基于單片機的無線遙控電動叉車控制系統設計

劉傲

（哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

基于單片機的無線遙控電動叉車控制系統設計

劉傲

（哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，黑龍江哈爾濱 150001）

采用智能電機功率驅動芯片和單片機上下位機的控制方式，設計了一種小型無線遙控電動叉車的控制系統，介紹了控制系統的組成和原理實現以及有關的器件選型，遙控電路，電機驅動電路和升降電機電路的硬件設計和軟件設計，控制系統操作方便、響應迅速、叉車運行平穩。

無線遙控；電動叉車；控制系統；單片機

叉車是指對托盤貨物進行裝卸、堆垛和短距離運輸作業的各種輪式搬運車輛。叉車按動力源可分為內燃叉車、電動叉車和手動叉車等，按操作方式可分為方向盤式、遙控式和手動推拉式等。

遙控電動叉車由底盤、門架、電池和遙控控制系統組成。底盤是叉車的基本骨架，是叉車實現運動功能的基礎，底盤包含底盤框架、前后輪、剎車、配重和驅動電機等部分，驅動電機主要實現叉車的前進、后退和轉彎等功能；門架是叉車完成叉子升降的基本框架，包含提升電機、升降框架、叉子等部分；電池為叉車控制系統提供電源；遙控控制系統實現對叉車的遙控操控，遠距離控制叉車的前進、后退、轉彎、剎車、叉子上升、下降、叉車狀態顯示和報警等功能。

針對叉車的工作過程和實現的功能，文中設計了一種基于單片機的無線遙控電動叉車控制系統，從電機控制系統的組成、上下位機的開環控制方式及控制原理、遙控電路、電機驅動電路、升降電機電路和軟件程序流程等方面進行了闡述與說明。

1 控制系統設計

叉車控制系統采用上位機和下位機的二級開環控制方式，上下位機均采用ATMEGA單片機，上位機用于按鈕信息處理和向下位機發送各種命令及參數，同時對下位機傳送來的叉車運行狀態信息進行顯示。下位機接收上位機指令，按照指令要求，執行相應的功能操作，控制叉車升降電機、驅動電機的運動和叉車的剎車與制動，同時將叉車運行狀態回傳給上位機。叉車控制系統框圖如圖1所示。

圖1 叉車控制系統框圖

控制系統主要由遙控電路和控制電路組成，遙控電路由按鍵、搖桿、單片機、液晶顯示屏和無線收發模塊以及天線等器件組成。單片機對控制叉車左右電機運動的搖桿電位器信號進行AD采樣處理，按照通信協議，將串行通信信號發送給無線收發模塊，無線收發模塊通過高斯頻移鍵控GFSK調制方式，將數據信息調制在434MHz的頻率上通過棒狀天線發送給下位機的控制電路。遙控電路組成框圖如圖2所示。

圖2 遙控電路組成框圖

控制電路主要由單片機、無線收發模塊、天線、驅動芯片、繼電器組等器件和重力傳感器、直流電機以及電磁鐵等部件組成。單片機收到遙控電路上位機指令后，對指令進行分析，按照指令類別，分別對左輪/右輪驅動電機進行前進/后退的PWM控制；通過電磁鐵對電機進行剎車/釋放控制；通過對繼電器組高低電壓切換控制升降電機的運行速度；通過對重力傳感器的信號采樣，完成叉車的稱重處理。單片機將所有的處理狀態和結果通過無線收發模塊回傳給上位機進行顯示。控制電路組成框圖如圖3所示。

圖3 控制電路組成框圖

叉車在實際運行過程中，經常需要轉彎、換向、微動。為增加操作的靈活性，叉車左、右輪驅動電機分別單獨進行控制，轉彎時，為減小轉彎半徑，左、右兩側的電機一個向前運動，另一個向后運動；叉車前進或后退時，兩側電機同時向前或向后運動。

2 硬件電路設計

2.1 遙控電路設計

遙控電路原理圖如圖4所示，單片機采用高檔ATMEGA系列AVR單片機ATMEGA88，它是一種在系統可編程、功能強、高速度、低功耗、抗干擾性強的具有精簡指令集的高性能8位單片機，片內含有8 K Flash程序存儲器，1 280 Byte的SRAM，512 Byte的E2PROM等。

收發模塊采用安美通公司的APC200A-43，該模塊采用高效的循環交織檢錯編碼技術，可以糾正24 bits連續錯誤，編碼增益近3 dBm；在1 200 bps傳輸速度模式下，能夠傳輸1 000 m的距離；具有512 Byte的數據緩沖區和UART/TTL、RS485及RS232等多種接口方式，選配靈活、嵌入方便。

字符液晶顯示屏LCD1602是基于HD44780液晶芯片制作而成，HD44780內置了DDRAM、CGROM和CGRAM。DDRAM是顯示數據RAM，用于寄存待顯示的字符代碼；HD44780內置的192個常用字符的字模，存于字符產生器CGROM中，8個允許用戶自定義的字符產生RAM，即為CGRAM。

圖4 遙控電路原理圖

2.2 控制電路設計

控制電路設計主要包含左、右電機的驅動電路設計、電磁鐵的驅動電路設計和升降電機的電路設計。左、右電機的驅動電路和電磁鐵的驅動電路完全一樣，均采用功率芯片BTN7971B進行驅動，升降電機的電路采用繼電器組的設計方式。

2.2.1 驅動電路設計

電機驅動電路原理圖如圖5所示。電機驅動電路采用大電流、半橋、高集成的貼片智能功率芯片BTN7971B，它主要應用于電機驅動，BTN7971B內部帶有一個P溝道的高邊MOS場效應管、一個N溝道的低邊MOS場效應管和一個集成驅動芯片，具有體積小、邏輯電平輸入、電流診斷、斜率調節、死區時間產生和過溫、過壓、欠壓、過流及短路保護的功能和特點，驅動電流可達70 A，Is引腳具有電流檢測功能，正常模式下，從Is引腳流出的電流與流經高邊MOS管的電流成正比。

兩片BTN7971B組成一個全橋電機驅動電路，單片機以高低電平方式控制INH使能端，以PWM方式通過一個反向芯片74F14控制兩片BTN7971B芯片的IN輸入端的電平狀態，實現電機的正、反向運行和停止等功能。

圖5 電機驅動電路原理圖

2.2.2 升降電機電路設計

升降電機電路原理圖如圖6所示。升降電路通過對繼電器組的高低壓切換完成對升降電機速度的控制，當控制電路收到遙控電路發送的升降電機動作指令后，繼電器KA1先將12V電壓送給控制電機運行的繼電器KA2和KA3觸點，單片機根據電機上升或下降要求分別對KA2和KA3進行控制，電機MD2加載的電壓是12 V，電機以較慢的速度運行；延遲幾秒后，KA1將24 V電壓加到KA2和KA3的觸點，此時電機MD2的輸入電壓變為24 V，電機以較塊的速度運行。

升降電路采用高低壓切換方式，該方式與直接采用高壓啟動方式相比，不僅負載提升流暢，而且能夠減少繼電器觸點燒蝕粘連而產生的短路故障。

圖6 升降電機電路原理圖

3 軟件設計

控制系統軟件分為遙控和控制兩部分，遙控程序主要功能是處理按鍵信號和對搖桿電位器信號進行AD采樣處理，將數據以串行傳輸的方式發送給無線收發模塊，無線收發模塊將數據進行編碼并通過天線發送給下位機的控制電路板，同時接收下機位控制電路板回傳的需要顯示的叉車狀態或貨物的重量信息。控制程序主要功能是通過無線收發模塊接收上位機遙控電路板的指令，并對指令類型進行分析，根據指令類別，對驅動電機進行前進/后退的PWM控制，對電磁鐵進行剎車/釋放控制，對繼電器組電壓進行控制，調節升降電機的運行速度，對重力傳感器進行貨物重力信號采樣和處理，最終將處理狀態和結果通過無線收發模塊回傳給上位機遙控電路板進行顯示。遙控程序流程圖和控制程序流程圖分別如圖7和圖8所示。

圖7 遙控程序流程圖

圖8 控制程序流程圖

4 結束語

分別從叉車電機控制系統的組成與功能、控制方式與控制原理、硬件電路設計和軟件設計等方面介紹了基于單片機的無線遙控電動叉車控制系統設計，該控制系統以單片機為核心，采用上下位機的控制方式，上位機發送命令和參數，顯示叉車狀態；下位機接收上位機指令，控制叉車運行，叉車的前進、后退、轉彎均采用PWM控制，叉車的升降采用高低壓切換控制。

該叉車控制系統操作靈活、響應迅速、遙控距離遠且叉車控制流暢，對同類型無線遙控電動叉車的控制系統設計有一定的參考和借鑒意義。

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Control system design of wireless remote control electric powered forklift based on single chip microcomputer

LIU Ao
（College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin150001，China）

Using the control mode of intelligent motor driver chip and upper and lower single chip microcomputer，designed a small wireless remote control electric powered forklift motor control system，this paper introduced the control system of component and principle to realize and the relevant parts selection，remote control circuit，motor drive circuit and lifting motor circuit of hardware and the software design.The control system was easy to operate，fast response and stable operation of the forklift.

wireless remote control；electric powered forklift；control system；single chip microcomputer

TN79

A

1674-6236（2017）23-0190-04

2016-10-09稿件編號：201610029

劉傲（1996—），男，湖北武漢人。研究方向：通信工程。