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1、 基于单片机的电子密码锁设计 The Design of Electronic Handing Car with SCM 李凯机械工程学院王浩鹏电气与控制工程邓富机械工程学院 队长：所属院系： 成员：所属院系： 成员：所属院系：搬运电动小车关键词：单片机，PWM，光电码盘，搬运小车 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。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
2、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. 总体方案及比较论证 2.1根据题目要求，实现小车自动寻找夹取不同位置的两个木棒，并运到相应的位置，在这个过程中要时刻显示所用的时间，并且中途还要避障，本设计分为控制部分和
3、信号检测部分。采用STM32F103ZET6单片机作为本设计控制部分，完成电机驱动、机械臂夹取木棒。采用光电对管模块、光电码盘做为信号检测，完成寻迹避障、OLED显示屏显示等功能。本系统设计的整体结构如图直流稳压电源光电码盘光电对管STM32F103ZET6单片机OLED模块显示时间PWM波直流减速电机两个舵机自动寻迹夹取货物 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、光电对管探测模块、机械手模块（包含两个舵机，一个步进电机）、电源、稳压模块、小车车体。将单片机控制模块，驱动模块固定在小车底部；光电对管探测模块安装在小车左前方；将机械手安装在小车上部的前端；车架结构选择亚克
4、力板。2.2.1 单片机的选择与论证方案一：采用AT89C51系列单片机作为系统控制器。在本设计中，使用的I/O 口资源较多和需要多路的PWM 的输出，对于51单片机来说，实现这些功能都比较困难。方案二：采用STM32F103ZET6单片机作为控制核心。STM32F系列单片机是一款中低端ARM微控制器，其内核是Cortex-M3.而STM32F103ZET6核心板就拥有64K RAM、512KFlash、32 个I/O 口，并集成了AD/DA功能强大的32位微处理器，它还拥有丰富的其他外设，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。而且它内部还有PWM脉宽调制，可以实现电机调速。综上分析，选择方案二
5、更有利本设计。2.2.2 寻迹传感器选择与论证 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，考虑到场地的设置与模块调试的简易程度，因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案二：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。采用RPR220完全可以有效的降低干扰，而且方
6、便可行，能够准确的实施检测。 RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。且当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 综上分析选择方案二，采用RPR220光电对管。2.2.3 电机的选择与论证 方案一：采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所提供的动态转矩值，就能立即使步进电机启动或反转；它的另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 方案二：采用普通直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便、调整范围广；过
7、载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。 由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单。方案三：采用自带编码器的直流减速电机。它有普通直流电机的一切优点，而且又具备普通直流电机不具备的优点，它的负载能力强，转速稳定，自带的磁编码器，能够自动反馈出电机转动圈数的电脉冲信号，而且精度高，抗干扰能力强，但成本相对较高。根据题目要求，需要反馈行走时间和距离，所以选择方案三。2.2.4 电机驱动模块的选择与论证方案一：采用分立元件构成电路来驱动直流电机。由于分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但
8、是这种电路工作性能不够稳定。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。该电路简单，但继电器的体积大、要驱动电路，并且要同时控制两个直流电机，电路太过繁琐，而且控制精度不高。 方案三：采用L298N作为电机驱动芯片。L298N是一种直流电机控制器件，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，该器件具有外围电路简单、稳定性高等特点，L298N 还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。 经过综合考虑，采用方案三。2.2.5 电源的选择与论证方案一：采用一组电
9、源供电（12V充电电池）。这样供电电路比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流较大，行驶过程中电动机电流波动也很大，会造成电压不稳。而且小车在行驶过程中功耗很大，对电池容量要求很高。 方案二：采用两组电源供电，一组电源为3.3V充电电池，只为单片机供电，另一组电机驱动部分及其周边电路供电。这样做可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但线路会相对方案一复杂，成本也会有所提升。 考虑到此设计的要求，电池的容量和系统的稳定性显得更为重要，故我们采用方案二。但对电源部分进行了处理，使得单片机电源稳定下来。2.2.6 显示模块的选择与论证 为了满足显示小车行走的所用的时间和实时显示小车走
10、过的路程的设计要求，我们用到显示模块。 方案一：采用OLED模块作为显示。OLED可以自身发光，所以亮度很高，对比度大，色彩效果好，还可以显示图案，其工作电压较低，所以更加省电。OLED的重量轻，体积小。相对于同类显示产品，显示效果更加出色，且成本更加低，更重要的一点是它所占用的I/O口非常少。 方案二：采用LCD液晶显示。用在该小车设计中显得复杂，所占用的I/O口也非常多。 综上分析，采用方案一。2.2.7 搬运方案的选择与论证 为了满足小车在1分钟内行驶到终点标志线,我们设计了以下两种方案。 方案一：小车从起跑线出发，小车直接向第一个所需搬运的木棒行进，把木棒搬运到指定的存储区。然后折回，
11、去搬运另一个木棒。此方案完成任务所需的时间较长，且对硬件和软件的要求都很高，较难实现。 方案二：小车从起跑线出发，向前行驶，到达第一个木棒的夹取地点停下，并将木棒夹取暂时存放在车的前板，再去夹取第二个木棒，成功夹住后，直接行驶到指定的存放区，直接放下第二个木棒，然后再取下第一个木棒。这种方案简单易行，用时较短。 考虑到实际情况及可行性，我们选择方案二。 3. 系统运行： 3.1 软件设计 采用PWM（Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制）来调节直流减速电机的速度。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
12、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STM32单片机的定时器的时间，从而使对应的I/O可以输出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
13、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。 3.2 系统总流程 避障是否到达取货地点循迹开始系统初始化自动夹取货物、放置 否 是避障是否到达卸货地点是否到达取货地点循迹自动夹取货物循迹卸货结束 否 是 否是 程序流程 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，2个光电传感器电路组合功能见表。左传感器右传感器直行00小左转10小右转01 表. 光敏传感器状态真值表
