基于-單片機(jī)智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)

1、-. z摘要本文是基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)、紅外遙控系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)、液晶顯示電路和供電系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中，優(yōu)化了系統(tǒng)的構(gòu)造，提高了系統(tǒng)的性能。對(duì)巷道清掃機(jī)設(shè)計(jì)中有關(guān)清掃系統(tǒng)構(gòu)成的方案、工作原理及特性等問(wèn)題進(jìn)展了探討。設(shè)計(jì)出一款智能化，自動(dòng)化，信息化的巷道清掃機(jī)。實(shí)驗(yàn)證明，該智能清掃機(jī)平臺(tái)具有模塊化、易擴(kuò)展、可移植、可定制、硬件體積小、功耗低及可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)鍵詞：智能清掃機(jī)單片機(jī)紅外遙控傳感器驅(qū)動(dòng)ABSTRACTThis paper introduces the roadway sweeper hardware design bas

2、ed on MCU, including the choice of single-chip, hardware resource allocation as well as the interface circuit, sensing circuit module, DC motor drive module, information acquisition module, the mobile control module, munication module the clean-up of the mechanical parts of the design, in design thr

3、ough the use of a number of highly integrated chips to control and optimize the structure of the system to improve the performance of the system. Design of the roadway in the cleaning of the cleaning system consisting of the program, working principle and characteristics of other issues were discuss

4、ed. An intelligent design, automation, information of the roadway sweeper. E*perimental results show that the sweeping intelligence platform with modular, e*tensible, portable, customizable hardware and small size, low power consumption and high reliability. Keywords：IntelligentRoadway SweeperMcs-51

5、Infrared Remote ControlSensor Drive-. z目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc233336016第一章緒論 PAGEREF _Toc233336016 h 1HYPERLINK l _Toc2333360171.1 引言 PAGEREF _Toc233336017 h 1HYPERLINK l _Toc2333360181.2技術(shù)現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc233336018 h 1HYPERLINK l _Toc2333360191.3 本文研究的容 PAGEREF _Toc233336019 h 3HYPER

6、LINK l _Toc233336020第二章智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc233336020 h 4HYPERLINK l _Toc2333360212.1智能清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc233336021 h 4HYPERLINK l _Toc2333360222.2 智能清掃機(jī)控制系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc233336022 h 5HYPERLINK l _Toc2333360232.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) PAGEREF _Toc233336023 h 5HYPERLINK l _Toc2333360242.2.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng) PAGEREF _T

7、oc233336024 h 6HYPERLINK l _Toc2333360252.3 紅外遙控系統(tǒng)分析 PAGEREF _Toc233336025 h 8HYPERLINK l _Toc233336026第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc233336026 h 9HYPERLINK l _Toc2333360273.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和框圖 PAGEREF _Toc233336027 h 9HYPERLINK l _Toc2333360283.2 主機(jī)電路核心器件介紹 PAGEREF _Toc233336028 h 9HYPERLINK l _Toc2333360293.2.

8、1 AT89C51主要性能參數(shù) PAGEREF _Toc233336029 h 9HYPERLINK l _Toc2333360303.2.2 AT89C51功能特性概述 PAGEREF _Toc233336030 h 10HYPERLINK l _Toc2333360313.2.3 AT89C51引腳功能說(shuō)明 PAGEREF _Toc233336031 h 10HYPERLINK l _Toc2333360323.3 看門狗IMP813L電路 PAGEREF _Toc233336032 h 12HYPERLINK l _Toc2333360333.4 傳感器系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc

9、233336033 h 14HYPERLINK l _Toc2333360343.4.1 超聲波傳感器檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc233336034 h 14HYPERLINK l _Toc2333360353.4.2 紅外光電傳感器檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc233336035 h 15HYPERLINK l _Toc2333360363.4.3 接觸傳感器檢測(cè)電路 PAGEREF _Toc233336036 h 15HYPERLINK l _Toc2333360373.5 繼電器控制電路 PAGEREF _Toc233336037 h 16HYPERLINK l _Toc233

10、3360383.6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc233336038 h 17HYPERLINK l _Toc2333360393.7 紅外控制系統(tǒng)電路 PAGEREF _Toc233336039 h 18HYPERLINK l _Toc2333360403.8 液晶顯示電路 PAGEREF _Toc233336040 h 19HYPERLINK l _Toc2333360413.9 電源模塊 PAGEREF _Toc233336041 h 20HYPERLINK l _Toc233336042第四章軟件流程設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc233336042 h 22HYPERLINK

11、l _Toc2333360434.1 總體軟件流程 PAGEREF _Toc233336043 h 22HYPERLINK l _Toc2333360444.2 紅外遙控系統(tǒng)流程 PAGEREF _Toc233336044 h 23HYPERLINK l _Toc2333360454.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程 PAGEREF _Toc233336045 h 25HYPERLINK l _Toc2333360464.4 清掃避障系統(tǒng)流程 PAGEREF _Toc233336046 h 25HYPERLINK l _Toc233336047第五章系統(tǒng)調(diào)試 PAGEREF _Toc233336047 h 2

12、7第六章 HYPERLINK l _Toc233336048結(jié)論 PAGEREF _Toc233336048 h 28HYPERLINK l _Toc233336049參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc233336049 h 29HYPERLINK l _Toc233336050致 PAGEREF _Toc233336050 h 30-. z第一章 緒論1.1 引言道路清掃機(jī)是道路養(yǎng)護(hù)機(jī)械中的主要機(jī)械之一，隨著城市道路事業(yè)的開(kāi)展和技術(shù)進(jìn)步，道路清掃工作作為保證道路的通過(guò)能力，延長(zhǎng)道路使用壽命的主要技術(shù)手段越來(lái)越重要。為了完成清掃任務(wù)降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高清掃速度和工作質(zhì)量，這項(xiàng)工作逐步由人工向機(jī)械

13、轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，國(guó)外清掃機(jī)械的開(kāi)展較快，并且已經(jīng)到達(dá)先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了道路清掃機(jī)械化，智能化。國(guó)有廠家引進(jìn)了國(guó)外先進(jìn)吸掃式清掃機(jī)工作裝置的生產(chǎn)技術(shù)，與國(guó)產(chǎn)汽車底盤配套生產(chǎn)清掃機(jī)，大大提高了國(guó)產(chǎn)清掃機(jī)的技術(shù)性能?；趩纹瑱C(jī)的智能巷道清掃機(jī)是當(dāng)前清掃機(jī)研究的前沿和熱點(diǎn)，隨著科學(xué)技術(shù)的開(kāi)展及城市的開(kāi)展，就很有必要開(kāi)展智能化，自動(dòng)化的道路清掃機(jī)。清掃裝置控制系統(tǒng)和清掃部件是決定清掃機(jī)性能的最重要局部,其性能好壞決定著清掃車的清掃效率。因此合理設(shè)計(jì)清掃裝置控制系統(tǒng)和清掃部件并提高其性能是清掃機(jī)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。1.2技術(shù)現(xiàn)狀及開(kāi)展趨勢(shì)隨著城市建立的迅速開(kāi)展，國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)和市容提出了越來(lái)越高的要求。城市人工清掃的

14、傳統(tǒng)作業(yè)方式在局部大中城市中，正在逐漸地為機(jī)械化清掃所代替。特別是一些城市的特定場(chǎng)所或高新小區(qū)。清掃機(jī)作業(yè)正在形成一種趨勢(shì)。目前，我國(guó)有幾個(gè)廠家生產(chǎn)清掃機(jī)。單從原理到構(gòu)造，只相當(dāng)于興旺國(guó)家70年代水平。即在通用汽車底盤上加裝掃路機(jī)構(gòu)組成，均為雙發(fā)動(dòng)機(jī)與同等清掃能力的國(guó)外先進(jìn)機(jī)型相比，構(gòu)造龐大、復(fù)雜，功能少，技術(shù)性能和可靠性差。與國(guó)外先進(jìn)技術(shù)水平形成鮮明比照。國(guó)外清掃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀：國(guó)外清掃機(jī)開(kāi)展起步較早，技術(shù)較先進(jìn)。自從英國(guó)的JOHNSTON公司1904年設(shè)計(jì)出馬拉的掃路機(jī)，美國(guó)的ELGIN公司于1914年研制出該公司第一部人力蹬踏的三輪掃路機(jī)以來(lái)，國(guó)外清掃車一直在孜孜不倦地提高其機(jī)械化水平。以美

15、國(guó)ELGIN清掃機(jī)為例,其智能化的控制 、優(yōu)越的性能、簡(jiǎn)單的控制操作、可靠的使用,對(duì)采用傳統(tǒng)機(jī)械操作方式的清掃機(jī)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一次技術(shù)上的革命。ELGIN清掃機(jī)功能動(dòng)作設(shè)計(jì)有57項(xiàng)之多，容包括了清掃機(jī)工作過(guò)程中所遇到的一切問(wèn)題。有清洗與吸水功能、噴灑水功能、吸泥管抽吸功能、垃圾箱傾倒功能、警示功能、記憶功能、自保護(hù)功能、檢測(cè)功能等。要把以上諸多功能動(dòng)作由別離變成組合，把個(gè)別無(wú)規(guī)則的變成有序的程序工藝，進(jìn)而成為一個(gè)智能型機(jī)械。ELGIN清掃機(jī)利用了傳感檢測(cè)技術(shù)及計(jì)算機(jī)技術(shù)。在ELGIN清掃車上使用了各種各樣的傳感器件，具體分布有：潤(rùn)滑油壓力傳感器，副發(fā)動(dòng)機(jī)溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，垃圾箱荷重傳感器、物

16、位傳感器、傾角傳感器，清掃用水液位傳感器，重車用電電量傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示計(jì)數(shù)式數(shù)字量傳感器。通過(guò)以上各種傳感器件的使用，得到清掃機(jī)控制所需要的各種信息，這些信息被送到控制器，由控制器進(jìn)展存儲(chǔ)、運(yùn)算、變換、加工等處理，發(fā)出相應(yīng)命令通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，使清掃車的機(jī)械本體完成規(guī)定動(dòng)作。在這里，控制器的作用猶如人的頭腦一樣。ELGIN清掃機(jī)的高技術(shù)局部主要表達(dá)在控制器的硬件及軟件的設(shè)計(jì)上，并使之成為一個(gè)完整的機(jī)電一化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有假設(shè)干個(gè)輸人和輸出，滿足了清掃機(jī)57項(xiàng)功能需要,閉環(huán)系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了反響，即從清掃控制過(guò)程的輸出獲得各種信息，又返回到輸人端，從而形成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)清掃過(guò)程的微機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)

17、清掃過(guò)程中各任意組合的清掃狀況的控制。國(guó)清掃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀：國(guó)清掃車研制起步較晚，清掃機(jī)的機(jī)電一體化程度與國(guó)外相比相對(duì)落后。80年代以后，國(guó)產(chǎn)清掃機(jī)根本上采用了國(guó)外80年代的先進(jìn)技術(shù)，如真空技術(shù)、液壓技術(shù)、電液操作等技術(shù)。清掃機(jī)的機(jī)電一體化水平相對(duì)有所提高。然而作為機(jī)電一體化技術(shù)的核心的技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)以及直接制約和影響自動(dòng)化技術(shù)開(kāi)展的傳感檢測(cè)在國(guó)產(chǎn)清掃車上卻幾乎沒(méi)有應(yīng)用，這些大大制約了國(guó)清掃車機(jī)電一體化的開(kāi)展水平。國(guó)產(chǎn)清掃車機(jī)電一體化的實(shí)現(xiàn)結(jié)合科研課題，我們針對(duì)國(guó)產(chǎn)清掃機(jī)的技術(shù)現(xiàn)況進(jìn)展了技術(shù)改造。在原車的根底上綜合利用計(jì)算機(jī)控制、傳感檢測(cè)等技術(shù),以提高其機(jī)電一體化水平。具體進(jìn)展了以下幾個(gè)方面的工作

18、。對(duì)清掃工況實(shí)現(xiàn)智能控制2、根據(jù)被控對(duì)象及其工作環(huán)境和工作特點(diǎn)，對(duì)該清掃機(jī)的以下幾個(gè)局部進(jìn)展了監(jiān)控：(1)水箱水位顯示、報(bào)警(2)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示、極限轉(zhuǎn)速報(bào)警(3)料箱料重的顯示、極限報(bào)警(4)吸塵系統(tǒng)真空度監(jiān)測(cè)、報(bào)警3、使清掃機(jī)具有*種記憶功能，能清楚反映總的清掃路程及本次清掃路程，使清掃機(jī)在清掃過(guò)程中實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障。航空工業(yè)總公司第二研究院所在考察了各國(guó)先進(jìn)機(jī)型的根底上，將其優(yōu)點(diǎn)融為一體，自行研制成功QSJ4-1型城市道路清掃機(jī)，通過(guò)了國(guó)家權(quán)威機(jī)構(gòu)的性能測(cè)試和部級(jí)鑒定。其*些技術(shù)為國(guó)首創(chuàng)，綜合性能為國(guó)領(lǐng)先，到達(dá)了90年代國(guó)際同類產(chǎn)品的水平?，F(xiàn)已投入小批量生產(chǎn)。QSJ4-1型清掃機(jī)使用單臺(tái)發(fā)動(dòng)

19、機(jī)，同時(shí)為行駛和作業(yè)提供動(dòng)能，于雙發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)型相比，省掉了一套傳動(dòng)系統(tǒng)所占的大量空間，減輕了清掃機(jī)裝備質(zhì)量，從而使承載容積和載荷能力大大增強(qiáng)荷重比 1:2，減少了噪聲，降低了本錢。但是次清掃機(jī)沒(méi)有到達(dá)智能化、信息化的要求，技術(shù)水平較國(guó)外落后。1.3 本文研究的容智能巷道清掃機(jī)是一種先進(jìn)的路面清潔工具。本文的任務(wù)，就是對(duì)其進(jìn)展硬件電路的實(shí)現(xiàn)。本課題主要研究的容有：1通過(guò)傳感器電路知識(shí)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用和單片機(jī)控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)智能清掃機(jī)的自主避障功能。2以AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心，完成驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。3學(xué)習(xí)紅外遙控系統(tǒng)的發(fā)射和接收系統(tǒng)，完成智能清掃機(jī)的紅外控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)

20、的局部自主控制功能。4查找顯示電路相關(guān)資料，完成智能清掃機(jī)時(shí)間及行駛速度的顯示。5在各電路模塊設(shè)計(jì)的根底上完成智能清掃機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)智能清掃機(jī)體系中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)展實(shí)際調(diào)試。第二章 智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析2.1智能清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)分析傳感器系統(tǒng)是清掃機(jī)的感覺(jué)器官,負(fù)責(zé)采集環(huán)境障礙物和自身狀態(tài)的信息，是清掃機(jī)的重要組成局部，由多傳感器及相關(guān)信號(hào)處理電路組成。在非構(gòu)造化環(huán)境下，傳感器系統(tǒng)為清掃機(jī)的正常工作發(fā)揮著無(wú)可替代的作用。清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)的性能越好，自動(dòng)避障和路徑規(guī)劃方案就越容易實(shí)現(xiàn)，控制系統(tǒng)的程序就更容易編寫和執(zhí)行，清掃機(jī)系統(tǒng)的整體性能也就越好。移動(dòng)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大致可以分為

21、傳感器和外傳感器兩大類。傳感器主要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比方速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器主要有測(cè)速發(fā)電機(jī)、加速度計(jì)、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比方圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺(jué)傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息，以實(shí)現(xiàn)機(jī)清掃機(jī)的自主避障。由此可見(jiàn)，傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機(jī)自動(dòng)避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對(duì)工作環(huán)境下的障礙物信息，可以通過(guò)外部傳感器獲得，移動(dòng)機(jī)器人上常用的探測(cè)障礙物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺(jué)傳感器等幾種。超聲波傳感

22、器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動(dòng)頻率高于聲波的機(jī)械波，由換能晶片在電壓的鼓勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器通過(guò)計(jì)算超聲波的發(fā)射接收時(shí)間間隔實(shí)現(xiàn)定量測(cè)距。超聲波傳感器波束較寬，方向性差，但是其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，探測(cè)距離遠(yuǎn)，采集信息速度快，且比一般視覺(jué)傳感器和激光測(cè)距儀都要廉價(jià)，因此在許多

23、方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測(cè)視角小、方向性好、信號(hào)處理簡(jiǎn)單和反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，但是其受環(huán)境影響較大，當(dāng)探測(cè)頭被灰塵等污染后，其探測(cè)性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測(cè)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號(hào)紅外、可見(jiàn)及紫外光輻射轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三局部組成。光電檢測(cè)方法具有精度高、反響快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的構(gòu)造簡(jiǎn)單，形式靈活多樣，它的探測(cè)距離比擬近，從幾個(gè)毫米到幾十厘米不等

24、。因此,光電式傳感器在檢測(cè)和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器通過(guò)與被測(cè)物體的接觸來(lái)確定被測(cè)物體的相關(guān)信息，如物體的存在與否、物體的形狀和位置、接觸面的壓力分布及大小等等。接觸傳感器主要有限位開(kāi)關(guān)、接觸開(kāi)關(guān)等，這些傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單、信號(hào)易處理、適應(yīng)能力強(qiáng)且價(jià)格低廉。由于超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸傳感器都具有價(jià)格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點(diǎn),因此廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的局部導(dǎo)航。經(jīng)過(guò)比照分析，本設(shè)計(jì)方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開(kāi)關(guān)、三種傳感器來(lái)構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機(jī)周邊位置上，通過(guò)相應(yīng)的信號(hào)處理電路與微處理器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器

25、系統(tǒng)信息做出避障決策，實(shí)現(xiàn)自主避障。2.2 智能清掃機(jī)控制系統(tǒng)分析本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心來(lái)控制驅(qū)動(dòng)器。并采用了PWM技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)展控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算到達(dá)準(zhǔn)確調(diào)速的目的。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)器就是驅(qū)動(dòng)清掃機(jī)的動(dòng)力部件，最常用的是電機(jī)了。當(dāng)然還有液壓、氣動(dòng)等別的驅(qū)動(dòng)方式。一個(gè)清掃機(jī)最主要的控制量就是控制清掃機(jī)的移動(dòng)，清掃機(jī)驅(qū)動(dòng)器中最根本和本質(zhì)的問(wèn)題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，就可以控制清掃機(jī)移動(dòng)的距離和方向，清掃機(jī)械的彎曲的程度或者移動(dòng)的距離等。所以，第一個(gè)要解決的問(wèn)題就是如何讓電機(jī)能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動(dòng)。一般來(lái)說(shuō)，有專門的控制卡和控制芯片來(lái)進(jìn)展控制的。有了這些控制卡和芯片

26、，我們所要做的就是把微控制器與其連接起來(lái)，然后就可以用程序來(lái)控制電機(jī)了。第二個(gè)問(wèn)題是控制電機(jī)的速度，在機(jī)器人上的實(shí)際表現(xiàn)就是機(jī)器人或者手臂的實(shí)際運(yùn)動(dòng)速度了，機(jī)器人走的快慢全靠電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這樣，我們就要求控制卡對(duì)電機(jī)有速度控制。電機(jī)目前常用的有兩種，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)。下面我將就這兩種電機(jī)進(jìn)展介紹：1、直流電機(jī)：這是最最普通的電機(jī)了。直流電機(jī)最大的問(wèn)題是你沒(méi)法準(zhǔn)確控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就前面所說(shuō)的位置控制。你必須加上一個(gè)編碼盤，來(lái)進(jìn)展反響，來(lái)獲得實(shí)際的圈數(shù)。但是直流電機(jī)的速度控制相對(duì)就比擬簡(jiǎn)單，用一種叫PWM脈寬調(diào)速的調(diào)速方法可以很輕松的調(diào)節(jié)電機(jī)速度。現(xiàn)在也有很多控制芯片帶調(diào)速功能的。選購(gòu)時(shí)要考慮

27、的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，電機(jī)的最高轉(zhuǎn)速。2、步進(jìn)電機(jī)：看名字就知道了，它是一步一步前進(jìn)的。也就是說(shuō)，它可以一個(gè)角度一個(gè)角度地旋轉(zhuǎn)，不像直流電機(jī)，你可以很輕松的調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角位置，如果你發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)10圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機(jī)，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過(guò)控制電機(jī)的頻率來(lái)獲得的。一般控制信號(hào)頻率越高，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。選購(gòu)時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)的輸出力矩，電機(jī)的功率，每個(gè)脈沖電機(jī)的最小轉(zhuǎn)角。還有就是關(guān)于輸出的動(dòng)力，要說(shuō)明一下：一般情況下，電機(jī)都沒(méi)法直接帶動(dòng)輪子或者清掃機(jī)械，因?yàn)樗俣冗^(guò)高力矩不夠大，所以我們需要加上一個(gè)減

28、速箱來(lái)增加電機(jī)的輸出力矩，但是代價(jià)是電機(jī)速度的減小，比方一個(gè)1：250的齒輪箱，會(huì)讓你電機(jī)的輸出力矩增大250倍，但是速度只有原來(lái)的1/250了。首先計(jì)算出清掃機(jī)所需要的速度與力矩大小，然后根據(jù)速度與力矩去選擇電機(jī)與減速器。電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)清掃機(jī)需控制在一個(gè)適宜的速度行駛，速度太快，因單片機(jī)對(duì)各傳感器傳來(lái)的信號(hào)有一個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，清掃機(jī)極易碰撞造成損壞。清掃機(jī)的速度是由后輪直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡(jiǎn)單，易與實(shí)現(xiàn)。圖2.1 PWM調(diào)制電路采用由晶體管組成的H型PWM調(diào)制電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管，使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，準(zhǔn)確調(diào)整電

29、動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。通過(guò)圖2.1所示PWM調(diào)制電路，用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。PWM各工作方式的選擇：1、PWM調(diào)速工作方式：方案1：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個(gè)脈沖周期，單片機(jī)的兩個(gè)控制口各輸出一個(gè)控制信號(hào)，兩信號(hào)上下電平相反，兩信號(hào)的高電平時(shí)差決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案2：?jiǎn)螛O性工作制。單極性工作制是單片機(jī)控制口的一端置低電平，另一端輸出PWM信號(hào)，兩口的輸出切換和對(duì)PWM的占空比調(diào)節(jié)決定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向和

30、轉(zhuǎn)速。由于單極性工作制電壓波形中的交流成分比雙極性工作制的小，其電流的最大波動(dòng)也比雙極性工作制的小，所以我們采用了單極性工作制。2、PWM調(diào)脈寬方式：調(diào)脈寬的方式有三種：定頻調(diào)寬、定寬調(diào)頻和調(diào)寬調(diào)頻。我們采用了定頻調(diào)寬方式，因?yàn)椴捎眠@種方式，電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)比擬穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比擬方便。3、PWM軟件實(shí)現(xiàn)方式：方案1：采用定時(shí)器作為脈寬控制的定時(shí)方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其準(zhǔn)確，誤差只在幾個(gè)us。方案2：采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案1，特別是在引入中斷后，將有一定的誤差。但是基于不占用定時(shí)器資源，且對(duì)于直流電機(jī)，采用軟件延時(shí)所產(chǎn)生的定時(shí)誤差在允許

31、圍，故采用方案2。PWM實(shí)現(xiàn)硬件如圖2.1所示，軟件過(guò)程為：令單片機(jī)P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時(shí)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確調(diào)速。脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz以上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但小車行駛時(shí)，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn)；脈沖頻率在10Hz以下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有跳躍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)證明脈沖頻率在2535Hz效果最正確。我們選取脈沖頻率為30Hz。2.3紅外遙控系統(tǒng)分析紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。由

32、于紅外遙控裝置具有體積小、功耗低、功能強(qiáng)、本錢低等特點(diǎn)，因而，繼彩電、錄像機(jī)之后，在錄音機(jī)、音響設(shè)備、空調(diào)機(jī)以及玩具等其它小型電器裝置上也紛紛采用紅外線遙控。工業(yè)設(shè)備中，在高壓、輻射、有毒氣體、粉塵等環(huán)境下，采用紅外線遙控不僅完全可靠而且能有效地隔離電氣干擾。為此，在本課題設(shè)計(jì)中采用紅外遙控裝置來(lái)控制智能清掃機(jī)的清掃方式及開(kāi)機(jī)與關(guān)機(jī)。通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大局部組成，應(yīng)用編/解碼專用集成電路芯片來(lái)進(jìn)展控制操作，如圖2.2所示。發(fā)射局部包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收局部包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路。紅外接收芯片選用TFMS5380。在遙控器上使用單片機(jī)進(jìn)展紅外功能

33、編碼，在清掃機(jī)上，由于單片機(jī)處理任務(wù)很多，因此選用專用的解碼芯片。解碼芯片是REALTEK公司生產(chǎn)的一種用于遙控小卡車的CMOS大規(guī)模集成電路R*6B，它有七個(gè)控制鍵來(lái)控制小卡車的移動(dòng) 。由于編碼和解碼的振蕩頻率必須一致，頻率的大小由OSCI和OSCO之間的電阻決定。4個(gè)紅外接收管的信號(hào)通過(guò)與門與芯片的輸入端 SI相連，使得解碼芯片在接收到任意方向的紅外線信號(hào)時(shí)都能正常工作 。LED編碼調(diào)制鍵盤遙控發(fā)射器光/電放大解調(diào)解碼遙控接收器圖2.2 紅外遙控系統(tǒng)第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和框圖本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器

34、完成自動(dòng)避障。用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)行進(jìn)、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停頓的準(zhǔn)確控制以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化組合,可以最大限度地利用AT89C51單片機(jī)的全部資源。P0口用于數(shù)碼管顯示，P1口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P2、P3口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：充分利用了單片機(jī)的部資源, 降低了總體設(shè)計(jì)的本錢?？傁到y(tǒng)框圖如圖3.1所示。單片機(jī)看門狗電路PWM調(diào)速電路紅外接收電路電機(jī)液晶顯示電路繼電器控制電路各傳感器電路清掃部件電機(jī)垃圾箱蓋電機(jī)圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖3.2 主機(jī)電路核

35、心器件介紹AT89C51是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片含4K bytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器PEROM和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器ROM，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片置通用8位中央處理器CPU和Flash存儲(chǔ)單元。功能強(qiáng)大AT89C51單片機(jī)可提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場(chǎng)合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。3.2.1 AT89C51主要性能參數(shù).與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容.4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器.1000次擦寫周期.全靜態(tài)操作：0Hz24MHz.1288字節(jié)部RAM.32個(gè)

36、可編程I/O 口線.2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器.6個(gè)中斷源.低功率空閑和掉電模式3.2.2 AT89C51功能特性概述AT89C51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K字節(jié)Flash閃速存儲(chǔ)器，128字節(jié)部RAM，32個(gè)I/0 口線，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5向量?jī)杉?jí)中斷構(gòu)造，一個(gè)全雙工串行通信口，片振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51可將至0Hz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式。空閑方式停頓CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存RAM中的容，但振蕩器停頓工作并制止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.2.3 AT89C51引腳功能說(shuō)明圖3.

37、2 AT89C51芯片.VCC：電源電壓.GND：地.P0口：P0口是一組8位漏極開(kāi)路型雙向I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)TTL邏輯門電路，對(duì)端口寫1”可作為高阻抗輸入端用在外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址低8位和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在期間激活部上拉電阻。.P1口：P1口是一個(gè)攜帶部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫1”，通過(guò)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)椴看嬖谏侠娮瑁?個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流IIL。.P2口：P2口是一個(gè)帶

38、有部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)端口寫1”，通過(guò)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)椴看嬖谏侠娮瑁?個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流IIL。.P3口：P3口是一組帶有部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級(jí)可驅(qū)動(dòng)吸收或輸出電流4個(gè)TTL邏輯門電路。對(duì)P3口寫入1”時(shí)，它們被部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流IIL。P3口除了作為一般的I/O口線外，更重要的用途是它的第二功能，如表3.1所示：表3.1 端口引腳第二功能表端 口 引 腳第 二 功 能

39、P3.0 R*D 串行輸入口P3.1 T*D 串行輸出口P3.2 外中斷0P3,3 外中斷1P3.4 T0 定時(shí)/計(jì)數(shù)器0P3.5 T1 定時(shí)/計(jì)數(shù)器1P3.6 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通P3.7 外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通3.3看門狗IMP813L電路幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對(duì)復(fù)位電路的根本要：在單片機(jī)上電時(shí)能可靠復(fù)位，在下電時(shí)能防止程序亂飛導(dǎo)致EPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)常工作，為了克制這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器(有些單片機(jī)無(wú)看門狗定時(shí)器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要

40、求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來(lái)，因掉電的發(fā)生往往是根隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時(shí)能告知單片機(jī)。IMP813L剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點(diǎn)及使用方法。圖3.3IMP813L芯片IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如下圖，引腳功能如下：第1腳為手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效；第2、3腳分別為電源和地；第4腳為電源故障輸入；第5腳為電源故障輸出；第6腳為看門狗輸入，第7腳為復(fù)位輸出，第8腳為看門狗輸出。IMP813L的性能特點(diǎn)：IMP813L的部構(gòu)造框圖如下圖，具有以下主要性能特點(diǎn)：由圖可知該芯片具有以下主要性能特點(diǎn)：(1)復(fù)位輸出。

41、系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時(shí)，第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出，復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms，高電平有效，復(fù)位門限的典型值為4.65V。(2)看門狗電路輸出。如果在1.6s沒(méi)有觸發(fā)該電路(即第6腳無(wú)脈沖輸入)，則第8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。(3)手動(dòng)復(fù)位輸入，低電平有效，即第1腳輸入一個(gè)低電平，則第7腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。(4)1.25V門限值檢測(cè)器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。當(dāng)?shù)?腳電壓低于1.25V時(shí)，第5腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。IMP813L的典型應(yīng)用電路：IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖3.4所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例，IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C

42、51的第9腳)；第6腳與單片機(jī)的P1.4相連。在軟件設(shè)計(jì)中，P1.4不斷輸出脈沖信號(hào)，如果因*種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P1.4無(wú)脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使IMP813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門限值4.65V時(shí)，IMP813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。電源故障輸入PFI通過(guò)一個(gè)電阻分壓器監(jiān)測(cè)未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于125V時(shí)，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)展

43、電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來(lái)。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對(duì)電源故障告警。圖3.4 IMP813L的典型應(yīng)用電路IMP813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場(chǎng)合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。3.4 傳感器系統(tǒng)電路 超聲波傳感器檢測(cè)電路超聲波發(fā)射脈沖是由P3.7口輸出的，由于P3口的輸出電流最大不過(guò)20mA，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波束，因此需要參加放大電路以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。圖3.5為發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路，圖中J2的1、2引腳分別接超聲波發(fā)生器的兩個(gè)端腳，PULSE接控制器P3

44、.7口，這里采用了兩級(jí)與非門74LS00來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，電路簡(jiǎn)單實(shí)用。接收器接收到的超聲回波也是mv級(jí)的，為了能夠觸發(fā)中斷，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)展放大、整形，其信號(hào)接收電路如圖3.6所示，圖中J1的1、2引腳分別接超聲波接收器的兩個(gè)端腳，INT1接控制器P3.3口。采用放大器LM324將接收信號(hào)兩級(jí)放大，放大信號(hào)經(jīng)過(guò)比擬器LM339調(diào)理成方脈沖，再經(jīng)過(guò)非門74HC14整形后送入控制器外部中斷INT1口，觸發(fā)外部中斷。為了濾去干擾信號(hào)，電路中還適當(dāng)接入了一些電容。圖3.5 發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路圖3.6 回波接收電路 紅外光電傳感器檢測(cè)電路本文選用JY043W型紅外反射式傳感器。紅外光電傳感器檢測(cè)單元信號(hào)處理

45、電路如圖3.7所示，圖中J17為紅外光電傳感器接口其引腳1、2分別紅外光電傳感器的發(fā)射腳和接收腳，引腳3為紅外光電傳感器的發(fā)射管和接收管共用接地端，OUT1接控制器P2.0口另外五路檢測(cè)單元分別接控制器的P2.1P2.4口，ZHISHI1為其它五組檢測(cè)單元LED指示燈共用端，R15為發(fā)射限流電阻用以將發(fā)射管的發(fā)射電流限定在1020mA左右。當(dāng)接收管接收到反射回來(lái)的紅外光時(shí)，接收管導(dǎo)通，比擬器LM324的3端輸入低電平，使得3端電壓小于2端的門檻電壓，則輸出端1腳輸出低電平，指示燈L3被點(diǎn)亮。圖3.7 紅外光電傳感器檢測(cè)電路 接觸傳感器檢測(cè)電路3.8 接觸傳感器檢測(cè)單元接口電路接觸傳感器通過(guò)與目

46、標(biāo)物體的接觸來(lái)識(shí)別障礙物。這種傳感器構(gòu)造簡(jiǎn)單，裝卸方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。鑒于清潔機(jī)器人構(gòu)造緊湊、便于裝卸的要求，本文選擇RV-163-1C25型微動(dòng)開(kāi)關(guān)作為接觸傳感器，該型號(hào)開(kāi)關(guān)構(gòu)造小巧，使用簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)無(wú)需調(diào)理。接觸傳感器檢測(cè)單元的接口電路如圖3.8所示，圖中OUT7接控制器P2.7口端口另一檢測(cè)單元接P2.8口，R1為指示燈L1的限流電阻，A1為接觸傳感器，其1腳接地。當(dāng)觸碰到障礙物時(shí)，探測(cè)簧片被壓下，傳感器的1腳和3腳導(dǎo)通，工作電路形成回路，OUT1端輸出低電平，指示燈L1被點(diǎn)亮。OUT1端輸出的低電平能夠直接被控制器識(shí)別。3.5 繼電器控制電路在電氣控制領(lǐng)域或產(chǎn)品中，但凡需要邏輯控制的

47、場(chǎng)合，幾乎都需要使用繼電器，從家用電器到工農(nóng)業(yè)應(yīng)用，甚至國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，可謂無(wú)所不見(jiàn)。繼電器是一種利用各種物理量的變化，將電量或非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁力有觸頭式或使輸出狀態(tài)發(fā)生階躍變化無(wú)觸頭式，從而通過(guò)其觸頭或突變量促使在同一電路或另一電路中的其它器件或裝置動(dòng)作的一種控制元件。根據(jù)轉(zhuǎn)化的物理量的不同，可以構(gòu)成各種各樣的不同功能的繼電器，以用于各種控制電路中進(jìn)展信號(hào)傳遞、放大、轉(zhuǎn)換、連鎖等，從而控制主電路和輔助電路中的器件或設(shè)備按預(yù)定的動(dòng)作程序進(jìn)展工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和保護(hù)的目的。被轉(zhuǎn)化或施加于繼電器的電量或非電量稱為繼電器的鼓勵(lì)量，當(dāng)繼電器被鼓勵(lì)，從一個(gè)起始位置到達(dá)預(yù)定的工作位置，并完成電路的切

48、換動(dòng)作，稱為繼電器的工作特性，包括吸合和松開(kāi)，保持與釋放狀態(tài)。當(dāng)輸入量變化到高于它的吸合值或低于它的釋放值時(shí)，繼電器動(dòng)作，對(duì)于有觸頭式繼電器其觸頭閉合或斷開(kāi)，對(duì)于無(wú)觸頭式繼電器起輸出發(fā)生階躍變化，以此提供一定的邏輯變量。圖3.9繼電器控制電路智能清掃機(jī)是把垃圾送到垃圾箱，在執(zhí)行清掃動(dòng)作時(shí)垃圾箱閉合，向垃圾箱投放垃圾時(shí)需要翻開(kāi)，將垃圾送到垃圾漏斗。本設(shè)計(jì)共需2個(gè)繼電器控制接觸器，一個(gè)接帶動(dòng)清掃部件的電動(dòng)機(jī)。另一個(gè)控制垃圾箱蓋閉合。經(jīng)考慮采用4123無(wú)極12V直流控制24V的交流繼電器，并利用光耦合器件P521和MCU隔開(kāi)。89C51的P1初始值為0FFH，所以加一個(gè)74LS04反相器使得繼電器初

49、始不產(chǎn)生閉合，使用MC1413為無(wú)源驅(qū)動(dòng)器，IN4007組成繼電器的續(xù)流二極管。電路圖如圖3.9所示。3.6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路包括驅(qū)動(dòng)器、光電隔離模塊以及驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路等局部，如圖3.6所示。在具體電路中，由于單片機(jī)使用5V弱電，而電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓為12V或者更高，考慮到單片時(shí)機(jī)受到驅(qū)動(dòng)局部的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制局部和驅(qū)動(dòng)局部隔離開(kāi)來(lái)。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有20mA左右，缺乏以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)光電耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，為光電耦合器TLP521提供適宜的驅(qū)動(dòng)電流。驅(qū)動(dòng)器保護(hù)電路由8個(gè)高速大電流肖恩特二極管1N582

50、2圖中D1D8組成，用來(lái)消除電機(jī)在起停、制動(dòng)及換向時(shí)產(chǎn)生的反電勢(shì)。保護(hù)二極管最好采用高速大電流的開(kāi)關(guān)管，否則反向恢復(fù)時(shí)間太長(zhǎng)，L298N部H橋的上下兩個(gè)三極管會(huì)因?yàn)殚_(kāi)閉時(shí)序穿插，導(dǎo)致同時(shí)翻開(kāi)而短路，長(zhǎng)期使用狀態(tài)下會(huì)造成L298N發(fā)熱或燒毀。圖3.10驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路按照?qǐng)D3.10所示電路，系統(tǒng)工作時(shí)，單片機(jī)P1口輸出的控制信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，控制電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)只需改變PWM調(diào)速脈沖本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)速。3.7 紅外控制系統(tǒng)電路紅外發(fā)射電路由455KHZ的晶振CRY，反相器7

51、4HC04及電阻、電容構(gòu)成的振蕩器產(chǎn)生455KHZ的方波信號(hào)。經(jīng)脈沖分頻器74LS92，六分頻成為75.83KHZ的脈沖信號(hào)。再經(jīng)過(guò)D觸發(fā)器構(gòu)成的2分頻/整形電路變成38KHZ的方波信號(hào)。由單片機(jī)的異步串行口T*輸出的串行數(shù)據(jù)信號(hào)，送到與非門74HC00的輸入端。與非門的另一輸入端接38KHZ的載波信號(hào)。與非門的輸出信號(hào)用來(lái)控制三極管的開(kāi)通或關(guān)斷，從而控制紅外發(fā)射管發(fā)送信息。這樣就到達(dá)了用串行口T*輸出的串行數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制載波，進(jìn)展紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。發(fā)射電路的調(diào)制采用的是時(shí)分制幅度鍵控調(diào)制方式。圖3.11 紅外發(fā)射電路設(shè)計(jì)中采用一種高效能的紅外接收器TFMS5380。TFMS5380是近期

52、市場(chǎng)上最高效能的紅外接收器。同一組件已裝上了接收二級(jí)管和前置放大器。TFMS5380特點(diǎn)：(1)單一的接收器和前置放大器的組合。(2)超敏感度和傳送距離。(3)置PCM頻率過(guò)濾器。(4)無(wú)外置組件需要。(5)超強(qiáng)光及電場(chǎng)干擾屏蔽。(6)TTL及CMOS兼容，適用于微處理器操作控制。(7)可選頻率由30KHZ至56KHZ。(8)低功耗。(9)ISO9000認(rèn)可。TFMS5380適用于數(shù)據(jù)傳送、電視機(jī)、錄像機(jī)、組合音響及衛(wèi)星接收器等。TFMS5380的部框圖及構(gòu)成的接收電路。如圖3.12所示該接收電路要求被接收的紅外光波長(zhǎng)在950um左右，被調(diào)制信號(hào)的脈沖寬度不小于600us。TFMS5380的應(yīng)

53、用電路非常簡(jiǎn)單。實(shí)驗(yàn)證明，TFMS5380的性能良好，完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?。圖3.12 TFMS5380 構(gòu)成的接收電路3.8 液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過(guò)與單片機(jī)連接，編程，完成顯示時(shí)間及清掃機(jī)行進(jìn)速度的功能。DM-162液晶顯示模塊的字符顯示，可分為好幾種顯示模式，這主要取決于對(duì)具體的應(yīng)用。如靜態(tài)的顯示，還是動(dòng)態(tài)的左移或者右移顯示。則這個(gè)主要是在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，進(jìn)展初始化所決定的。因此，在使用之前先確定使用的目的，選擇好顯示的方式，當(dāng)然得

54、找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在DM-162液晶顯示模塊的相應(yīng)顯示位置的RAM地址。然后進(jìn)展每個(gè)字符的寫入顯示。在使用的過(guò)程中，還得注意的一點(diǎn)是，可能是顯示驅(qū)動(dòng)電壓的不穩(wěn)定性，或者是由于驅(qū)動(dòng)電壓的過(guò)高，會(huì)形成一種鬼影的現(xiàn)象，因此需要手動(dòng)對(duì)10K的電位器進(jìn)展比照度調(diào)整以到達(dá)顯示的良好效果。液晶顯示模塊電路如圖3.13所示。它由以下幾個(gè)部件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51、液晶字符顯示部件DM-162、電源供電局部。單片機(jī)局部：采用AT89C51芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)DM-162的控制顯示字符顯示模塊: 選擇2行16個(gè)字的顯示容量.電源局部： +5V電壓供電，維持系統(tǒng)的正常工作,同時(shí)加載10K電位器以適應(yīng)不用亮度的

55、顯示字符即比照度的調(diào)整。圖3.13液晶顯示系統(tǒng)電路3.9電源模塊電源模塊是清掃機(jī)系統(tǒng)的生命源，一般情況下，都是采用無(wú)線纜的機(jī)載可充電電池作為直流電源，如鉛酸電池、鎳氫電池、鋰錳電池、鎳鎘電池、鋰離子電池和聚合物電池等。清掃機(jī)電能消耗主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：一是驅(qū)動(dòng)和控制電路的消耗，二是清掃系統(tǒng)工作時(shí)的消耗。耗能部件所需的電壓、電流以及對(duì)電源的穩(wěn)定性要求等都存在不同，在設(shè)計(jì)電源模塊的供電方案時(shí)，需要分別加以考慮。在選擇適宜的直流電源時(shí)需要重點(diǎn)考慮以下兩個(gè)方面的因素：質(zhì)量和體積：清掃機(jī)系統(tǒng)機(jī)載電源的質(zhì)量應(yīng)盡可能輕，體積應(yīng)盡可能小，以節(jié)約電能消耗并便于安裝。額定電壓和容量：根據(jù)耗能部件對(duì)電壓、電流的

56、要求大致確定機(jī)載電源的額定電壓和容量等參數(shù)。經(jīng)過(guò)分析比照，選用額定電壓為14.4V，容量為2200mAh的鎳鎘電池組。該電池組可反復(fù)充電800次以上，質(zhì)量輕，體積小，輸出電流為2A時(shí)可連續(xù)工作1個(gè)小時(shí)以上。選定機(jī)載直流電源后，還需要選擇適宜的電源穩(wěn)壓芯片，以將系統(tǒng)電源電壓穩(wěn)定在耗能部件所需的電壓圍。本設(shè)計(jì)選擇5V穩(wěn)壓模塊WRB1205S-1W為控制系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)提供5V電源，選擇三端穩(wěn)壓芯片L7805為移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)電路提供不共地5V電源。機(jī)載電源模塊為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)提供必需的電力，圖3.14為該模塊選用的電源和電壓專換芯片。該機(jī)器人系統(tǒng)使用直流電源，機(jī)載電源模塊為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊電路提供5V

57、工作電壓，即圖中S_5V所示，電機(jī)的工作電壓由直流電源直接提供。為了滿足系統(tǒng)電路的電氣隔離要求，主控制器和其它功能局部需要與電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊不共地的5V電壓，即圖中的VCC所示。圖中J4、J5為電源電壓VCC_12V輸出接口，J8、J9為VCC電壓輸出接口。系統(tǒng)電源采用14.4V可充電鎳鎘電池組，可充電次數(shù)約800次，充滿電后的輸出電壓可達(dá)15V左右。采用WRB1205S-1W芯片為主控制器和其它功能局部提供5V電壓，WRB1205S-1W芯片為寬電壓輸入、隔離穩(wěn)壓輸出的電源轉(zhuǎn)換集成芯片，輸入電壓圍918V，輸出5V，最大輸出電流200mA，自然冷卻，使用方便。由于其性能穩(wěn)定，使用可靠，因此本錢稍

58、高。采用L7805芯片為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊提供單獨(dú)的5V電壓，由于輸入電壓較高，發(fā)熱較大，因此需要加裝散熱片。圖3.14機(jī)載電源模塊供電電路第四章 軟件流程設(shè)計(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式。首先用匯編語(yǔ)言把系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊編出,然后把這些編譯過(guò)的模塊參加到控制器的使用庫(kù)中,調(diào)用各功能模塊,完成對(duì)硬件的操作。4.1總體軟件流程開(kāi)場(chǎng)初始化并開(kāi)中斷啟動(dòng)各電路模塊收到前進(jìn)命令.啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)遇到障礙.前進(jìn)啟動(dòng)清掃和避障系統(tǒng)完畢NYNY圖4.1 總流程圖總流程圖如圖4.1所示，是整個(gè)清掃機(jī)運(yùn)行過(guò)程的流程圖。其中包括初始化整個(gè)系統(tǒng)、啟動(dòng)各電路模塊、等待接收命令、啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)障礙、啟動(dòng)清掃避障

59、系統(tǒng)、完畢清掃等過(guò)程。 首先，啟動(dòng)清掃機(jī)電源，使各模塊持續(xù)供電。(2) 啟動(dòng)各電路模塊，啟動(dòng)液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運(yùn)行時(shí)間。此過(guò)程通過(guò)軟件編程控制液晶顯示系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向單片機(jī)控制系統(tǒng)反響實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)，此項(xiàng)容主要作用是使清掃機(jī)對(duì)周圍環(huán)境有一個(gè)了解，通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的感知來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距、清掃、避障。本過(guò)程主要是通過(guò)單片機(jī)控制各傳感器及傳感器向單片機(jī)反響來(lái)實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)紅外接收系統(tǒng)，等待接收紅外信號(hào)。(3) 當(dāng)接收到前進(jìn)指令時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。(4) 當(dāng)遇到障礙時(shí)啟動(dòng)清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過(guò)程是整個(gè)清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過(guò)程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.2 紅外遙控系

60、統(tǒng)流程圖 4.2 紅外發(fā)射電路流程圖發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.2所示主程序中設(shè)置串口工作方式1和定時(shí)器T1方式2是為了發(fā)射按鍵代碼時(shí)產(chǎn)生2000b/s的波特率；定時(shí)器T0工作方式2是用來(lái)在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號(hào)。有按鍵下時(shí)產(chǎn)生外部中斷0，存放器R5和R4中存放的數(shù)據(jù)是用來(lái)控制1 min 的定時(shí)時(shí)間。1 min之無(wú)按鍵，則遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定時(shí)器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產(chǎn)生38kHz的載波信號(hào)，此信號(hào)為方波信號(hào)。外部中斷0的中斷程序用于判斷按鍵并發(fā)射按鍵代碼，同時(shí)還包括按鍵去抖動(dòng)和檢查設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位。局部程序如下：MOV TMOD,*22 ；設(shè)置定時(shí)器T0和T1工