基于STC系列单片机控制的物料搬运小车

朱岩松 王伟

摘要：针对物料搬运小车的需求，提出了以控制模块、驱动模块、械手臂模块、传感器模块组成物料搬运小车的硬件系统，使用软件Keil uVision5结合C51语言开发出物料搬运小车的软件系统。传感器模块通过扫描二维码把要搬运物料的信息反馈给控制模块，循迹模块把物料搬运小车的行驶信息反馈给控制模块，控制模块发出信号，通过驱动模块控制物料搬运小车的行驶。

关键词：寻迹;搬运;扫码;识别

引言

物料搬运小车是一款能识别物料并执行搬运的智能移动機器人。其能够在规定的场地范围内自主行走，通过扫描指定位置的二维码领取其搬运任务，自主寻找、识别在场地范围内其任务中指定的物料，按照任务中要求的搬运顺序将物料搬运到指定的存放区域，并按照大赛委员会要求的位置和方向摆放。场地中出存在尺寸相同颜色不同的三种物料，其颜色分别为红、绿、蓝。根据大赛委员会要求，物料的搬运顺序共有6种，如表1所示：

一、硬件系统

智能搬运小车由控制模块、驱动模块、机械手臂模块、传感器模块等模块组成其硬件系统，系统的总体结构如图1所示：

二、控制核心

物料搬运小车的控制模块为STC15W4K32S4单片机，该单片机属于8051系列单片机[1]，其运行速度是普通51单片机的8-12倍[2]。该型号单片机共有48个I/O端口，支持6路独立PWM输出以及串口通信接口。6路PWM输出用于控制行走电机和机械手臂单元的控制。串口通信用于接收传感器模块反馈给控制模块的搬运任务。选择STC15W4K32S4的原因是该单片机运行速度快、支持AD转换、支持6路独立PWM输出、支持UART通信。单片机通过UART通信控制传感器模块获取搬运任务、该车的驱动速度以及机械手臂的动作由PWM控制、通过A/D转换可以获取物料颜色与机械手抓夹紧力的信息。

三、传感器模块

传感器模块包含二维码扫描器、压力传感器、颜色识别传感器、红外循迹传感器。传感器模块担任识别物料、轨迹修正、获取任务、获取机械手爪压力等任务。以下是各个传感器模块的作用：

1.二维码扫描器是物料搬运小车用于获取搬运任务信息的装置。其型号为：GM65。

2.压力传感器是安装于机械手爪上，用来检测检测机械手爪是否牢固的抓住待搬运地物料。当机械手爪牢固抓住待搬运的物料后，压力传感器发送一个脉冲信号给控制模块，以便控制模块执行下一个动作。压力传感器的型号为：FSR。

3.颜色识别传感器是装在机械手爪上，用来识别待搬运物料的颜色，当其检测完毕后向控制模块发送检测结果的信息。控制模块将待搬运物料的位置以及颜色存放在一个三维数组中，确保物料搬运小车能正确的搬运相应的物料。颜色传感器采用的型号是：TCS230。

4.红外循迹传感器是用来检测物料搬运小车的行驶轨迹是否正确。一共使用了4路搭载LM393比较器的红外循迹传感器[3]。

驱动模块

物料搬运小车的驱动模块采用了L293D芯片，可以同时驱动2路直流电机，其内部结构是双H型桥式电路[4]，此模块可以控制电机的正转、反转、停车、变速地功能，从而实现物料搬运小车前进、后退、左转、右转、刹车功能。该芯片具有宽电压输入的功能，支持5V到36V范围内的直流电源输入。该模块支持PWM脉宽调节输入的功能，用于控制行走电机的速度?。驱动电路图如图2所示：

四、机械手臂模块

物料搬运小车的机械手臂是物料搬运小车的重要组成部分。该模块的作用是夹取、释放物料。此部分采用2个舵机以及一个直流电机用于控制机械手臂关节的运动。该机械手臂具有3个自由度，可以实现平面内物料的抓取工作。舵机控制机械手臂在X、Z平面内实现平动，直流电机控制机械手臂绕Z轴的转动，直流电机易于控制[5]，加上微动开关可以实现直流电机的准确停车。通过MG996R舵机现实X、Z平面内的平动，驱动绕Z轴转动的直流电机采用TT直流减速电机（减速比为1：120）。机械手臂的支架部分采用亚克力板材制作。

五、软件总体流程

物料搬运小车的软件工作流程分为六个步骤，分别为启动、扫码、搬运、返回、停车、轨迹调整。软件设计流程图如图3所示：

总结

通过使用C51编写软件运行系统，到各个模块的组装调试、运行。物料搬运小车各个模块在运行时非常稳定，在测试中均未出现硬件系统非正常工作的现象。经过长时间测试UART通信系统，字节丢失率仅达0.02%。

参考文献

[1]何宾.STC单片机原理及应用——从器件、汇编、C到操作系统的分析与[M].北京：清华大学出版社，2015

[2]刘平，刘钊.STC15单片机实战指南（C语言版）[M].北京：清华大学出版社2016

[3]朱利洋.基于单片机的智能寻迹系统设计[D].杭州： 浙江工业大学，2013.

[4]卢威.智能小车避障系统的设计与实现[D].南昌： 南昌大学，2012

[5]颜增显，闫秀燕.基于单片机 STC89C52 智能小车设计[J].火力与指挥控制，2011

作者简介：朱岩松（1997—），男，汉族，安徽蚌埠人，武昌工学院机械工程学院学生，机械工程。王伟（1977—），男，汉族，湖北武汉人，武昌工学院机械工程学院副院长