唐浩 赵伟豪 陈德辉 张倩
宿州学院 机械与电子工程学院 安徽宿州 234000
摘要：该项目基于STC系列51单片机开发的物流机器人，该机器人能够在指定区域内，通过人机交互，模拟物资的运输流程。物流机器人是智慧物流体系生态链中的终端，面对的配送场景复杂，需要应对各类订单配送的现场环境、路面、行人、其他交通工具以及用户的各类场景，进行及时有效的决策并迅速执行，这需要配送机器人具备高度的智能化和自主学习的能力。而项目研发的智能机器人正是这一构想的雏形。
关键词：51单片机，物流，人机交互，循迹，自动化
1 引言
随着时代的发展，生活处处在改变，电子商务也慢慢兴起，被人们所肯定。电子商务如此方便少不了快递的帮助，同时也带动着快递企业迅速发展。马云建立的“菜鸟驿站”，用于解决快递的“最后一公里”，初衷是通过高校创业的学生、在小区物业和小区超市、在连锁店，便利店等，通过社会化协同，解决快递的最后一公里问题。由此，能解决快递人员在送货上门时产生的送货时间冲突、送货效率低下、送货成本高昂等问题。解决购物者与物流公司的最后一道壁垒，是很有必要的。为此我们设计的“智能快递员”。在学校、小区、写字楼等人群密集的区域内，配置一个“智能快递员”，可以实现快递到手的最后一步，正是解决“最后的一公里”。
2 基本原理
本项目选用单片机STC89S51作为本设计的核心元件，利用单片机灵活的编程设计和丰富的IO端口，及其控制的准确性，实现基本的定时控制功能。项目的驱动采用L298N，我们选用小车模拟物流机器人，通过单片机输出的PWM脉冲宽度方式调节电动机转速和转向的不同，实现对小车的控制。两侧电动机控制采用电动机驱动芯片实现驱动，通过不同的信号输出，能够简单的实现对小车的灵活控制。为保证小车能够在指定的路线上行进，我们选用红外传感器来识别黑色胶带构成的线路，并在线路上标记上若干识别点，选用无线模块来实现人机交互。
3 模块介绍
3.1 L298N电机模块
L298N是专用驱动集成电路，属于H桥集成电路。其输出电流为2A，最高电流4A，最高工作电压50V，可以驱动感性负载，或者大功率直流电机等。而且电机驱动模块的控制端用单片机的IO口直接来控制，操作起来更加方便灵活。当用电机驱动控制直流电机时，可以实现电机的正转和反转，我们只要通过改变驱动控制端的的高低电平。
3.2 红外循迹传感器模块
通过多个红外传感器检测黑线所在位置来反馈给单片机，红外模块对黑线的检测的主要原理是通过红外发射管发射光线到当前行进的路面，当发射的红外光遇到白底的地面被反射，当接收管接收到地面上的反射光后经施密特触发器整形后输出端则输出低电平；当发射出的红外光遇到黑线时就会被吸收，如果红外接收管没有接到经过反射的光在经施密特触发器整形后输出端则输出高电平。单片机通过检测红外模块输出端输出的高低电平来控制小车的状态。
3.3无线模块
nrf24l01无线模块工作频段是2400-2480MHZ，改频段的是属于ISM工作频段，属于全权开放无需申请许可证；同事具有GFSK调制方式，126个通信频道，最大输出功率为0dBm。灵敏度可高达-94dBm250Kpbs，具有超低耗关机模式（休眠电流小于<1uA），定时唤醒功能，且内部具有集成稳压器。工作电压范围：1.9-3.6V ，在-40~85摄氏度之间工作稳定。
4 系统设计
4.1 主控电路
主控电路采用stc89c51单片机，供电部分分为单片机主控供电和电机驱动供电 。主控供电采用 USB 接口供电可接5V 电源供电而电机驱动则接12V电池盒供电。预留外设电源供电的接口增强可扩展性，外扩一些 红外循迹模块相关的IO 端口，合理安排红外循迹模块接口和电机驱动控制接口的分布，在不影响功能的情况下方便布线。[3]
4.2 模拟pwm输出
51单片机没有硬件PWM功能模块，但由于快递小车需要实时调整车速这个时候我们需要通过单片机模拟PWM来实现它， PWM全称是脉冲宽度调制解调，一个周期主要由高电平和低电平组成，在周期一样的条件下，我们通过不断的调整高电平在整个周期所占的比例，即所称的占空比，就可以实现类似pwm的效果。
4.3 硬件结构的构建
无线接收需要在无干扰或干扰较弱的位置，避免其他器件外设的干扰和遮挡，保证信号传输的流畅无误和准确性。采用多个红外传感器确保小车能行驶在规定的黑线中间。多个红外传感器能保证识别黑线的准确性减少误判。由于电机驱动在长时间运行状态下容易过热影响芯片性能说以电机驱动应加装扇热片注意扇热。由于电机驱动供电的电池盒的重量占整车比重较重说以应合理考虑电机和电池盒的位置分布尽量保持整车的质量均衡。
5 主程序设计
设计所需要的51最小系统、红外传感器、电机驱动L298N模块、红外发送接收传感器，无线模块。熟悉各个模块的芯片手册以及相应的源码，再分阶段完成实现各个模块的功能并学会各个模块的驱动程序。
通过51单片机把无线模块发送的数据通过1602显示出来以此验证发送的指令与接送的指令是否一致，也可以先通过串口把数据发送到上位机更加方便。[4]然后把红外模块识别到的信号与小车状态对应并用单片机输出的PWM脉冲宽度的方式控制电机的转动速度和不同的转向方式，以此实现对小车的控制。
6 结束语
通过对本次设计的研究,学会并掌握了循迹车一些基本的工作和控制原理。本设计可以很好的解决快递的最后一公里问题由此，能解决快递人员在送货上门时产生的送货时间冲突、送货效率低下、送货成本高昂等问题。这样大大加快了快递效率而且也方便了用户对取快递时间的自由支配也降低了成本。
参考文献
[1] 刘毅敏.史作锋编码信息红外发射与接收器[期刊论文]-微计算机信息 2007(14)
[2] 徐爱钧,单片机原理实用教程.电子工业出版社，2011.
[3] 李朝清单片机原理及接口技术 1994
[4]田亮.何培祥.李庆东.何俊兵新型智能红外线防盗系统设计[期刊论文]-激光与红外 2006(7)