基于单片机的搬运机器人系统的设计与制作Word格式文档下载.doc

1、提交的设计资料1主要电路和元器件的分析论证；2PROTEL电路原理图；3程序流程图；4制作出红外报警系统。电路基础教研室2013年12月1日2011级毕业设计（论文）分任务书（软件部分）2013年12月14日 至 2014年1月8日PROTEL99、KEIL1主要程序流程图；3系统调试数据；进 度 计 划阶段日期计划完成工作量指导教师检查意见备注12月2日12月8（1周）查阅资料，设计程序流程图12月9日12月15程序编写与调试12月16日12月22系统联调12月23日12月31整理论文，准备答辩电路基础 教研室摘 要本论文利用单片机设计了自动搬运小车系统，实现了小车自动搬运货物功能。系统由单

2、片机主控模块、电机驱动模块、电子罗盘模块、无线串口通讯模块、码盘测速模块五部分电路组成。利用单片机接收电子罗盘采集的数据，实现小车对方向的采集。上位机通过无线串口向小车发送指令，控制小车的工作。同时，小车通过码盘对行驶距离进行测量，并将行驶坐标返回。此系统具有自动化程度高、控制简单、适应性强等特点。关键词：电子罗盘；PWM脉宽调制；码盘测速；串口通信 目 录前 言1第1章 总体设计21.1 总体框图21.2 软、硬件功能划分2第2章 系统原理图与引脚分配32.1 总体电路图32.2 单片机引脚分配4第3章 系统软件设计53.1 流程图53.1.1 主程序流程图53.1.2 INT0外部中断服务

3、子程序流程图53.1.3 定时器1中断服务子程序流程图63.1.4 串口1中断服务子程序流程图63.2 部分源程序7第4章 系统调试84.1 Keil C51系统调试界面和程序调试84.1.1 HMC5983电子罗盘模块的校准84.2 模块的单独调试及联调104.2.1 串口通信104.2.2 电子罗盘采集数据并显示114.2.3 电机驱动模块PWM输出124.3 自动搬运小车与上位机的联合调试134.3.1 VB上位机部分134.3.2 自动搬运小车整体调试及上位机监控13第5章 毕业设计总结15致 谢16参 考 文 献171前 言随着传感技术的迅速发展以及工业自动化程度的提高，越来越多的工

4、厂正在走向自动化生产，而以往的传送带、电动货梯已不能满足工厂对零散货物的搬运需求。叉车搬运虽然灵活方便、可操作性强，但是当工厂生产量增大，就需要更多的操作工，以及更密集的工作时间才能保证工厂对货物搬运的需求。另一方面，随着传感技术的逐步成熟，高精度、抗干扰的传感器价格也越来越低，再结合上单片机技术、通信技术的发展及成熟，利用单片机控制的自动搬运车将成为可能。由于控制系统的性价比高，稳定性强，能适应恶劣环境，今后将在很大程度上代替人工操作，成为工业自动化发展的大趋势。目前自动无人搬运车系统（AGVS），大多以微处理器、传感器以及监控设备组成。常见的传感器有：巡线传感器、陀螺仪传感器、GPS定位传

5、感器等，但都存在局限性，例如：不能适应复杂恶劣的环境、容易受外界影响等。而本系统采用了高精度、抗干扰的电子罗盘和测速电路，不仅能适应复杂环境，而且能准确判断搬运车行驶的方向及行驶距离，实现对货物的准确搬运。第1章 总体设计1.1 总体框图本系统结构框图如测速电路电子罗盘电路后轮电机驱动电路升降台电机驱动电路2单片机无线串口模块上位机图 1所示。系统由单片机、电子罗盘电路、码盘测距电路、电机驱动电路、无线串口电路五部分组成。其工作原理是：上位机通过无线串口模块发送指令给单片机，单片机通过电子罗盘计算行驶方向是否与指令相同，如果不同将控制车轮电机做出相应调整。同时，单片机通过测速电路测出小车行驶的

6、距离并通过无线串口模块发送坐标信息给上位机。而当小车行驶到指定坐标时单片机控制升降电机进行取放货，从而完成搬运任务。测速电路图 1 系统框图1.2 软、硬件功能划分本论文利用单片机设计了一个自动搬运车系统。实现以下功能：1能通过电子罗盘判断搬运车的行驶方向；2能通过码盘测量搬运车行驶的距离；3能通过上位机对的搬运车状态进行监测；4能通过升降台实现对货物的取放。其中我负责完成的是软件设计部分，主要有：1主程序程序的编写和调试；2电子罗盘读取操作程序的调试；3PWM输出程序的编写和调试；4无线串口通讯程序的编写和调试。第2章 系统原理图与引脚分配2.1 总体电路图总体电路图如图 2所示。图 2 总

7、体电路图2.2 单片机引脚分配本设计中单片机引脚分配如下： P1.0/ P1.1：HMC5983电子罗盘时钟SCL、数据线SDA；P1.3/ P1.4：PWM控制输出端接电机驱动模块的ENA、ENB；P2.2：接L298车轮电机驱动模块的IN1；P2.3：接L298车轮电机驱动模块的IN2；P2.4：接L298车轮电机驱动模块的IN3；P2.5：接L298车轮电机驱动模块的IN4；P0.0：接升降台下方限位开关；P0.1：接升降台上方限位开关；P0.5：接L298升降电机驱动模块ENA；P0.6：接L298升降电机驱动模块IN1；P0.7：接L298升降电机驱动模块IN2；P3.0：无线串口接

8、收端（RXD）；P3.1：无线串口发射端（TXD）；P3.2：外部中断0，接红外对照管的输出端。第3章 系统软件设计3.1 流程图 3.1.1 主程序流程图主程序流程图如图 3所示，该程序主要实现各功能块的初始化以及死循环等待中断功能。开始系统初始化等待中断图 3 主程序流程图3.1.2 INT0外部中断服务子程序流程图INT0外部中断子程序流程图如图 4所示，该程序主要实现行驶距离与坐标的计算，以及向上位机发送坐标数据的功能。INT0中断入口是直行吗？计算坐标并判断工作步向上位机发送坐标中断返回YN图 4 INT0外部中断子程序流程图3.1.3 定时器1中断服务子程序流程图定时器1中断子程序

9、流程图如图 5所示，该程序主要实现实时刷新电子罗盘数据，控制搬运车行走的功能。定时器1中断入口读取电子罗盘方向值st=0xff吗？搬运车依照上位机指令工作刷新PWM值图 5 定时器1中断子程序流程图3.1.4 串口1中断服务子程序流程图串口接收中断子程序流程图如图 6所示，该程序主要实现串口中断接收数据的功能。串口中断入口接收上位机发送的数据数据是否达到一组st=0xff图 6 串口中断流程图3.2 部分源程序/*头文件*/#include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*全局变量*/uchar idat

10、a step16=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0;/ 运行步骤uint idata Distance_tab16=0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0; /坐标数据int code north=1810, south=0, east=2750,west=900,DV=20; /罗盘方向数据/*功能块头文件,明确含义后修改*/#include HMC5983.hSET_SERIAL.HPWM_l298.hSET_PWM.h/*主程序*/main（）Init_PWM（）; /PWM初始化Init_Timer0（）; /初始化定时器0，作为P

11、WM时钟源Init_Timer1（）; /初始化定时器1，刷新数据Init_Interrupt（）; /开中断中断初始化Init_Motor（）; /L298控制电机初始化Init_BRT（）; /独立波特率发生器初始化Init_HMC5883（）; / HMC5983罗盘初始化while（1）;第4章 系统调试 Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，同时支持汇编语言和C语言源程序。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面；以软件包的形式向用户提供包括C51交叉编译器、A51宏汇编、BL连接

12、定位器等一系列工具，可以支持所有8051的衍生产品。4.1 Keil C51系统调试界面和程序调试Keil C51系统调试如图 7所示。图 7 Keil C51系统界面4.1.1 HMC5983电子罗盘模块的校准电子罗盘模块主要是利用地磁场来测量。地球本身就是一个大的磁场，所以要保证精确的测量，校准是必不可少的。因为各个地方的地磁场并不是一样的，同时，还有各种异常磁场的存在。所以，多数的电子罗盘采集的磁场数据不是圆形，而是椭圆。电子罗盘在安装后都要进行校准，常用的方法就是沿XY所在平面旋转，测出XY的最大和最小Xmax、Xmin、Ymax、Ymin，并按照以下公式校准。程序调试图如图 8所示。

13、xOffset=（Xmax+Xmin）/2;yOffset=（Ymax+Ymin）/2;Xgain=1;Ygain=（Ymax-Ymin）/（Xmax-Xmin）;Xraw=（Xgain*（x-xOffset）;Yraw=（Ygain*（y-yOffset）;Xraw 、Yraw就是校准后的电子罗盘X、Y的值。图 8 程序调试4.2 模块的单独调试及联调此部分分为：无线串口通信的联合调试，电子罗盘数据读取程序的调试，PWM模式驱动电机调试。4.2.1 串口通信无线串口模块用的是SI4432通信芯片，此产品发射距离远，可穿墙，特别适合近程无线设备监控。图 9 无线串口模块小车采集数据向电脑发送，

14、同时由串口助手显示出来。图 10 串口助手显示接收的数据4.2.2 电子罗盘采集数据并显示电子罗盘模块是采用的HMC5983，此模块精度高，带有温度补偿，使用方便。通信方式有I2C模式及SPI模式，单片机通过读取其数据得到电子罗盘所指方向。图 11 电子罗盘模块电子罗盘指向北时的角度值如图 12。而指向东、西、南时分别为270度、90度、0度 图 12 电子罗盘指向北方4.2.3 电机驱动模块PWM输出电机驱动模块的芯片是L298，它采用双H桥结构，可驱动两路电动机进行正反转。此模块还有光耦隔离，防止单片机电源受干扰，实现了不同电源的隔离。图 13 电机驱动模块通过电机驱动模块通过PWM脉宽调

15、制模式驱动电机运转，此方式是通过调整脉冲的占空比来达到调速的效果。这种方法类似于D/A转换，即将数字量转换为模拟量。图 14 PWM方式控制车轮转动4.3 自动搬运小车与上位机的联合调试4.3.1 VB上位机部分上位机是是由Microsoft Visual Basic 6.0 中文版编写，Visual Basic是可视化编程工具，其界面简单，编写操作方便，很容易被初学者接受。本程序是在原搬运车监控系统上做的修改，能实现对自动搬运小车运行状态监视以及对自动搬运小车所处坐标的准确显示。图 15 VB上位机程序调试4.3.2 自动搬运小车整体调试及上位机监控VB上位机用于监测搬运小车的位置，图中蓝色

16、圆点为搬运小车待命点，黄色的圆点为搬运小车，蓝色方块为指定的仓库。右侧的窗口显示坐标、货物名称及其它信息。如图 16。图 16 上位机监控系统搬运小车根据上位机发送的指令，在指定坐标进行提取货物并进行下一步工作。图 17 搬运小车提取货物搬运小车根据指令达到到指定地点放下货物，并沿指定线路返回原点待命，从而完成一次搬运的任务。图 18 小车搬运货物返回第5章 毕业设计总结我们所做的自动搬运小车系统实现了上位机与自动搬运小车的通信，上位机发送指令控制小车工作，同时通过上位机监测搬运小车的运行状态。从而可以实现搬运小车对货物的自动搬运功能。这次毕业设计从开发板、驱动板的焊接调试、测距模块的设计、到

17、车体结构的改进。从查阅各模块的相关资料，到了解各模块的工作方式。再到各模块的单独调试、联合调试和最后与上位机通信。整个过程中遇到很多困难，以至于我们是最后一组做完。我们所做的自动搬运小车是基于单片机系统，其工作方式是单片机通过电子罗盘模块采集方向数据来控制搬运小车运动。由于搬运小车工作环境复杂，不能避免外界电磁干扰的存在，可能导致电子罗盘数据的不准确，使搬运小车失去控制，从而达不到预期的效果。虽然单一传感器工作时受到干扰时会导致搬运小车失去控制，但是通过多种类型传感器协调工作将会使搬运车工作更加稳定。另外也可以使用物联网ZigBee网状网络定位系统，实现监测、控制的功能。致 谢感谢我的指导老师

18、史振江在硬件设计与软件基础部分给予的帮助，感谢郑家辉老师在VB上位机串口调试时的帮助，另外感谢我的搭档王萱同学在硬件部分的详细说明，感谢QQ群TT平衡车里小乐同学在电子罗盘校准方面的帮助。参 考 文 献1、赵玉菊编，电子技术仿真与实训，北京电子工业出版社，2009年版2、陈忠平编，单片机基础与最小系统实践，北京航空航天大学出版社，2007年版3、 （amoBBS 阿莫电子论坛）4、亓莱滨编，Visual Basic 程序设计，清华大学出版社，2008年第2版5、赵佩华、眭碧霞编，单片机原理及接口技术，机械工业出版社，2011年版6、 电子罗盘两点校正法7、李继明，胡欲立，屏蔽罩对永磁直流电机磁

19、场的影响分析，议持电棚2011年第8期8、成大先，机械设计手册（单行本,减速器.电机与电气），北京:化学工业出版社, 2004.19、刘伟，传感器实用教程，上海:东南大学出版社, 2003.710、乌云高娃，温希东，王明福编， C语言程序设计，北京高等教育出版社，2007年版毕 业 设 计 （论文）评 定 表姓名罗本坡学号201104032015存档号144113215系别电气工程系专业电气自动化班 级41132毕业论文（设计）题目基于单片机的搬运机器人系统的设计与制作指导教师评语：签名： 年 月 日 1毕业设计成绩：指导教师签名： 年 月 日2答辩成绩：答辩小组组长签名：年 月 日3综合成绩：备注：1.“毕业设计成绩”一项由指导教师根据毕业设计过程的表现及毕业设计说明书评定，满分100分。2.“答辩成绩”一项由答辩小组组长根据答辩情况评定，满分100分。3.“综合成绩”=“毕业设计成绩”*70%+“答辩成绩”*30%。