右小关节
图9.左右前肢
2.2.2.3机械手模块：
采用3个舵机来实现要求。舵机控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位
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计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。
机械手的夹取通过左右 两个舵机的配合来实现，左边的的舵机向右转一定的角度，右边的舵机向左一定的角度，从而实现夹取货物的目的。
机械手的抬起是通过中间舵机的顺时针转一定的角度来实现的。
2.2.2.4小车车体：
对于车架材料，我们经过比较选择了铝板。铝板车架比塑料车架更牢固，比铁制小车更轻便美观。
2.2.2系统电路部分
单片机最小系统
单片机最小系统由复位电路、时钟振荡电路、数据采集接口和电机控制接口组成，单片机最小系统图如图10所示。
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2.2.2.1电机驱动模块：
驱动模块采用专用芯片L298N 作为电机驱动芯片，L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。以下为L298N的引脚图和输入输出关系表。
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图11.L298N外部引脚 表1. L298N输入输出关系
采用左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。当两轮的间存在速度差时，可以实现转弯。当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现小车的原地旋转。由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
安装时保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳。前万向轮起支撑作用。
2.2.2.2光电传感器模块：
小车的路线检测部分是整个小车最重要的，就如同人的眼睛。故采用光电传感器GP2A25实现要求。黑色和白色路面对光的反射程度不同，白色反射程度强，黑色反射程度弱。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；当红外线遇到黑线时红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。
当光电传感器检测检测到黑线时，将输出一个高电平的信号给单片机。当光电传感器检测检测到白色区域时，将输出一个低电平的信号给单片机。
单片机按照光电传感器反馈回来的信号来确定小车的位置，判断小车是否偏
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移轨道。
光电耦合模块：
2.2.2.5模拟电源模块
图11.光电传感器部分电路图
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图11.电路原理图
2.2.3系统软件部分：
采用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）来调节直流电机的速度。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。
在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。
在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。
本系统中通过控制51单片机的定时器T0，T1的时间，从而可以实现P0.4和P0.5，P1.0,P1.1,P1.2产生PWM信号。定时器每中断一次, 使单片机的指定管脚根据条件输出高电平或低电平。
将直流电机的速度分为N个等级, 因此一个周期就有个N脉冲, 周期为N个脉冲的时间。速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大, 加在电机两端的电压越大, 电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时, 就可以得到不同的电机平均速度, 从而达到调速的目的。精确地讲, 平均速度与占空比并不是严格的线性关系, 在一般的应用中, 可以将其近似地看成线性关系。
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系统总体流程
开始系统初始化循迹是否到达取货否地点是自动夹取货物掉头循迹是否到达卸货否地点是卸下货物掉头程序流程图12.程序流程图
取物函数详细流程
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循迹是否到达取物否处是停止夹取货物抬起机械臂后退掉头循迹是否到达卸货否处是停止放下货物松开货物后退掉头
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取货卸货函数详细流程图
循迹处理软件流程
在白色背景中有一条黑色的线，小车就是要沿着这条黑线行走，通过判断反射式光电传感器所接收到的反射光来判断小车所应行走的方向。以三个反射式光电传感器为例进行说明循线的原理。光电传感器与黑线位置关系示意图如图4-4所示。
光电传感器与黑线位置关系示意图
检测环节中一共有4个这样的光电传感器单元，实现组合式的控制方向的检测。4个光电传感器电路组合功能见表4-1。
表4-1 光敏传感器状态真值表
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小 车 传 感 左X2 器 号 左X1 2号 0 0 0 0 1 右Y1 3号 0 0 1 0 0 右Y2 4号 0 1 1 0 0 状 1号 0 0 0 1 1 态 直行 小右转 大右转 小左转 大左转
开始循迹探测黑线否是否有检测到黑线是判断左边的信号2左边的信号1右边的信号1 小右转右边的信号 2大右转大左转小左转直行循迹流程图循迹流程图
3.数据分析处理： 4.实验效果及理论分析
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