基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)解讀

1、編號(hào)農(nóng)春理工去學(xué).Changchun University of Science and Technology本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)Intelligent roadway sweeper hardwaredesign based on MCU學(xué)生姓名專(zhuān)業(yè)通信工程學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師學(xué)院電子信息工程學(xué)院2009年06月基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)摘要： 本文介紹基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)，包括單片機(jī)的選擇、硬件資源分配以及接口電路、傳感電路模塊、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、信息采集模塊、移動(dòng)控制模塊、 通信模塊、清掃機(jī)機(jī)械部件等的設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)中 , 通過(guò)采用一些高度集成的控

2、制芯片，優(yōu)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，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)行了探討。 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)；傳感電路；驅(qū)動(dòng)模塊；通信模塊AbstractThis paper introduces the roadway sweeper hardware design based on MCU, including the choice of single-chip, hardware resource all

3、ocation as well as the interface circuit, sensing circuit module, DC motor drive module, information acquisition module, the mobile control module, communication module the clean-up of the mechanical parts of the design, in design through the use of a number of highly integrated chips to control and

4、 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 discussed. An intelligent design, automation, information of the roadway

5、sweeper. Experimental results show that the sweeping intelligence platform with modular, extensible, portable, customizable hardware and small size, low power consumption and high reliability.Keywords： Intelligent cleaner； Mcs-51 ； sensing circuit ； drive module； Communication Module第一章緒論-.1-1.1 引言1

6、-1.2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1-1.3 本文研究的內(nèi)容3-第二章智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析.4-2.1 智能清掃機(jī)感知系統(tǒng)分析4-2.2 智能清掃機(jī)控制系統(tǒng)分析5-2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) -.5 -2.2.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)-.6-2.3 紅外遙控系統(tǒng)分析8-第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì).9-3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和框圖 .9-3.2 主機(jī)電路核心器件介紹 93.2.1 AT89C51主要性能參數(shù) -.9 -3.2.2 AT89C51 功能特性概述 .-.10-3.2.3 AT89C51 引腳功能說(shuō)明-.10 -3.3 看門(mén)狗IMP813L電路 12-3.4 繼電器控制電路 14-3.5 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路 1

7、5-3.6 紅外控制系統(tǒng)電路 16-3.7 液晶顯示電路 17-3.8 電源模塊18-第四章 軟件流程設(shè)計(jì) .20 -4.1 軟件總體設(shè)計(jì) 20-4.2 各部分流程設(shè)計(jì)2-1-第五章系統(tǒng)調(diào)試-.24 -結(jié)論-.2 5 -參考文獻(xiàn)-.2 6 -致謝-.2 7 -長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)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)的發(fā)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)械轉(zhuǎn)化。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外清掃機(jī)械的發(fā)展較快，并且已 經(jīng)達(dá)到先進(jìn)水平，

8、實(shí)現(xiàn)了道路清掃機(jī)械化，智能化。國(guó)內(nèi)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(chē)底盤(pán)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)的發(fā)展及城市的發(fā)展，就很有必要發(fā)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)性能的最重要部分,其性能好壞決定著清掃車(chē)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)狀及發(fā)展趨勢(shì)隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)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。 城市人工清掃的傳統(tǒng)作業(yè)方式在部分大中城市中，正在逐漸地為機(jī)

9、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)內(nèi)。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)。單從原理到結(jié)構(gòu)，只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國(guó)家70年代水平。即在通用汽車(chē)底盤(pán)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，結(jié)構(gòu)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)水平形成鮮明對(duì)比。國(guó)外清掃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀：國(guó)外清掃機(jī)發(fā)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(chē)一 直在孜孜不倦地提高其機(jī)械化水平。以美國(guó)ELGIN清掃機(jī)為例，其智能

10、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)械操作方式的消 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，內(nèi)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)作由分離變成組合， 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(chē)上使用了各種各樣的傳感器件，具體分布有：潤(rùn)滑油 一壓 力傳感器，副發(fā)動(dòng)機(jī)一溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，垃圾箱一荷重傳感器、物位傳 感器

11、、傾角傳感器，清掃用水一液位傳感器，重車(chē)用電一電量傳感器，發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn) 速顯示一計(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)行存儲(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(chē)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)部分主要體現(xiàn)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)具有若干個(gè)輸人和輸出，滿(mǎn)足了清掃 機(jī)57項(xiàng)功能需要，閉環(huán)系統(tǒng)又設(shè)計(jì)了反饋，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

12、制，實(shí)對(duì) 清掃過(guò)程中各任意組合的清掃狀況的控制同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象和各部分機(jī)具及 外部環(huán)境進(jìn)行不斷側(cè)并作出恰當(dāng)?shù)姆磻?yīng)。國(guó)內(nèi)清掃機(jī)技術(shù)現(xiàn)狀：國(guó)內(nèi)清掃車(chē)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)基本上采用了國(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) 一計(jì)算機(jī)技術(shù)以及直接制約和影響自動(dòng)化技術(shù)發(fā) 展的傳感檢測(cè)在國(guó)產(chǎn)清掃車(chē)上卻幾乎沒(méi)有應(yīng)用，這些大大制約了國(guó)內(nèi)清掃車(chē)機(jī)電一體化的發(fā)展水平。國(guó)產(chǎn)清掃車(chē)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)行了技術(shù)改造。在原

13、車(chē)的基礎(chǔ)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)行了以下幾個(gè)方面的工作。1、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)部分進(jìn)行 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)具有某種記憶功能，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)型的基礎(chǔ)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。具某些技術(shù)為國(guó)

14、內(nèi)首創(chuàng)，綜合性能為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到了 90 年代國(guó)際同類(lèi)產(chǎn)品的水平。現(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)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，降低了成本。但是次清掃機(jī)沒(méi)有達(dá)到智能化、信息化的要求，技術(shù)水平較國(guó)外落后。1.3本文研究的內(nèi)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)行硬 件電路的實(shí)現(xiàn)。本課題主要研究的內(nèi)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)實(shí)現(xiàn)智能清掃機(jī)測(cè)距、 自動(dòng)避障、自動(dòng)尋找清掃目標(biāo)、測(cè)量機(jī)

15、械部件受力等功能。(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)的局部自主控制功能。(4)在各電路模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成智能清掃機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，做出實(shí)物， 對(duì)智能清掃機(jī)體系中的重要環(huán)節(jié)進(jìn)行實(shí)際調(diào)試。-9 -第二章智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析2.1智能清掃機(jī)感知系統(tǒng)分析本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的智能清掃機(jī)具有測(cè)距、自動(dòng)避障、自動(dòng)尋找清掃目標(biāo)、測(cè)量 機(jī)械部件受力的功能。每一個(gè)功能均選用幾種不同類(lèi)型的傳感器進(jìn)行測(cè)量，再應(yīng) 用D-S融合算法把這些數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，最后得到我們需要的更加全面、準(zhǔn)確、可 靠

16、的反映環(huán)境特征的信息，指導(dǎo)清掃機(jī)的運(yùn)行。本系統(tǒng)具體傳感器的選用如下：(1)測(cè)距傳感器測(cè)距傳感器選用了三種類(lèi)型的傳感器：激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感 器。(2)避障傳感器避障傳感器選用了三種類(lèi)型的傳感器：激光傳感器、超聲傳感器、紅外傳感 器。(3)尋找目標(biāo)傳感器尋找目標(biāo)傳感器選用了兩種類(lèi)型的傳感器：紅外傳感器和光敏傳感器。(4)光電編碼器用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。(5)壓力傳感器壓力傳感器是用來(lái)檢測(cè)碰撞或者接觸信號(hào)的傳感器，選用了壓敏傳感器。壓敏傳感器是能根據(jù)受力大小，自動(dòng)調(diào)節(jié)輸出電壓或者電流，控制機(jī)械清掃部件施 力大小。激光傳感器選用的是DLS-A激光測(cè)距傳感器。該設(shè)備擁有許多卓越的性能

17、： 測(cè)程0.2-200m,串行接口( RS232或RS422),單根RS422線可連接多達(dá)10個(gè) 模塊，范圍寬廣的供電電壓(9-30V),可編程模擬輸出，兩個(gè)可編程數(shù)字輸出端， 數(shù)字輸出錯(cuò)誤信號(hào)，4個(gè)發(fā)光二極管用于顯示狀態(tài)信號(hào)，D型接口和螺旋接線端 便于連接，望遠(yuǎn)鏡適配器使得安裝非常簡(jiǎn)便，堅(jiān)固的鋁金屬外殼，IP65 (防止灰塵和水汽浸入)，完整的軟件配置，二等激光(<0.95mW),可利用三個(gè)M4螺旋 裝配。超聲傳感器選用的是中國(guó)大恒公司生產(chǎn)的 946系列超聲測(cè)距傳感器。946系 列采用超聲波原理，具有非接觸測(cè)量距離、易于目標(biāo)瞄準(zhǔn)、測(cè)量精度高、重復(fù)精 度高、抗干擾、高可靠等特點(diǎn)，特別適合

18、于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)使用。測(cè)量范圍0-6000mm,線性精度0.1%,聲波發(fā)射角5°,響應(yīng)時(shí)間500ms,工作電源10V。紅外傳感器選用的是紅外發(fā)光管 TLN205和紅外接收管TPS708。紅外發(fā)光管發(fā) 射紅外光，光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管接收，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì) 應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個(gè)0-3V的模擬電 壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。清掃機(jī)使用的光敏傳感器為硫化鎘光電管（CDS）。CDS的電阻值對(duì)較少的 光線就能產(chǎn)生較大的變化，是智能機(jī)械系統(tǒng)較為常用的一種光敏傳感器。光電編碼器選用的是E68S15旋轉(zhuǎn)編碼器。該編碼器分辨率為1024P/R,電源電

19、 壓DC5V 5%,紋波P-P: 5%以下，最大響應(yīng)頻率100kHz。壓敏傳感器采用KP200A/R壓敏電阻式壓力傳感器。KP200A/R壓敏電阻式 壓力傳感器系列是采用SMD封裝的微型壓力傳感器。他們能為價(jià)格作為苛求因 素的應(yīng)用提供固態(tài)可靠性。該單晶壓力靈敏圖不受材料疲勞影響（一種普通地機(jī) 械壓力傳感器失效模式）。標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)補(bǔ)償KP200A/R壓力傳感器系列既有絕對(duì)壓 力方式的型號(hào)，也有校準(zhǔn)壓力方式的型號(hào)。KP200A/R的封裝中還包括一個(gè)可用 于補(bǔ)償?shù)墓鐺T-系列溫度傳感器芯片。KP200A/R具有高靈敏度、高線性度、其 最大過(guò)載壓力至少為額定壓力的 4倍，因此有很高的性能。2.2 智能清掃

20、機(jī)控制系統(tǒng)分析2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。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(zhuān)門(mén)的控制卡和控制芯片來(lái)進(jìn)行控制的。 有了這些控制卡和芯片，我們所要做的就是把微 控制器

21、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)行介紹：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)法精確 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(pán)，來(lái)進(jìn)行 反饋，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)就比較簡(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?，F(xiàn)在也有很多控制 芯片帶調(diào)速功能的。選購(gòu)時(shí)要考慮的參數(shù)是電機(jī)

22、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

23、個(gè)減速箱來(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，比如一個(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。2.2.2 電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)清掃機(jī)需控制在一個(gè)合適的速度行駛， 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)。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)，

24、精確調(diào)整電動(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)下圖所示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。圖2.1 PWM調(diào)制電路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)脈沖周期內(nèi)，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)高低電平相反，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:單極性工作制。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

25、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)比較穩(wěn)定；并且在采用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM脈沖的軟件實(shí)現(xiàn)上比較方便。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 其精確，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

26、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)誤差在允許范圍，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，止匕時(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)精確調(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(chē)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效果最佳。我們選取脈沖頻率為 3

27、0Hz。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。由于紅外遙控裝置具有 體積小、功耗低、功能強(qiáng)、成本低等特點(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)射和接收兩大部分組成，應(yīng)用編/解碼專(zhuān)用集成電路芯片來(lái)進(jìn)行控制操作，如圖2.2所示。發(fā)射部分包括鍵盤(pán)矩陣、編碼調(diào)制、LED紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換

28、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)行紅外功能編碼，在機(jī)器人上，由于 單片機(jī)處理任務(wù)很多，因此選用專(zhuān)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(chē)的 CMOS大規(guī)模集成電路RX6B ,它有七個(gè)控制鍵來(lái)控 制小卡車(chē)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(mén)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。鍵盤(pán)編碼調(diào)制LED遙控發(fā)射器遙控接收器圖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AT

29、89C51單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。用測(cè)距傳感器完成測(cè)距， 利用激光傳感器、超聲傳感器完成自動(dòng)避障，用紅外傳感器和光敏傳感器自動(dòng)尋 找清掃目標(biāo)，用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，用壓敏傳感器測(cè)量機(jī)械部件受力情 況。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、停止的精確控制以及檢測(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)的內(nèi)部資源 ，降 低了總體設(shè)

30、計(jì)的成本。總系統(tǒng)框圖如圖 3.1所示。圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖3.2 主機(jī)電路核心器件介紹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 內(nèi)含4K bytes的可反復(fù)擦寫(xiě)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)，片內(nèi)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?xún)r(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)完全兼容長(zhǎng)春理工大學(xué)

31、畢業(yè)設(shè)計(jì).4K字節(jié)可重擦寫(xiě)Flash閃速存儲(chǔ)器.1000次擦寫(xiě)周期.全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz.128>8字節(jié)內(nèi)部RAM.32個(gè)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)內(nèi)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)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工 串行通信口，片內(nèi)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?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM,定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信

32、口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。3.2.3 AT89C51弓I腳功能說(shuō)明1P1DPOOPl：FOLPL2P02P13P03PL4P 居P15PD5P16PD6P17P07INTIF2DINTOP2IP22TiP23TOP24_P25EATVPF26P21XIvss至2VCCRESETRXD_TXDRDALE/聲而PSEN392383374笈53S634733832212 Q2215241425312627192S40184191017 n113n上9ATSAC51.VCC:電源電壓.GND:地.P0 : P0 口是

33、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(mén)電路，對(duì)端口寫(xiě)“1 可作為高阻抗輸入端用在訪問(wèn)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，在訪問(wèn)期間激活內(nèi)部上拉電阻。.P1 : P1 是一個(gè)攜帶內(nèi)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(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1；通過(guò)內(nèi)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)閮?nèi)部存在上拉電 阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（Iil）o.P2 : P2 是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的 8

34、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(mén)電路。對(duì)端口寫(xiě)“1；通過(guò)內(nèi)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)閮?nèi)部存在上拉電 阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流（Iil）o.P3 口 ： P3 口是一組帶有內(nèi)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(mén)電路。對(duì)P3 口寫(xiě)入“1時(shí)，它們被內(nèi)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：端口引腳第

35、二功能P3.0RXD（用行輸入口）P3.1TXD（用行輸出口）P3.2INTO（外中斷0）P3,3INT1（外中斷1）P3.4TO（定時(shí)/計(jì)數(shù)器0）P3.5T1（定時(shí)/計(jì)數(shù)器1）P3.6WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）P3.7RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）表3.1端口引腳第二功能表-11 -長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3.3 看門(mén)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)位電路的基本要求是：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)法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除

36、了充分利用單片機(jī)本身的看門(mén)狗 定時(shí)器(有些單片機(jī)無(wú)看門(mén)狗定時(shí)器)外，還需外加看門(mén)狗電路；除此以外，有些 單片機(jī)系統(tǒng)還要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(lèi)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(mǎn)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。WDO 二VccRESET IMP813L-27 -WDIGNDPFIPFO圖 3.3 IMP813L 芯片IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如圖所示，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

37、5腳為電源故障輸出；第6腳為看門(mén)狗輸入，第7腳為復(fù)位 輸出，第8腳為看門(mén)狗輸出。IMP813L的性能特點(diǎn)：IMP813L的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖所示，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。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(mén)限的典型值為 4.65V。(2)看門(mén)狗電路輸出。如果在1.6s內(nèi)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(mén)限值檢測(cè)器，第4腳為輸入，第5腳為輸出。當(dāng)?shù)?/p>

38、4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（AT89C51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 某種原因單片機(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(mén)限值4.65V時(shí)，IMP813L 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片

39、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1. 25V時(shí)，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)行電源 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。被檢測(cè)的電源PFIWDIVccPFQIMP613LRESETMRGNDTOOpl, 4INTIAT89C51Pl. 9圖3.4 IMP813L的典型應(yīng)用電路IMP813L是一體積小、功耗低、性?xún)r(jià)比高的帶看門(mén)狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位 芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便

40、，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 繼電器控制電路在電氣控制領(lǐng)域或產(chǎn)品中，凡是需要邏輯控制的場(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(mén)，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)行信號(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)

41、備按預(yù)定 的動(dòng)作程序進(jìn)行工作，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(chēng)為繼電器的激勵(lì)量，當(dāng)繼電器被激勵(lì)，從一個(gè)起始位置達(dá)到預(yù)定的 工作位置，并完成電路的切換動(dòng)作，稱(chēng)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。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)需要打開(kāi)，將垃圾送到垃圾漏斗。本設(shè)計(jì)共需2個(gè)繼電器控制交流接 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

42、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3.5所示。圖3.5繼電器控制電路圖3.5 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)電路等部分，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，考慮到單片機(jī)會(huì)受到驅(qū)動(dòng)部分的干擾，因此采用了光電耦合器 TLP521,把控制部分和驅(qū)動(dòng)部分隔離開(kāi)來(lái)。單片機(jī)輸出端口的電流一般

43、只有 20mA左右，不足以或者不能穩(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提供合適的驅(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1N5822 （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內(nèi)部H橋的上下兩個(gè)三極管會(huì)因?yàn)?開(kāi)閉時(shí)序交叉，導(dǎo)致同時(shí)打開(kāi)而短路，長(zhǎng)期使用狀態(tài)下會(huì)造成L298N發(fā)熱或燒毀。按照?qǐng)D3.6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 L29

44、8N,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。Pll b出一 F 世J ph j 眄15 0UIUiiAL區(qū)工R"I«IE.71tiCZ45£75*-I1LF521 讓.1 R8 IKU12A.470字,L室城 （I1LB5Z1U13AIU5Z1 X 型IIUR N一匚DIRJ FWMA、FWMBkRE五Fai .1 KlUKU13B ：一己=ITDPWMBrU?TLDIRIVCC 12VDTR2DIRIMOTO川啟 JDIR4PWMA 01a3 ' D

45、IR3 W04.ISO堂弘3如M L：S8NJ-心山圖3.6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路3.6 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74HC04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)的異步用行口 TX輸出的申行數(shù)據(jù)信號(hào)，送到與非門(mén)74HC00的輸入端。 與非門(mén)的另一輸入端接38KHZ的載波信號(hào)。與非門(mén)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。這樣就達(dá)到了用用行口TX輸出的申行數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制載波，進(jìn)行紅外數(shù)

46、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。因單片機(jī)在復(fù)位后，TXD腳為高電平，為滿(mǎn)足同步的要求，采用低電平同步脈沖，經(jīng)與非門(mén)（U3）后變成高電平同步脈沖。所以 單片機(jī)TXD發(fā)送的編碼應(yīng)是反碼。圖3.7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 德律風(fēng)根TFMS5380。德律風(fēng)根所 開(kāi)發(fā)的微型接收器TFMS5380是近期市場(chǎng)上最高效能的紅外接收器。同一組件內(nèi) 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）內(nèi)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CM

47、OS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的內(nèi)部框圖及構(gòu)成的接收電路。如圖3.8所示圖3.8 TFMS5380構(gòu)成的接收電路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600uso TFMS5380的應(yīng)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(mǎn)足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰?.7 液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)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

48、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。那么這個(gè)主要是 在程序設(shè)計(jì)的過(guò)程中，進(jìn)行初始化所決定的。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)然得找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在DM-162液品顯示模塊的相應(yīng)顯示位置的 RAM地址。然后進(jìn)行每個(gè)字符的寫(xiě)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

49、”的現(xiàn)象，因此需要手動(dòng)對(duì)10K的電位器進(jìn)行 對(duì)比度調(diào)整以達(dá)到顯示的良好效果。液晶顯示模塊的原理框圖如圖 3,9所示。它由以下幾個(gè)部件組成：?jiǎn)纹瑱C(jī) AT89C51、電源、液晶字符顯示部件 DM-162、電源供電部分。單片機(jī)部分：采用AT89C2051芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)DM-162的控制顯示字符顯示模塊：選才¥ 2行16個(gè)字的顯示容量.電源部分：+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)不用亮度的顯示字符即對(duì)比度的調(diào)整。顯示驅(qū)動(dòng)AT89C51電源供電DM-162圖3.9液晶顯示系統(tǒng)原理框圖3.8 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

50、電電池作為直流電源，如鉛酸電池、鍥氫電池、鋰鈕電池、鍥鎘電池、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，二是吸塵清掃系統(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。在選擇合適的直流電源時(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)分析對(duì)比，選用額定電壓為14.4V,容量為2200mAh的鍥鎘電

51、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，還需要選擇合適的電源穩(wěn)壓芯片，以將系 統(tǒng)電源 電壓穩(wěn) 定在耗能部件所需的 電壓范圍。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，選擇三端才I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，該模塊電路如圖3.10所示。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(mǎn)足系統(tǒng)電路的電氣隔離要求，

52、主控制器和其它功能部分需要與電機(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。圖3.10機(jī)載電源模塊供電電路原理圖圖3.10為該模塊選用的電源和電壓專(zhuān)換芯片。系統(tǒng)電源采用14.4V可充電鍥 鎘電池組，可充電次數(shù)約800次，充滿(mǎn)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部分提供 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，輸入電壓范圍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，因此成

53、本稍高。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。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)的模塊加入到控制器的使用庫(kù)中，調(diào)用各功能模塊,完成對(duì)硬件的操作。4.1軟件總體設(shè)計(jì)清掃機(jī)開(kāi)機(jī)啟動(dòng)液晶顯示系統(tǒng)啟動(dòng)各傳感器啟動(dòng)紅外接收系統(tǒng)啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)啟動(dòng)清掃和避障系統(tǒng)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)行狀態(tài)的流程圖。其中包括液晶顯 示系統(tǒng)、清掃機(jī)感知系統(tǒng)(即各傳感器模塊)、紅外接收系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、清掃 和避障等系統(tǒng)。(1)首先，啟動(dòng)清掃機(jī)電源，使

54、各模塊持續(xù)供電。(2)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)反饋實(shí)現(xiàn)。(3)啟動(dòng)清掃機(jī)感知系統(tǒng)，此項(xiàng)內(nèi)容主要作用是使清掃機(jī)對(duì)周?chē)h(huán)境有一個(gè) 了解，通過(guò)對(duì)周?chē)h(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)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。(4)啟動(dòng)紅外接收系統(tǒng)，等待接收紅外信號(hào)。(5)當(dāng)接收到清掃指令時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、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各部分流程設(shè)計(jì)圖4.2控制系統(tǒng)主流程圖控制系統(tǒng)主流程如圖4.2所示，任務(wù)是完成系統(tǒng)的

55、初始化。當(dāng)前方?jīng)]有障礙 物時(shí)，清掃機(jī)按照設(shè)定的路徑前進(jìn)。(1)首先初始化各工作單元，使所有從機(jī)處于接收地址幀狀態(tài)。(2)查詢(xún)各傳感器狀態(tài)執(zhí)行相應(yīng)服務(wù)程序，使所有傳感器都處在工作狀態(tài)，感受 被測(cè)量的信息，并將檢測(cè)感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號(hào)或其他所需 形式的信息輸出，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)控制。(3) LED顯示模塊啟動(dòng)，顯示清掃機(jī)工作狀態(tài)及機(jī)器運(yùn)行時(shí)間。(4)確定清掃機(jī)位置。(5)當(dāng)紅外接收機(jī)接收到紅外遙控器發(fā)出的清掃信號(hào)后將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號(hào)傳 給單片機(jī)，單片機(jī)經(jīng)處理將清掃指令傳給驅(qū)動(dòng)電機(jī)，清掃機(jī)開(kāi)始前進(jìn)。如果紅外 接收機(jī)未接收到紅外信號(hào)則清掃機(jī)繼續(xù)待命。圖4.3清掃壁障流程圖清掃壁障

56、流程圖如圖4.3,該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的 流程。紅外傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光， 光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收 管接收，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個(gè)模擬電壓，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。(2)由壓力傳感器感知障礙物性質(zhì)，判斷其是否是清掃機(jī)可清掃的垃圾。若可清掃 則由單片機(jī)向清掃機(jī)械電機(jī)發(fā)出清掃指令，執(zhí)行清掃命令，完成清掃后繼續(xù)等待 紅外傳感器接收信號(hào)。若不可清掃，判斷其為墻角類(lèi)障礙，此時(shí)累加器累加判斷為墻角的次數(shù)。判斷墻角累加次數(shù)的奇偶，若為奇數(shù)則通過(guò)控制電機(jī)調(diào)速模塊來(lái)控制左右輪速 度，控制清掃機(jī)行進(jìn)方向，使其左后轉(zhuǎn)行進(jìn)。若判斷為偶數(shù)，則使其右后轉(zhuǎn)行進(jìn)， 本過(guò)程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)的蛇形行進(jìn)清掃方式，盡可能提高清掃機(jī)清掃效率。第五章系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)過(guò)近三個(gè)多月的籌備，由我設(shè)計(jì)的基