1、自動導引式物料搬運小車系統(tǒng)設計課程名稱：制造系統(tǒng)自動化學生姓名：XXXX學 號：XX班 級：作業(yè)一 自動導引式物料搬運小車系統(tǒng)設計（一）任務書一、自動導引搬運小車功能示意圖圖1 自動導引搬運小車結構示意圖50005000 圖2 小車運行線路示意圖二、基本要求與參數本作業(yè)要求完成一種自動導引式物料搬運小車系統(tǒng)設計。小車主要實現的功能是自動尋跡并且完成物料的搬運。如上圖所示，小車首先在A區(qū)裝載物料，然后開始沿著指定軌跡（黑色導引線）自動運行，導引線寬為20mm，小車上要求裝有相應的傳感器用來完成尋跡和小車運行軌跡調節(jié)，保證小車始終沿著指定軌跡運行不偏離。運行到C區(qū)以后停止，卸貨后沿原路徑返回A區(qū)再

2、次裝載物料，如此往復。A、C區(qū)各有一條與導引線垂直的黑色邊界線，線寬為20mm，要求小車在A、C區(qū)停止時，不能超出邊界線限定范圍。（小車由蓄電池供電）相關設計參數：（1）小車運動方式：全自動導引式。（2）小車載重能力:15Kg，自重不超過15Kg。（3）小車運動距離：5000mm。（4）小車運行速度：不小于0.5m/s。三、工作量（1）小車輪系結構的設計與分析；（2）自動導引方案的設計及傳感器的選擇與分析； （3）小車驅動及運動控制方案的設計與分析； （4）控制流程的設計以及控制程序的編寫；（5）設計說明書一份。四、設計內容及說明（1）根據要求選擇合適的傳感器，設計搬運小車的自動導引系統(tǒng)，并進

3、行可行性分析，保證小車能夠沿著給定的路徑運動。（2）確定小車的輪系結構，如主動輪與從動輪的個數以及轉向方式。設計小車的驅動方案，確定電機的個數與類型，計算小車載重、行駛速度等技術指標，并分析論證輪系結構與驅動方案的合理性，滿足設計要求。（3）小車控制系統(tǒng)設計，包括確定控制方案、控制核心器件的選擇、自動導引功能的實現原理、繪制控制流程框圖、編制控制程序。（二）設計說明書一、小車輪系結構的設計與分析； 1、常用自動導引小車機械結構分析AGV的輪系結構是整個機械部分的核心，也是整個AGV非常關鍵的部分。輪系結構設計的合理性不但會影響小車的循跡精度，而且還決定了小車的最小轉彎半徑、最大運行速度等重要指

4、標。因此在小車輪系結構設計之前，我先對目前市場上常見的幾款同類小車的輪系結構進行了分析和比較，取長補短，設計出一款適合本系統(tǒng)的輪系結構。輪系結構一般由驅動輪、從動輪和轉向機構組成，目前市場上常見的同類AGV的輪系結構按照不同的性能要求主要有三種：三輪結構、四輪結構和六輪結構等，其中三輪結構一般采用前輪轉向和驅動，而四輪和六輪一般采用雙輪驅動、差速轉向或獨立轉向方式。(1)三輪結構三輪結構常采用前輪驅動與轉向輪合成為一個組合輪、后輪為兩個支撐定向輪的方式，其機械結構視覺圖如圖1-1所示。圖 1-1 三輪結構機械示意圖圖中小車后端的兩個即為同軸定向的從動輪，前端主動輪為可以轉180度的萬向輪。主動

5、輪上需裝備兩個電機，一個是用于控制方向的，一般使用精度較高的步進電機；另一個用于驅動小車，一般使用直流減速電機。三輪結構是一款非常靈活的輪系結構，載荷行走為拖動型，常用于路面比較差的環(huán)境。它的機械構造和控制非常簡單，成本低，但是它的缺點也較為明顯：首先由于兩個從動輪無法定向，一般將導向傳感器裝在車體后邊，因此三輪結構主要用于前進方向行走；其次這種輪系結構是3個輪子支撐車體，所以載重時應把貨物放在車體中心或后輪附件的位置，這樣才能更好的保證車體平衡性；尤為值得注意的是在行走過程時，當車體運動過快時，在轉彎時由于離心力的作用，很容易使重心移向轉向輪的兩側，而使車體發(fā)生側翻，因此這種結構更適合于低速

6、的場合。(2)四輪結構四輪結構是目前最為常見的一種AGV輪系結構之一，它一般采用轉向輪為主動輪式和轉向輪為從動輪，定向輪為主動輪式兩種方式。轉向輪為從動輪，定向輪為驅動輪式。這種方式是目前最常見的一種四輪結構，其機械結構視覺圖如圖1-2所示。圖 1-2 轉向輪為從動輪，定向輪為主動輪式機械效果圖這種車型結構同普通汽車一樣，前面兩個萬向輪為轉向輪，使用步進電機來精確控制轉向角度，可以用連桿或同步帶來做轉向傳動；后端兩個定向輪為驅動輪，可以用一個電機通過安裝差速器驅動兩個輪子，也可以用兩個電機分別驅動，這樣可以避免出現一個主動輪懸空空轉導致驅動力下降的問題，而且還可以省去安裝差速器。因為驅動輪在小

7、車后端，所以前輪的轉動角度就不能太大，但是如果轉動精度要求不高，則可以采用連桿傳動機構。這種四輪結構雖然控制簡單，而且機械結構也不是很復雜，但是它只適合與單向行駛，而且由于驅動輪在后端，所以最小轉彎半徑較大。轉向輪為驅動輪式。這種方式的四輪結構也是目前市場上較為常見的一種輪系結構，工業(yè)生產中使用的叉車就類似于這種結構，其機械視覺圖如圖1-3所示。圖 1-3 轉向輪為驅動輪式機械效果圖在這種結構中，前面兩個為用直流步進電機控制轉向角度的轉向輪，同時在每個轉向輪上安裝一個驅動電機以驅動輪子，后面兩個輪子為從動輪。為了保證兩個轉向輪轉向角度的一致，可以使用和汽車結構類似的連桿傳動方式，如果要求轉彎半

8、徑較小，也可采用圖中所示的同步帶傳動方式。因為這種結構中從動輪部分機械結構較簡單，因此可以方便的安裝減震系統(tǒng)，而且在小車轉彎時，為了使從動輪的內外側輪子產生速度差，兩個從動輪必須獨立轉動而不可以使用同軸聯接。這種結構在驅動和轉向控制上都非常靈活和簡單，而且能滿足較小的轉彎半徑，但是正如上面所述，由于它的輪系結構需要增加很多機械部件的支持，否則會造成致命的缺陷，這樣就增加了機械部分的復雜性，從而也增加了小車的自重和成本。(3)其它結構以上敘述的三輪結構和四輪結構其實是最簡單，也是最常見的兩種輪系結構，在它們的基礎上可以演變出其它的輪系結構：如三輪結構往往會在轉彎過程中側翻，因此可以在轉向輪兩側安

9、置兩個貼近地面的輪子，這種輪系結構也是目前市場上常見的改進性三輪結構。其它的輪系結構其基本原理都和上述輪系結構相似，因此不再詳述。2、自動導引小車輪系結構的機械設計在確定本設計AGV的輪系結構前，有一個重要的技術指標必須確定：小車是單向行駛還是雙向行駛，因為這將直接關系到小車輪系結構的選擇。鑒于本設計小車要求雙向行駛，我們選定了六輪結構，中間兩輪驅動，其它為萬向輪型的輪系結構，其機械視覺圖如圖1-4所示。圖1-4 六輪結構機械效果圖從圖中我們可以看出，這款小車的輪系結構和上面提到的幾種結構有很大的區(qū)別。首先它采用了六輪的底盤，中間兩個定向輪為驅動輪，前后四個萬向輪為從動輪，這和目前美國研制的火

10、星探測車的結構有點類似。當電機正轉或反轉時，小車可以前進或后退；通過內外側兩個驅動輪的速度差實現小車轉彎；而當一個電機正轉，一個電機反轉時可以實現小車原地轉彎。這種輪系結構不但控制簡單，而且機械結構也沒有上述輪系結構那么復雜，同時它不需要很多的機械部件的支持，這樣不但節(jié)省了成本，也減少了控制難度。但是這種六輪結構有一個缺點，如圖中所示，兩對從動輪分別安裝在主動輪軸的兩側，當小車行駛到不平的路面時，主動輪很容易被兩側的從動輪抬離地面，而使驅動輪不能驅動小車行駛，因此需要在從動輪上安裝減振彈簧等機械部件，使得六個輪子能與地面充分接觸，保持和地面的摩擦力。3、自導引小車的性能要求在確定了小車的輪系結

11、構以后，我們還必須確定小車載重、轉彎半徑、行駛速度等技術指標。首先我們要選擇合適的驅動電機，因為電機的性能參數直接決定著整輛小車的運動速度和驅動力。在選型過程中，主要考慮電機的額定電壓和額定功率這兩個參數。電機的輸出功率和小車的重量之間存在以下關系：式中P為電機功率，為摩擦系數，m為小車重量，g為重力加速度（9.8m/s2），v為小車的最大速度。按照小車的最大重量（承重加自重）為30kg，摩擦系數按照0.15，最大行駛速度為0.5m/s計算，電機總的最大輸出功率為22.05W，因為小車使用了兩個驅動電機，因此每個電機的額定功率必須要大于11W。考慮到為了便于其它控制電路的取電，電機的額定電壓取

12、24V，這樣兩個12V10Ah的蓄電池串聯即可作為整個系統(tǒng)的電源。在滿足上面要求的條件下，為了節(jié)省成本，我們采用一款額定電壓為24V，功率為15W，轉速為128圈每分鐘的直流減速電機。在確定了電機型號和小車的行駛速度后，小車輪子的直徑也可以確定，小車驅動輪的直徑和電機轉速之間的公式如下：式中v為小車的最大行駛速度，n為電機每分鐘的最大轉速，d為驅動輪的直徑，而我們選定的電機的最大轉速是128r/m，v為0.5m/s，因此可以得到驅動輪直徑d約為0.075m。在確定了小車的幾個關鍵的技術指標后，根據小車的設計要求我們得出一張如表1-1所示的小車機械指標表。表 1-1小車各項機械技術指標小車控制方

13、式自動/手動最大行駛速度1m/s導航方式紅外循跡輪系結構六輪結構車輪直徑75mm驅動方式雙輪差速驅動工作時間連續(xù)接受負載方式可選自動/手動電池組天能24V/10Ah（免維修）負載能力最大15kg蔽障方式超聲波自重15kg卸貨方式自動卸貨行駛方向雙向（前、后）二、自動導引方案的設計及傳感器的選擇與分析1、國內常見的幾款AGV特點及其設計方案的分析在設計前期我們對目前國內市場上常見的幾款AGV進行了調研，對它們的性能、特點和設計方案作了詳細的分析和比較。這些AGV按照其自動行駛過程中的導引方式，主要分為以下三款：電磁感應引導式AGV，激光引導式AGV，視覺引導式AGV，現對這三款AGV的設計思路和

14、方案及特性進行簡要的介紹。電磁感應引導式AGV電磁感應式引導是最早成功應用于無軌AGV的導引方法，也是目前無軌AGV主要采用的導引方式。該方式需要在預先設定的行駛路徑上埋設專門的電纜線，當高頻電流流經導線時，導線周圍產生電磁場，此時安裝在AGV車體兩端的電磁傳感器通過電磁感應原理產生感應信號。由于根據傳感器偏離軌跡的遠近程度可產生強度不同的電磁信號，因此系統(tǒng)可以通過采樣傳感器的電磁信號，從而軟件調節(jié)驅動機構，實現引導。該方法可靠性高，經濟實用，主要問題是：AGV的行駛路徑改變非常困難，而且埋線對地面要求較高，一旦電纜出現問題，維護非常困難。同時，該方式實現的成本也很高。激光引導式AGV這種方法

15、是在AGV上安裝有可旋轉的激光掃描器，在運行路徑沿途的特定位置處安裝高反光性的反射鏡面，AGV在運行途中，不斷用激光掃描器發(fā)射的激光束照射這些鏡面，利用入射光束與反射光束提供的夾角信息、入射光束與反射光束的時間差信息等，根據數學模型計算出AGV當前的位置以及運動的方向，通過和內置的數字地圖進行對比來校正方位，從而實現導引。這種導引方式的特點是當提供了足夠多反射鏡面和寬闊的掃描空間后，AGV導引與定位精度十分高，且提供了任意路徑行走和規(guī)劃的可能性。但是該方式成本昂貴，傳感器電路、反射裝置的安裝都十分復雜，且算法也很復雜。視覺引導式AGV視覺引導方式是一種正在快速發(fā)展和成熟的AGV導引方式，這種方

16、法在AGV上裝備CCD攝像機和傳感器，在AGV運行線路上建立色標，在主控芯片中存儲有AGV欲行駛路徑周圍環(huán)境的圖像數據庫。在AGV行駛過程中，攝像機動態(tài)的獲取車輛周圍環(huán)境圖像信息，利用圖像處理技術進行特征識別，并與圖像數據庫進行比較，從而確定當前位置，并對下一步行駛做出決策。這種AGV由于不要求人為設置任何物理路徑，因此具有最佳的引導柔性，適應性非常強。但是該方法對照明和色標清潔度有一定要求，而且這類AGV造價非常昂貴，同時由于CCD傳感器開發(fā)非常困難，算法復雜度高，一般的8位，16位MCU都無法進行開發(fā)。由此可見，目前市場上存在的幾款AGV雖然各有特點，但是由于他們造價高昂、維護困難、柔性較

17、低、工藝復雜，導致它們不能在國內企業(yè)中得到廣泛的應用。對于本次設計的小車，這里采用紅外導引的方式，應用紅外模塊完成小車的循跡。該模塊主要由一對紅外收發(fā)傳感器組成。紅外信號在碰到深色（如黑色）的物體時將被大部分吸收，而碰到淺色（如白色）的物體時將被大部分反射，利用這一特點，將小車行駛地面設置成淺色調，而軌跡設置成深色調。紅外發(fā)射傳感器發(fā)射的紅外信號在深色軌跡上產生微弱的反射信號，而在淺色地面上產生很強的反射信號；紅外接收傳感器根據接收到的反射信號強度的不同，產生不同的輸出電壓；主控芯片采樣該電壓值，從而調節(jié)小車左右電機的速度差，使小車能夠沿著軌跡行駛。2、控制硬件及傳感器的選擇 硬件部分主要由主

18、控板，超聲波模塊，紅外模塊，重力加速度模塊，測速模塊，電機驅動模塊，電量檢測模塊，指示燈模塊等部分組成。硬件部分的每個模塊都和機械部件有緊密的聯系，它們必須結合機械部件進行設計和調試。以下簡要介紹硬件部分各個模塊的功能。主控板主控板主要是由Freesclae半導體公司推出的一款基于CPU08核心的8位嵌入式MCU MC68HC908MR32構成的最小系統(tǒng)。該芯片具有功耗低，功能多，體積小等優(yōu)勢，主要用于汽車電子，工業(yè)控制等領域，比較適合開發(fā)帶有電機驅動的嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。主控板上還留出和其它功能模塊的接口，便于系統(tǒng)的改進。超聲波模塊超聲波模塊是用來檢測小車行駛途中是否有障礙物，該模塊主要由一對超

19、聲波收發(fā)傳感器和控制芯片MC68HC908QT4組成。當超聲波發(fā)射傳感器發(fā)射的聲波在傳播途中碰到障礙物時會發(fā)生反射，而被反射的聲波信號將被超聲波接收傳感器接收，同時控制芯片利用聲波發(fā)射和接收的時間差來計算障礙物與小車的距離，從而決定小車的運行狀況。該模塊保證小車在行駛途中避免和障礙物碰撞影響小車的正常行駛。紅外模塊上面已提及，這里不再贅述。重力加速度模塊重力加速度模塊利用重力加速度芯片MMA1260D來檢測小車行駛途中是否碰到太過陡峭的坡度。因為如果坡度過大不但會使小車上的貨物掉落，而且如果貨物過重，會使得爬坡能力下降，這樣就會無法正常行駛。測速模塊測速模塊是由一個光電編碼盤和一對紅外對管組成

20、，碼盤固定在電機轉動軸上，而其邊緣位于對管中間。當碼盤旋轉時，紅外接收傳感器輸出一定頻率的方波，而根據碼盤旋轉一周輸出方波所需要的時間，即可得到電機轉速。該模塊主要完成對驅動輪轉速的檢測，這樣就能保證兩個驅動輪能夠達到完全的同速行駛，使小車在直道上盡量保持直線行駛，而且在設計前期也需要通過該模塊來測試電機的最大轉速，從而確定系統(tǒng)相關參數。電機驅動模塊電機驅動模塊主要是用來驅動兩個定向輪上的直流減速電機和載物臺上的渦輪減速電機，該模塊主要由電機驅動芯片L298、電流檢測電路和主控芯片保護電路組成。電量測試模塊電量檢測模塊主要是用來檢測蓄電池是否需要充電，該模塊利用簡單的電壓檢測法來測試電量。由于

21、蓄電池提供的工作電壓為24v，因此在主控芯片MR32進行A/D采樣之前，需要先經過分壓電阻分壓。采樣到的AD值通過內部換算與電壓閥值比較，從而得到蓄電池電量狀態(tài)。當蓄電池電量不足時，提醒用戶立即給蓄電池充電。指示燈模塊指示燈模塊主要用來指示小車各個功能模塊的運行狀況，同時還指示各個硬件電路的運行狀況。三、小車驅動及運動控制方案的設計與分析1、驅動方案設計驅動部件是機械部分的核心部分，它主要完成小車的行走，導向等任務。本設計中的小車使用的是六輪二驅，即中間兩個為電機驅動的定向輪，前后四個萬向輪。載物臺是由十多根矩形空心鋼管組成，將這些鐵棍間隔的固定在鏈條上，然后通過一個渦輪減速電機驅動齒輪來帶動

22、它們平動，這樣就可以將貨物自動的卸載。2、運動控制方案設計在嵌入式產品設計中，硬件選型的合理性、可行性以及可靠性將直接影響著產品開發(fā)周期，同時也決定了產品的性能，還可能會影響到產品成形后的生產。因而硬件選型是嵌入式產品設計的一個重要環(huán)節(jié)。在硬件選型時應該綜合考慮產品的應用領域，成本問題，開發(fā)的難易程度問題，元件購買途徑問題，用戶需求問題等等。而硬件選型主要是主控芯片的選型，選擇一種功能強大但又不浪費資源的主控芯片是十分重要的。以下將以主控芯片選型為例從技術角度來闡述一下對硬件選型時所需要綜合考慮的幾個因素：（1）是否有合理的RAM和Flash大??；（2）是否有足夠的I/O引腳數目；（3）內部是

23、否包含所需的功能模塊；（4）芯片的封裝形式是否適合設計的需要；（5）與芯片相關的寫入器，編譯器和集成開發(fā)環(huán)境是否具有可開發(fā)性，或者是否能從第三方得到；（6）是否能夠購買到，或者能夠申請到樣片；（7）語言體系與熟悉程度。在選型時，應盡量避免芯片資源的浪費造成產品成本增加，所以RAM和Flash大小以及I/O引腳數目應該能足夠滿足設計的需要，同時芯片內部功能模塊也應該盡量包含設計時的大部分需要。芯片的封裝形式主要是出于對設計的前期試驗和產品的后期生產的考慮。通常我們采用的封裝形式有雙列直插和貼片形式，其中雙列直插封裝體積相對龐大，但是其易于插拔，在試驗時較方便；而貼片封裝雖然焊接麻煩，但是其體積小

24、，節(jié)約空間，因此比較適合產品體積較小的設計。在芯片選型過程中必須要考慮與之緊密相關的寫入器，編譯器和集成開發(fā)環(huán)境的問題，通常一個通用寫入器少則幾千，多則幾萬，對于開發(fā)低成本試驗性項目明顯不適合，所以就需要自主開發(fā)，降低成本。而且同一類芯片往往其其寫入器開發(fā)流程相似，所以易于移植，這樣也為將來同類芯片開發(fā)項目奠定了基礎。在對本設計需求分析后，發(fā)現16位單片機不適合用戶需求，主要表現在以下幾點：（1）本設計中使用到的I/O引腳數目不多于30個，而一般16位單片機其I/O引腳數目往往多達50個，如選用將會造成大量引腳閑置；（2）本設計中芯片片內Flash的要求為不超過20K，而一般16位單片機的片內

25、Flash容量往往都很大，這樣易造成資源的浪費；（3）16位單片機中有很多功能模塊在本設計中是用不到的。針對以上出現的問題，在設計中選用了Freescale半導體公司08系列中資源較豐富的MC68HC908MR32 MCU(以下簡稱MR32)作為本設計的主控芯片。該款芯片的I/O引腳、片內Flash和功能模塊全部符合設計要求，而且本設計中所需驅動的電機達四個之多，而該芯片正是Freescale公司推出的專門驅動電機的新型MCU，因此選用這款芯片還是比較合適的。本設計中要選擇的另一款芯片是電機驅動芯片。因為電機驅動電流較大，因而不能簡單地利用芯片引腳進行驅動，必須用專門的驅動芯片來驅動。經過對電

26、機特性的分析決定采用ST半導體公司推出的L298芯片來實現電機驅動，它的驅動電壓最高可達46V，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A，是一款理想的直流電機驅動芯片。MR32微控制器MR32 MCU是Freescale半導體公司于2001年上半年推出的一款低功耗、高性能的，專門用于電機控制的08系列芯片。該款芯片的主要特征如下：（1）最高可達8MHz的內部總線頻率（2）32K片內FLASH，可以進行在線編程，768B片內RAM，240B監(jiān)控ROM（3）FLASH數據保密功能（4）12位，6通道的PWM（脈寬調制）輸出模塊（5）16位，4通道的定時器接口模塊（TIMA）（6）16位，2通道的定

27、時器接口模塊（TIMB）（7）10位，10通道的A/D（模擬/數字）轉換模塊（ADC）（8）6個并行輸入輸出端口，共有37個輸入輸出引腳和7個輸入引腳。（9）串行同步接口模塊(SPI)（10）串行異步接口模塊(SCI)（11）系統(tǒng)保護措施包括：看門狗復位模塊，低電壓檢測復位模塊，PWM故障檢測MC68HC908MR32 MCU采用64腳QFP封裝，體積小，可靠性高，適合高頻低功耗應用，各引腳功能分布如下：（1）電源類引腳VDD、VSS（40腳、41腳）：電源供給端；VDDA、VREFH、VSSA、VREFL（9腳、10腳、11腳、12腳）：內部A/D轉換器的電源供給及參考電壓輸入端；VDDA、

28、VSSA（50腳、54腳）：時鐘發(fā)生器模塊（CGM）的電源供給端。（2）控制類引腳RST（49腳）：外部低有效復位輸入或輸出腳，有內部上拉電阻；IRQ（48腳）：外部中斷輸入腳，有內部上拉電阻。（3）I/O類引腳PTA7PTA0（6255腳）：8位通用I/O口；PTB7/AD7PTB0/AD0（50腳，63腳）：8位通用雙向I/O口，也可作為8路8位A/D轉換輸入腳；PTC6PTC0（78腳，1317腳）：有兩路可以作為A/D轉換引腳，同時PORTC可以作為7位I/O口；PTD6/IS3PTD4/IS1，PTD3/FAUL4PTD0/FAUL1（2418腳）：為7為通用輸入口，同時有4路可以用

29、做PWM模塊的FAULT輸入引腳；PTE7/TCH3APTE0/TCLKB（3932腳）：為8位通用I/O口，同時包含定時器模塊5個引腳；PTF5/TXDPTF1/SS（4742腳）：有6路輸入輸出，4路可以用于SPI模塊，2路用于SCI模塊。（4）PWM引腳PWM6PWM1（2531腳）：6路PWM通道，用于控制占空比的變化。（5）其它CGMXFC（51腳）：CGM的外部濾波電容連接腳；OSC1、OSC2（5352腳）：片內振蕩器引腳。電機驅動芯片L298L298是ST公司生產的一款高電壓、大電流、小功率電機驅動芯片。該芯片內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進

30、電動機、繼電器、線圈等電感性負載；采用標準TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。其具有以下電氣特性：（1）電源驅動電壓Vs可達5V46V，邏輯支持電壓Vss為4.5V7V；（2）輸入高電壓Vih為2.3Vss，輸入低電壓為0V1.5V；（3）峰值驅動電流可達3A，正常工作電流為2A，總驅動電流可達4A；（4）響應速度快，提供納秒級的響應速度；（5）提供過溫保護，工作溫度范圍可達-25130，正常工作溫度為1335。溫度過高或溫度過低時，芯片均會停

31、止工作，防止其損壞。L298采用的是15腳的Multiwatt封裝，各引腳功能分布如表3-1所示：3、主控芯片最小系統(tǒng)硬件設計（1）MC68HC908MR32支撐電路圖 3-1MC68HC908MR32支撐電路單片機的運行需要一個支撐電路的支持才能工作起來，一般支撐電路包括電源、時鐘電路等。圖3-1所示為即為主控芯片MR32的支撐電路。在圖3-1中，引腳OSC1和OSC2分別為芯片內振蕩器輸入引腳和輸出引腳，該電路所需要的元件有：4.92Mhz的石英晶振，20P的晶體固定電容（與OSC1相連），20P晶體微調電容（與OSC2相連）及10M的反饋電阻。因為晶振電路是非常敏感的模擬電路，是整個硬件

32、電路的核心，它的穩(wěn)定性將直接影響到整個電路的穩(wěn)定運行，因此要格外注意該電路的布線方式。一般晶振與單片機引腳應盡量靠近，且將晶振電路的外接器件都用地線圍繞起來，如果電路板空間允許，晶振應該采用臥式安裝，將外殼焊接在地線上，最大限度地減小對外的電磁干擾。VDD和VSS為芯片的電源引腳，其中VDD接+5V，VSS接電源地，為了提高電源電壓的穩(wěn)定性，在VDD與VSS間并聯兩個濾波電容。完成支撐電路的搭建以后，應該使用萬用表和示波器等工具檢測一下電源是否正常供電、晶振是否起振，而對芯片工作狀況的檢測，則應該通過軟件的方式。通過第三方提供的寫入器，將芯片的初始化和簡單的I/O控制程序燒寫到芯片內，通過I/

33、O口驅動的指示燈的變化情況來確定芯片是否正常工作。（2）MC68HC908MR32最小系統(tǒng)主控芯片的支撐電路設計好后，接下來需要解決用戶程序的寫入問題。Freescale半導體公司為08系列的MCU提供了監(jiān)控ROM。監(jiān)控ROM是指MCU出廠前固化在芯片內部ROM中的一段程序，其中包含了有關系統(tǒng)檢測、Flash編程以及串行監(jiān)控方式。用戶可以通過監(jiān)控ROM提供的讀、寫等操作命令實現程序的寫入，即監(jiān)控方式下的在線編程。然后這種方式下的程序下載存在兩大缺陷：一是需要一個Flash編程高電壓，且其它引腳還需要滿足特定的設置才能進入監(jiān)控方式，操作非常不方便；二是程序的下載是半雙工的，且是單線通信方式，下載

34、速度較慢。為了解決監(jiān)控方式下寫入程序的不足，我們常采用的方法是利用MCU的片內Flash空間較大且一般都帶有串行通信模塊的特點，在片內Flash中劃出部分存儲空間，用于駐留用戶自定義的監(jiān)控程序。監(jiān)控程序的主要功能是單片機通過串口與PC機通信，與PC方的在線編程系統(tǒng)共同完成程序的下載和調試。帶有串口通信和支撐電路的系統(tǒng)就是一個能完成程序下載、調試和運行的最小系統(tǒng)。MC68HC908MR32最小系統(tǒng)的硬件連線如圖3-2所示。圖 3-2 MC68HC908MR32最小系統(tǒng)從圖3-2中可以看出，最小系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：1）晶振電路：該電路主要產生芯片內部各個模塊的時鐘源；2）電源電路：該電路主要

35、給芯片提供穩(wěn)定的+5V直流電壓；3）復位電路：該電路為芯片提供一個下降沿跳變，使芯片復位。MR32的RESET引腳平時被10K的電阻上拉到+5V，為高電平，當按下復位按鈕時，該引腳通過51W的電阻接地，變?yōu)榈碗娖?，產生下降沿跳變，芯片復位。4）串口電路：該電路主要目的是將MCU的發(fā)送引腳TxD與接收引腳RxD，通過RS-232電平轉換芯片MAX232轉換為RS-232電平。MR32的串行通信引腳47（TxD）、46（RxD）分別接MAX232的11（T1IN）、12（R1OUT），MAX232的13（R1IN）、14（T1OUT）分別為RS-232電平的接收與發(fā)送引腳。當MCU需要發(fā)送數據時，

36、MCU的TxD（TTL電平）經過MAX232的T1IN送到MAX232內部，在內部TTL電平被“提升”為RS-232電平，通過T1OUT發(fā)送出去；當外部有數據傳送到MCU時，外部RS-232電平經過MAX232的R1IN進入到MAX232的內部，在內部RS-232電平被“降低”為TTL電平，經過R1OUT送到MCU的RxD，進入MCU內部。4、電機驅動模塊的硬件設計電機驅動模塊主要完成對小車輪子的驅動和載物臺卸貨裝置的驅動，該模塊的硬件電路圖如圖3-3所示。圖3-3 電機驅動模塊硬件電路雖然L298總驅動電流可達4A，但是每一路的最大驅動電流只有2A，為了使得L298能達到其最大的驅動電流，設

37、計中將L298內含的兩路驅動器并聯。如圖所示，芯片的6腳（Enable A）和11腳（Enable A）連接，生成Enable腳用于控制電機的運轉和停止；芯片的5腳（INPUT 1）和12腳（INPUT 4）連接，生成IN1腳，7腳（INPUT 2）和10腳（INPUT 3）連接，生成IN2腳，用于控制電機的轉向；芯片的2腳（OUTPUT 1）和14腳（OUTPUT 4）連接，生成OUT1腳，3腳（OUTPUT 2）和13腳（OUTPUT 3）連接，生成OUT2腳，此兩腳是驅動器的輸出端，用來連接負載。由于電機是感性負載，所以需要在L298的輸出端接四個快速二極管IN5822組成續(xù)流電路，將電

38、機產生的感應電流消耗，防止對電路產生影響。L298還提供了兩個負載電流的反饋引腳：1腳和15腳，將它們同時接一個0.1歐姆，12W的電流檢測電阻，再接地，此時就可以通過對1腳或者15腳進行A/D采樣，來得到電路中負載電流，實現恒流控制。L298有4腳（VS）和9腳（VSS）兩個電源引腳，4腳為電機驅動電源輸入端，該電壓需要比9腳輸入電壓大，否則將會影響芯片的正常工作，而9腳為芯片工作電壓輸入端。L298的Enable、IN1和IN2引腳分別接主控芯片MR32的PTD4、PTA0和PTA1引腳，通過這三個I/O口的信號輸出來控制電機的轉速和方向。但是由于電機驅動電路工作時電流非常大，為了避免燒毀

39、主控電路，需要在這兩個電路之間加一個如圖3-4所示的主控芯片保護電路。圖3-4 主控芯片保護電路如圖所示，只需在MR32的I/O引腳與L298的控制引腳之間加上肖特極二極管1N4148，即可起到保護控制端電路的目的，肖特極二極管1N4148用于嵌壓，使MR32的I/O引腳電壓保持在5.7V，當L298三個控制引腳產生24V的反向電壓時，二極管1N4148正向導通，由于4.7K電阻的存在，使得反向電流非常小，因此保護了后端電路。四、控制流程的設計以及控制程序的編寫 1、控制流程圖4-1所示為自動導引小車的工作流程框圖在小車啟動之前，首先進行電量檢測模塊的測試。為了測試該模塊工作情況，這里將電量狀

40、態(tài)值置為充電狀態(tài)，同時將狀態(tài)值寫入MR32的FLASH存儲器0x8000處。當小車上電后獲取蓄電池電量狀態(tài)為充電狀態(tài)，同時蓄電池電量采樣值小于充電滿標志電壓時，指示燈提示用戶需要對蓄電池充電，同時小車停止啟動；如果蓄電池電量采樣值大于充電滿標志電壓時，指示燈標識小車正常啟動，同時寫FLASH存儲器0x8000處為工作狀態(tài)。在完成電量檢測以后，如果小車可以正常啟動，系統(tǒng)將等待按鍵輸入，同時對按鍵值進行A/D采樣，以確定小車初始行駛方向。在按鍵輸入完成，小車指示燈顯示小車的行駛方向，同時啟動定時器，小車各個功能模塊開始工作，小車開始加速啟動。為了避免小車在探測到障礙物減速時偏離軌道，將循跡子程序和

41、對超聲波測障模塊的AD采樣子程序都放在定時器溢出中斷子程序中運行。測試結果表明這樣的程序設計使得小車在碰到障礙物減速到停止時，能夠平穩(wěn)的停在軌跡上。 圖4-1 自動導引小車系統(tǒng)工作流程圖2、軟件設計小車軟件設計的總體思想是：通過主控芯片對超聲波模塊、紅外模塊和重力加速度等功能模塊的信號采樣處理，配合對電機驅動模塊的編程實現小車自動避障循跡，并將各模塊的編程以函數形式合理封裝，供二次開發(fā)的用戶調用。（1）軟件功能概述AGV的軟件設計要實現兩個基本功能：一是實現在線編程，可將用戶自己的應用程序在線寫入到MR32片內FLASH存儲區(qū)的用戶程序空間，支持用戶的二次開發(fā)。這部分是由MR32用戶監(jiān)控程序完

42、成；二是實現小車的自動避障循跡，通過主控芯片MR32對超聲波模塊、紅外模塊和重力加速度等功能模塊的信號采樣，并根據這些信號選擇電機驅動方案。（2）軟件開發(fā)環(huán)境軟件設計的一個重要環(huán)節(jié)是確定編程語言和開發(fā)工具。由于用C語言編制的程序易于移植、便于調試、可讀性好，而且有豐富的庫函數，因此C語言已經成為嵌入式應用軟件開發(fā)的首選語言。但不同于其他形式的軟件編程，嵌入式系統(tǒng)的編程是建立在特定的硬件平臺上，勢必要求其編程語言具備較強的硬件直接操作能力，無疑，匯編語言具備這樣的特質，而且其執(zhí)行效率高、占用資源少。但是匯編語言開發(fā)過程非常復雜，而且可讀性較差。因此可以采用Motorola匯編和ImageCraf

43、t C共同編寫系統(tǒng)的軟件部分，與硬件有關的部分如初始化堆棧指針還是必須用匯編編寫，另外，時序要求嚴格的場合也采用了匯編編寫；而與硬件無關的通用程序采用C語言進行編寫。（3）MC68HC908MR32用戶監(jiān)控程序監(jiān)控程序是為了實現用戶程序的在線寫入，同時對應用系統(tǒng)硬件及底層軟件進行調試而設計的一段短小精干的小程序，它是用專門的寫入設備（寫入器）固化到主控芯片的FLASH中。由于監(jiān)控程序的存在使得用戶可以方便的向硬件平臺主控芯片中下載編譯好的用戶程序代碼，這樣就不用像傳統(tǒng)的芯片下載程序方式那樣，每次向芯片中下載程序時都要把芯片從硬件板上拔下來，下載完成后再插回去，這點對于本系統(tǒng)尤為重要，因為主控芯片MR32是貼片封裝，難以進行插拔操作。監(jiān)控程序一方面不能太小，否則功能很有限，會給應用程序的開發(fā)調試帶來麻煩；另一方面，也不能太大，否則會主次不分，占用過多的FLASH存儲空間，因為在監(jiān)控環(huán)境下，被監(jiān)控程序占用的空間是不能再被開發(fā)者要調試的用戶程序占用的。監(jiān)控程序最重要的功能是通過串行口將程序下載到單片機的存儲器中，因此，程序下載是監(jiān)控程序必須實現的；而程序的調試功能可以通過在程序運行時，在欲調試處設斷點，并將斷點處的有關寄存器值、