1、 菏泽学院 Heze University 本科生毕业设计（论文） 题 目 基于 AVR 单片机的长距离运料车的设计 姓 名 学号 系 别 蒋震机电工程学院 专 业 机械电子工程 指导教师 职称 副教授 2012 年 5 月 26 日 菏泽学院 教务处制 目 录 摘要 . 关键词 . Abstract . Key words . 引言 . 1 机械部分的设计 . 1.1 设计任务及参数 . 1.2 长距离运料车系统结构设计 . 1.2.1 长距离运料车的整体设计 . 1.2.2 运料车 机械臂的设计 . 1.2.3 运料车自卸斗的设计 . 1.2.4 运料车底盘的设计 . 2 硬件部分的选择
2、. 2.1 主控单元的选择 . 2.2.1 单片机介绍 . 2.2.2 单片机型号选择 . 2.2.3 ATmega16 引脚说明 . 2.2 直流减速电机的选择 . 2.3 步进电机的选择 . 2.3.1 步进电机介绍 . 2.3.2 步进电机的基本参数 . 2.3.3 选择步进电机三要素 . 2.3.4 选择步进电机型号 . 2.4 传感器模块的选择 . 2.4.1 光电接近开关 . 2.4.2 电感式接近开关 . 2.5 吸盘式电磁铁的选择 . 3 控制电路的设计 . 3.1 主控模块的设计 . 3.1.1 主控单元的设计 . 3.1.2 L7805 直流稳压电源的设计 . 3.1.2
3、串口 通信模块的设计 . 3.2 L298N 电机驱动模块的设计 . 3.2.1 直流电机的正反转控制 . 3.3 步进电机 驱动模块的设计 . 3.3.1 驱动芯片 ULN2003. 3.3.2 驱动电机 . 3.4 继电器控制模块的设计 . 4 控制流程 的 设计 . 4.1 控制流程 . 4.2 流程图 . 总结 . 说明 . 参考文献 . 附录 . 致谢 . 基于 AVR 单片机的长距离运料车的设计 基于 AVR 单片机的长距离运料车的设计 机械电子工程专业学生 指导教师 摘要 ： 随着电子技术的不断更新，工业自动化程度也飞速发展，为了把人们从繁重的体力劳动中解脱出来，本文设计了一种基
4、于 AVR 单片机的长距离运料车，专门用于运输钢铁等重型物体。基于 avr单片机的长距离运料车集光、电、计算 机技术于一体，综合了当今科技领域先进的理论和应用技术。单片机技术的应用，可灵活编程，进而实现控制的灵活性并且具有 高可靠性、高性价比 ； 可实现工件、加工后的工件全自动运送，减少了 体力劳动 ，提高了工作效率；操作过程全自动化，只需控制开关，实现功能，解决了电力控制机械的难点； 广泛应用在柔性 制造 系统和自动化工厂中，极大的提高生产自动化程度和生产效率。 关键词 ： AVR 单片机；工业自动化；效率高；可靠性 Based On The AVR Single Chip Microcom
5、puter Long Distance Transport Student majoring in Mechanical and Electronic Engineering Tutor Abstract： Along with the electronic technology update ceaselessly, industrial automation degree are also developing rapidly, in order to make people from the heavy manual labor out of, this paper discusses
6、the design of a AVR based long distance lorry, specifically designed to transport iron and other heavy objects. AVR based long distance lorry set light, electricity, computer technology in one, integrated the technology of advanced theory and application technology. The application of SCM technology
7、, flexible programming, and then realize control flexibility and high reliability, cost-effective; realizing workpiece, machining workpiece automatic delivery, reduce labor, improve the work efficiency; the operation process is fully automatic, only needs to control the switch, realizes the function
8、, to solve the electric power control equipment difficulty; widely used in flexible manufacturing system and factory automation, greatly improve the level of production automation and production efficiency. Key words: AVR single chip microcomputer;Industrial automation;Efficient;Reliability 菏泽学院本科生毕
9、业设计（论文） 引言 随着计算机技术与微电子技术的发展，各种单片机或微控制器（ MCU）组成的嵌入式系统，已经在工业自动化、办公自动化和楼宇自动化等领域得到了广泛的应用。为了加快实现工业的发展，进一步解放劳动力，提高生产效率，自动化已成为 21 世纪工业生产的发展趋势和发展方向。在各种自动化生产线中，运货的运料车是自动化生产线中的重要组成部分，尤其是多加工工位的自动化生产线，自动运料车有节约运货时间、减少工人的劳动强度等优点，所以自动运料车在自动化生产线中得到广发的应用。 长距离 送料车（即称 AGV），是一种物料搬运设备，是能 在某一位置自动进行货物的装载，自动行走到另一位置 ，自动完成货物
10、的卸载 的全自动运输装置。装卸搬运是物流的功能要素之一，在物流系统中发生的频率很高，占据物流费用的重要部分。因此，运输工具得到了很大的发展，其中 AGV 的使用场合最广泛，发展十分迅速 。它是一种集声、光、电、微型计算机为一体的简单搬运机器人。和人驾驶车的性 质是一样的，只不过它的“司机”是一个微型计算机控制系统。它主要在 柔性加工、装配系统，自动化立体仓库以及其他一些场合作为搬运工具 1。 我们知道，目前工业生产过程中已经有很多运料设备，但是能实现全 自动、高效、安全运料的运料车很少。目前市面上的运料车主要分为两种： （ 1） 有 轨 长距离 送料车 ： 所谓有轨是指有地面或空间的机械式导向
11、轨道。地面有轨送料 车 结构牢固，承载力大，造价低廉，技术成熟，可靠性好，定位精度高。地面有轨送料车多采用直线或环线双向运行，广泛应用于中小规模的箱体类工件 FMS 中。高架有轨小车 （空间导轨）相对于地面有轨送料车，车间利用率高，结构紧凑，速度 快 ，有利于把人和输送装置的活动范围分开，安全性好，但承载力小。有轨送料车由于需要机械式导轨，其系统的变更性、扩展性和灵活性不够理想。 （ 2） 无 轨 长距离 送料车 ： 无轨送料车是一种利用微机控制的，能按照一定的程序自动沿规定的引导路 径行驶，并具有停车选择装置、安全保护装置以及各种移载装置的输送 运 料车。无轨送料车按引导方式和控制方法分为有
12、径引导方式和无径引导自主导向方式。有径引导方式是指在地面上铺设导线、磁带或反光带指定送料车的路径，送料车通过电磁信号或光信号检测出自己的所在位置，通过自动修正而保证沿指定路径行驶。无径引导自主导方式中，地图导向方式是在无轨送料车的计算机中预存距离表（地图），通过与测距法所得的方位信息比较，送料车自动算出从某一参考点出发到目的 点的行驶方向。这种引导方式非常灵活，但 精度低。 本文所研究的长距离运料车主要应用在机械制造 业 等工业 领域当中，要 求的承载力较大，并且要求可靠性高，定位精度好。因此我们选用第一 种作为研究方案，即有轨式长距离运料车。现在市面上 AGV 价格比普通叉车价格要高出数倍，
13、致使国内一些企业对 AGV 望而却步。这不是 AGV 不能在国内企业普及的唯一原因，另一个原因是现在的 AGV 变更性及适应性差，不能满足不同公司不同生产线的运输要求。此外，由于研基于 AVR 单片机的长距离运料 车的设计 发成本及其昂贵，所以 AGV 生产商也很难满足所有企业的生产需求。虽然 AGV 价格昂贵， 但是仍不能掩盖其特点。 AGV 是一种自动化程度非常高 的 运输设备，并且具有运输效率高、可靠性高、能耗小、可实现柔性控制、灵活性好等诸多优点，已经广泛的运用在汽车制造、机械加工、烟草业自动仓库等诸多领域。在现代企业生产运输中， AGV为提高生产效率，降低生产成本发挥着重要的作用。但
14、是由于 AGV 高昂的造价和复杂的制造工艺使的许多中小企业望而却步。所以急需设计一种价格低，性能好又能满足以上特点，并且又能适合于中小型企业需求的一种运料车。 1 机械部分的设计 1.1 设计 任务及参数 设计一台长距离运料车，可以在地面预 定的轨道上行驶，并自动完成装卸料任务。本设计采用 AVR 单片机作为控制系统来控制小车的行驶，从而实现运料车的装料、直走、卸料、倒退、停止等功能。 其设计参数如下： 长距离运料车的长度： 500mm 长距离运料车底板高度： 32mm 长距离运料车的载重： 35kg 长距离运料车的宽度： 300mm 长距离运料车的行驶速度： 100mm/s 1.2 长距离运
15、料车系统结构设计 1.2.1 长距离运料车的整体设计 所设计的长距离运料车的模型如图所示。车体采用后轮 独立驱动的模式，后轮由电机带动齿轮传动，给与合适的动力源。四轮结构与三轮结构相比较有较大的负载能力和较好的平稳性。并采用槽轮结构，更能保证运料车的平稳性和安全性。如图所示机械臂和自卸斗分布在运料车的两侧，既保证了运料车的平稳性，又大大提高了运料的效率 2。如图 1-1。 图 1-1 基于 AVR 单片机的长距离运料车的整体设计图 1、机械臂； 2、自卸斗； 3、钢轨； 4、 V 型槽轮 4 2 1 3 4 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 1.2.2 运料车机械臂的设计 如图 1-2采用减速步
16、进电机带动机械手上升和下降，既 保证了上升和下降的精确度，又提供了足够大的动力。两伸缩杆保证了运料的平稳性。 图 1-2 运料车机械臂 1、电磁铁； 2、伸缩杆； 3、步进电机； 4、 V 型槽轮； 5、带绳 1.2.3 运料车自卸斗的设计 如图 1-3 采用两个侧倾式自卸斗，通过步进电机带动凸轮实现自卸斗的倾卸。 图 1-3 侧倾式自卸斗 1、自卸斗； 2、凸轮； 3、步进电机 1.2.4 运料车底盘的设计 如图 1-4 直流减速电机通过齿轮副，带动运料车主轴转动， 进而带动 V 型槽轮转动。 1 2 3 4 5 1 3 2 基于 AVR 单片机的长距离运料 车的设计 图 1-4 运料车底盘
17、各结构组成 1、 V 型槽轮； 2、轴承与轴承座； 3、轴； 4、齿轮副； 5、直流减速电机 2 硬件部分的选择 2.1 主控单元的选择 2.2.1 单片机介绍 单片机即单片结构微型计算机的简称，可以认为是一种带 CPU 的计算机集成电路芯片。由单片机构成的计算机系统常被称为嵌入式计算机系统。 它的体积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择 3。 单片机最早的应用 是 在工业控制领域，所以 有时我们也把单片机称作 微控制器（ MCU）。 早期的 单片机 的 芯片内仅有 CPU 专用处理器。 当初的设计目的是为了使计算机系统变
18、得更小，使得控制设备的系统更为先进。 最早 INTEL 公司 根据这种设计理念设计出了 的 Z80 处理器，从此以后，单片机和专用处理器 便发展成两个不同的领域 。 2.2.2 单片机型号选择 （ 1）方案一：采用 ATC89C51 单片机，该单片机是 8 位的 CPU，主频等于晶振的12 分频，具有 4KB 的程序储存器（ ROM）； 256b 的数据存储器（ RAM）； 32 条 I/O 口线； 111 条指令，大部分为单字节指 令； 21 个专用寄存器； 2 个可编程序定时 /计数器；5 个中断源； 2 个优先级；一个全双工串行通信口。应用范围广泛，该型号单片机不仅硬件结构合理，而且指令
19、系统也更为规范，占据了先入为主的优势，并且至今任保持者活力。 （ 2）方案二：采用 AVR 系列的 ATmega16 单片机，该单片机为高性能、低功耗的 8位 AVR 微处理器； 16KB 的 系统内可编程序 Flash 程序存储器，可实现 1 万次的程序反复擦写功能；并可同时实现读、写功能；片上还具有 512B 的 EEPROM，并可擦写 10万次 ； 具有 JTAG 接口，方便芯片编程烧写； ATmega16 的片上还具备很多外设，拥有 2个独立预分频和比较器功能的 8 位定时器 /计数器； 并且还具有一些特殊处理器的特点4。工作电压范围在 4.55.5V 之间，最大工作频率为 16MHz
20、。 通过对两种型号的分析与调查我们采用 AVR 系列的 ATmega16 单片机作为长距离运料车的主控单元。主要是因为在同等时钟条件下 ATmega16 单片机比 ATC89C51 单片机速度快 12 倍，如果是做 16 16 的乘法，可比 ATC89C51 快 23 倍，计算优势非常明显。 AVR 单片机的耗电量比 ATC89C51 也减少了很多，由于 AVR 单片机采用了更加 先1 2 3 4 5 菏泽学院本科生毕业设计（论文） 进的制造工艺，在同等配置的条件下， AVR 单片机的价格要比 ATC89C51 单片机便宜。AVR 单片机上外设接口多，自带 EEPROM 的数据存储器，因此在大
21、多数的情况系，可以基本上摆脱外接的串行 EEPROM，使得产品知道成本降低，同时也缩小了产品的体积。最重要的一点就是在可靠性和稳定性方面， AVR 单片机的抗干扰能力也优越于ATC89C51 单片机，在工作条件复杂和恶劣的情况下能稳定的工作。 2.2.3 ATmega16 引脚说明 图 2-1 AVR 单片机管脚图 （ 1） VCC：正电源引脚 。 （ 2） GND：接地引脚。 （ 3） PAPD：为 8 位双向 I/O 口，具有可编程的内部上拉电阻。 具有对称的驱动特性 输出缓冲器 ，可实现大电流的吸收 和 输出 。 当被定义成输入状态 时，若内部上拉电阻使能， 外部电路拉低 端口 时，将
22、输出电流。 若被复位 ， 不管 系统时钟 是否 起振，端口均 处于高阻态 5。其中端口 A另一个功能就是 A/D的 模拟输入端。对于端口 C，如果 JTAG接口使能，即使复位出现引脚 PC5(TDI)、 PC3(TMS)与 PC2(TCK)的上拉电阻被激活。 （ 4） RESET：复位引脚，低电平复位。 （ 5） X1：反 向振荡放大器与片内时钟操作电路的输入端。 （ 6） X2：反向振荡放大器的输出端。 （ 7） AVCC： AVCC 是端口 A 与 A/D 转换器的电源。不使用 ADC 时，该引脚应直接与 VCC 连接。使用 ADC 时应通过一个低通滤波器与 VCC 连接。 （ 8） AR
23、EF ： A/D 的模拟基准输入引脚。 基于 AVR 单片机的长距离运料 车的设计 2.2 直流减速电机的选择 直流电动机的主要参数是功率（ KM）。但是，选择直流电动机并不按功率，而是根据下列三个指标选择 6,7。 长距离运料车行走的速度为 100mm/s，则车轮的转速为： 1 0 0 0 1 0 0 0 6 4 7 .7 7 / m in3 .1 4 4 0vnrd （ 2-1） 选择齿轮的减速比为 i=4 电机的转速 = in = 4 4 7 .7 7 = 1 9 1 .0 8 N /mn 电 （ 2-2） 长距离运料车的受力分析： 图 2-2 车轮受力简图 运料车车架自重为 P 32
24、. 8 5 1 0 0 . 5 0 . 3 0 . 0 3 2 9 . 8 1 3 4P a b h g N （ 2-3） 小车的载荷为 G 35 9.8 343G m g N （ 2-4） 取坐标系 OXYZ 如图 2-2 所示，列出平衡方程 由于两前轮及两后轮关于 Y 轴对称，则 B C DF =FAFF ， Z = 0 2 0ACF F P G ， 2F （ 2-5） = 0 0xCM ， -0.075G-0.17P+2 0.3 F （ 2-6） 解得： 157.66ABF F N 80.84CDF F N 滚动摩擦阻力偶矩 fM 的大小介于零和最大值之间，即 max0 fMM （ 2-7） m a x 0 . 0 0 0 6 1 5 7 . 6 6 0 . 9 4 6NM F N m （ 2-8） 其中 为滚动摩阻系数， =210，取 =6mm 牵引力 F 为 m a x 0 .9 4 6 2 3 .6 50 .0 4MFNd （ 2-9） 300
