《以AT89C52主控芯片的遙控挖掘機控制系統(tǒng)設計》11000字（論文）

I以AT89C52主控芯片的遙控挖掘機控制系統(tǒng)設計目錄TOC\o"1-2"\h\u18802摘要 2320721緒論 35691.1研究背景及意義 3237401.2國內外的發(fā)展限制及研究趨勢 4289581.輪式挖掘機 4267272.履帶式挖掘機 4175783.步履式挖掘機 428761.3遙控挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢 51041.4研究目標和研究內容 7300612.控制系統(tǒng)的開發(fā)設計 7192503.可視化系統(tǒng)采集及傳輸 7215311.5研究方法和手段 8247422遙控控制系統(tǒng)的總體設計 9131532.1總體設計方案 9183092.2遙控挖掘機整體結構分析 9178691.系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性 10153062.系統(tǒng)的可拓展性和實用性 10257313.系統(tǒng)的標準性和安全性 10293704.供電方式 10301115.人機接口豐富 10205452.3總體設計方案 1047602.4小結 1182713控制器的硬件設計 12221823.1總體硬件設計 12153873.2硬件系統(tǒng)基本電路 14157463.3信息收集電路 156223.4其他元器件電路 15319893.5硬件系統(tǒng)的可靠設計 188753.6小結 18225474控制系統(tǒng)軟件總體設計和可視化系統(tǒng)的實現(xiàn) 198784.1控制軟件的總體設計 1984674.2總流程方案設計 19220014.2開關程序開關檢測設計 2018274.3通信模塊程序設計 21226854.4可視化系統(tǒng)的主要結構 23306374.6小結 24225185Keil程序編寫和Proteus仿真分析 25222405.1軟件介紹 25128615.2挖掘機工作原理仿真 25126795.3小節(jié)總結 26293046總結 27231426.1研究總結 27114686.2存在的不足之處 2714264參考文獻 28摘要目前市場上生產遙控式挖掘機，僅用于農田水利，道路平整，面對大工程卻無法滿足。需逐步向中大型發(fā)展，其中性能方面上更是要求進一步提升，如可靠性、安全性和智能自主學習性。針對當前不足，為提高挖掘機的遙控操作化，消除危及操作者的生命安全及成本和提高效率。本文以AT89C52主控芯片、keilc51和Proteus為設計平臺，設計遙控挖掘機控制系統(tǒng)，主要內容如下：1.根據(jù)控制系統(tǒng)的要求及操作距離，選擇有關的遙控方式，設計遙控軟硬件電路。2.分析滿足系統(tǒng)的控制要求功能，采用模塊化設計編程，根據(jù)運動控制功能。在上進行平臺開發(fā)模擬完成各模塊間的控制功能的程序設計。3.分析可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)過程及原理，提出現(xiàn)有方案和設計，降低遙控風險，提升遙控及工作效率。實踐驗證表明，設計的遙控控制系統(tǒng)符合當前市場需要，對后續(xù)功能的更新也有一定的保障，給遙控挖掘機在搶險、救援、高溫工作等領域的出現(xiàn)給予實用性的支持，具有非常的研究意義。關鍵詞：單片機；遙控挖掘機;可視化；Proteus仿真1緒論1.1研究背景及意義隨著國家經濟高速發(fā)展，科學技術不斷更新。新建鐵路，礦山開采、港口建設、城鎮(zhèn)建設、農田水利設施等領域中對工程機械的要求不斷提高，而挖掘機作為工程機械中的重要機械之一，挖掘機行業(yè)得到了快速增長，并逐步向節(jié)能、半自動、智能化及自主監(jiān)控發(fā)展的趨勢[1][2]。早在上世紀八十年代，國外早已對遙控挖掘機進行深入研究，不過由于當時技術條件限制，未能實現(xiàn)發(fā)動機油門控制及功率優(yōu)化，傳動挖掘精確、反饋監(jiān)測信息等，使當時的遙控挖掘機實用性大打折扣，開發(fā)出半自主工作方式成為了泡沫。隨著經濟全球化的不斷發(fā)展，科學技術水平不斷提高，伴隨經濟貿易全球化不斷加深，更隨著以機械和微機控制一體化產品的高新技術產業(yè)不斷崛起，控制理論和控制技術不斷完善甚至成熟，更伴隨著新的液壓元器件的研發(fā)誕生，不但使?jié)M足遙控挖掘機的實用性可以成為現(xiàn)實，而且為智能挖掘機及智能挖掘機器人的研究提供了一個探索與未知的世界。當前社會，第一生產力由科學技術決定，國家的科技水平深度層次決定了能夠掌握的生產資料和生產力，進一步體現(xiàn)了這個國家的在國際中的地位與話語權及未來前景。目前，工程車輛應用非常廣泛，特別是在經濟建設中較為突出，而挖掘機就是最為常見的一種工程機械，當前國內外現(xiàn)有的挖掘機大多數(shù)操作都是有人工來完成，操作者不僅需要較為熟練的操作技巧，而且需要有足夠的經驗及判斷力，目測并同時完成幾個操縱手柄才能完成工作循環(huán)中提升，推壓及回轉協(xié)調功能。作業(yè)環(huán)境一般情況下較為惡劣，常有噪聲，塵埃、震動，有時甚至面臨塌方、輻射、爆炸以及化學物等威脅，這種情況下的工作將嚴重威脅工作者的身心健康，并伴隨著作業(yè)時勞動強度大[3]，體力和腦力更是消耗極大，在上述場合作業(yè)，危險系數(shù)將不斷上升。為減少操作者在工作中面臨的危及生命安全隱患，選擇遙控操作是一種不錯的選擇方式[4]。因此該課題研究具有非常必要實用的價值。而遙控挖掘機的核心部分關鍵在于控制系統(tǒng)，設計高可靠的遙控挖掘機控制系統(tǒng)將影響其使用范圍和生產效率，關系未來前景發(fā)展，因此遙控挖掘機控制系統(tǒng)的設計具有極其重要的作用。1.2國內外的發(fā)展限制及研究趨勢1.2.1挖掘機控制系統(tǒng)的國內外研究控制系統(tǒng)是挖掘機的核心，其不同類型的控制系統(tǒng)決定了挖掘機的種類，以市場需求為主，共有以下三種分類：輪式挖掘機輪式挖掘機常用于小工程方面上，城鎮(zhèn)綠化帶、建筑收尾工作、農田水利建設中常見。采用位置傳感器檢測油門踏板位置確定發(fā)動機轉速。履帶式挖掘機其中又可分為微小、中大型、大型挖掘機，主要用于各種土石工程、道路平整等。擁有自己的油門旋鈕控制系統(tǒng)，在智能、節(jié)能方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢。步履式挖掘機步履式挖掘機是為了適用山區(qū)地形運用而生的特種挖掘機，其控制系統(tǒng)與履帶式挖掘機無差別，主要差別在地盤方面上，步履式挖掘機集成了輪胎和支撐地面的支撐爪的支腿，比履帶式控制系統(tǒng)較為復雜一些，靈活性能優(yōu)異。液壓技術的廣泛應用，使挖掘機有了較為理想的動力裝置，隨著控制技術廣泛應用，使挖掘機的控制系統(tǒng)日益完善，隨著機、電、液一體化技術在產品上的廣泛應用的必然趨勢，是改造傳統(tǒng)產業(yè)和提升的必由途徑[5]。雖國內挖掘機起步較晚，受技術限制在控制系統(tǒng)方面上還存在較大差距，但堅信隨著國家改革開放的不斷深入，在引進與自主開發(fā)相結合的原則下，國產高技術、智能化液壓挖掘機是可以逐步實現(xiàn)的。1.3遙控挖掘機的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢1.3.1國外狀況上世紀七十年代中期，國外制造廠商為提升產品競爭力而開始研制基于電子控制技術的挖掘機，率先在挖掘機領域帶來了根本性變革。其中以智能化，效率高、自動化，安全性好的方向發(fā)展得到廣泛應用。1980年的初期，美國的制造廠商KraftTeleRobtics和JohnDeer都相繼成功研制并開始生產銷售遙控挖掘機。其中，較為令人耳熟的是690CR型液壓無線遙控挖掘機，其遙控作業(yè)有限距離達到了1525米，當時機器設有攝像機，可將挖掘機工況及周邊環(huán)境通過圖像傳輸給操作者，但由于現(xiàn)場環(huán)境惡劣，容易進灰，攝像頭易被遮擋，其發(fā)動機故障診斷系統(tǒng)也無法傳給操作者，影響設計和使用效果[9]。1983年3月，日本株式會社小松制作所研制出一款以PC200R-2型液壓挖掘機為基礎機型，完成了對其工作裝置的微動控制和復合執(zhí)行動作的無線電遙控改造與操控。即可以進入救災現(xiàn)場，塌方挖掘等惡劣現(xiàn)場作業(yè)并原操作方式不發(fā)生改變，但沒有更新技術，控制系統(tǒng)兩端之間難以實現(xiàn)同時通信，如出現(xiàn)危險意外時，不能及時發(fā)現(xiàn)并阻止其動作。1987年，德國HBC公司成功研制并應用于工程車輛領域的工業(yè)無線電遙控裝置，對礦山機械、履帶清渣裝載機等工程機械提出了一系列的無線電遙控作業(yè)的解決方案。2003年，澳大利亞機器人中心研制出智能挖掘機器人，解決遙控過程中的液壓缸壓力控制問題，最終目標是實現(xiàn)全自動挖掘任務[6]。2008年，韓國蔚山大學研究設計出一款現(xiàn)場挖掘機器人的遠程控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)用無線射頻方式發(fā)送遙控操作桿信號達到操控目的，使用labVIEW軟件實現(xiàn)操作現(xiàn)場視頻采集[7]。1.3.2國內狀況國內對工程車輛遙控開始研究晚于國外，總體水平發(fā)展落后于西方發(fā)達國家。1986年同濟大學最早開發(fā)了微機操縱的挖掘機正鏟試驗平臺，進行挖掘機規(guī)劃控制方面的研究，1988年浙江大學機械設計研究所研制出微機控制的反鏟試驗平臺[8]。該所于1996年初研制出結構簡單，價格低廉的優(yōu)勢，通過目測觀測挖掘工作面，利用無線電開關信號控制液壓挖掘機各油壓缸工作，實現(xiàn)簡單工作。2000年9月該所于WY-3.5試驗型智能挖掘機器人為研究平臺，在故障診斷，控制策略及機器人規(guī)劃控制方面取得較大突破。1998年中國科學院沈陽自動化所與撫順挖掘機廠合作，基于國產小型挖掘機WY-1.3為試驗平臺，利用機器人技術完成了挖掘水平作業(yè)時的仿真與運動分析，對鏟斗進行了電液比例位置控制。徐工工程機械集團有限公司于2010年推出了XE40小型遙控式挖掘機，遙控有效范圍在100M左右，實現(xiàn)傾斜角度的限制，回轉對中、復位等功能，統(tǒng)一控制系統(tǒng)的運行標準，發(fā)揮了復合型設備的優(yōu)勢。2010年上海中南大學于與湖南山河智能裝備集團合作，開發(fā)出SWEROB2009及SWE230E、SEW17E智能系列挖掘機，集成了可視化遙控操縱關鍵技術、工作裝置軌跡控制技術等先進技術，并有蘭州理工大學的蔣保珠[9]、翟延華[10]在此方面的研究、三一重工也在2011年申請了一項有關于挖掘機遙控系統(tǒng)的發(fā)明專利，進一步推動國內遙控挖掘機的發(fā)展。從目前的整體情況來看，國內挖掘機及遙控技術方面起步研究相對較晚，整體發(fā)展水平落后于國外，盡管近些年有加大力度研究，同時國內外工程機械制造商一同將挖掘機增加遙控式操作這一新技術面向市場，提高挖掘機的可視信息化，自動化及人工智能操作化。但分析線市場的整體需求及綜上所述，當前的遙控式操作挖掘機的技術研究還存在著幾個問題：1.目前市面上沒有基于中大型挖掘機研制的遙控挖掘機，對于面臨塌方，流石、煤炭開采、毒氣廢氣粉塵、戰(zhàn)場工程保障等需要不能滿足，其中大型挖掘機在其控制系統(tǒng)方面，動力學參數(shù)及液壓系統(tǒng)性能方面與其微小型挖掘機有別具一格的特性，需研究及完善中大型挖掘機遙控式操作才能解決需求。2.目前的技術限制著傳輸系統(tǒng)的時效準確型，成本方面居高，智能化程度及高效節(jié)能和安全實用性有進一步優(yōu)化的空間，遠程視距及超視距方面，以及對可兼容基礎通信方式遙控研究較少，對此以上問題也是研究遙控挖掘機控制系統(tǒng)需考慮及解決的方面。1.4研究目標和研究內容本文主要研究以中大型履帶式液壓挖掘機的基礎上，滿足礦區(qū)開采、戰(zhàn)場工程保障、救援搶險等領域的需求目標上，繼續(xù)深挖未來發(fā)展方向及社會需求為主要對象。通過增加一套基于電液比例控制的遙控操作方式，滿足日常手動操作與遙控操作的切換。本文通過在此基礎上開展遙控挖掘機控制系統(tǒng)設計，本文的研究內容主要包括以下幾個方面：1.無線遙控的建立根據(jù)日常所需及救援搶險時的特殊環(huán)境，考慮滿足多媒體數(shù)據(jù)流數(shù)據(jù)及低延時及高遙控距離的情況下選擇其通信網絡。2.控制系統(tǒng)的開發(fā)設計控制器是遙控挖掘機控制系統(tǒng)的關鍵組成部分，用于實現(xiàn)整機的整體控制及無線通信功能，作為關鍵部分自然要能滿足當前的需求更能不斷更新?lián)Q代，主要功能采用模塊化設計。3.可視化系統(tǒng)采集及傳輸可視化系統(tǒng)可對挖掘機周邊環(huán)境顯示及其工作狀態(tài)性能的獲取。通過手持遙控設備Socket或其他通信連接方式，實現(xiàn)與目標設備建立通信。根據(jù)不同功能要求，應有簡單，實用、美觀等特點。本論文結構安排如下：第一章：介紹課題研究背景和意義，對國內外挖掘機控制系統(tǒng)及遙控挖掘機技術的現(xiàn)狀研究提出不足，簡要概述本論文的主要工作及論文結構安排。第二章：控制系統(tǒng)總體設計。通過分析系統(tǒng)功能及整機結構和主要性能配置，設想出該遙控控制系統(tǒng)的總體結構方案。第三章：針對遙控控制系統(tǒng)的整體要求，給出控制器主要功能部分硬件選擇和設計開發(fā)。第四章：遙控控制系統(tǒng)的軟件設計。根據(jù)控制器功能及設計要求，進而給出各個功能的元件選型及實現(xiàn)。第五章：遙控控制系統(tǒng)功能測試。本章主要根據(jù)系統(tǒng)的硬件功能、可視化系統(tǒng)功能等進行測試。第六章：總結與展望。對全文進行總結，結合技術創(chuàng)新和不足，進一步提出研究方向。1.5研究方法和手段（1）通過查閱相關文獻與科研資料，結合國內外對該遙控系統(tǒng)設計的發(fā)展情況，充分發(fā)展和運用所學車輛工程有關部分知識；（2）根據(jù)自己所學的知識，設計控制系統(tǒng)的工作原理，并制定整個控制的設計方案，使得遙控控制系統(tǒng)能夠滿足預期的目標功能；（3）通過國產軟件立創(chuàng)EDA和國外軟件AltiumDesigner電路圖軟件對系統(tǒng)的電路進行硬件、PCB設計；（4）通過C++程序和keilC51編譯環(huán)境編寫控制程序；（5）使用Proteus仿真軟件進行搭建仿真電路，加載程序進行系統(tǒng)仿真。

2遙控控制系統(tǒng)的總體設計2.1總體設計方案控制系統(tǒng)作為遙控挖掘機的核心控制部分，其節(jié)能、可靠、及穩(wěn)定性直接影響著整機的性能[11]?；诠こ虣C械車輛無線遙控系統(tǒng)的主要方案及設計思想，本章將以AT89C52嵌入式設計、控制要求和系統(tǒng)功能需求、整體結構等進行分析，提出遙控挖掘機控制系統(tǒng)的總體設計方案。2.2遙控挖掘機整體結構分析遠程遙控系統(tǒng)主要是由遙控終端加車載終端兩個部分和一個無線通信網絡組成。在兩端中間采用的無線通信網絡可用于可視化系統(tǒng)及數(shù)據(jù)傳輸。如圖2-1是整體結構圖。圖2-1通過市場調研結合已有的產品特點，根據(jù)行業(yè)的特殊性、現(xiàn)狀相關標準和用戶需求，參考相關文獻及文獻所述的系統(tǒng)模型并對其產品優(yōu)化和功能完善后，本系統(tǒng)設計將擁有以下工業(yè)產品的特點：1.系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性挖掘機工作環(huán)境惡劣，連續(xù)工作對本身系統(tǒng)的可靠性要求較高，為保持系統(tǒng)穩(wěn)定運行，必須將控制系統(tǒng)的可靠性放在第一位。系統(tǒng)的設計必須從結構、性能、元件選型、技術支持及售后方面得到有力的可靠性保障[12]。2.系統(tǒng)的可拓展性和實用性本產品開發(fā)就是面向國內廣大挖掘機制造廠商，需產線豐富，功能齊全，有較強的伸縮延展性，可自由用戶選擇。3.系統(tǒng)的標準性和安全性因本產品是工程機械用品，需符合有關國家標準和行業(yè)標準規(guī)范，進一步用人性化的角度去設計開發(fā)，可嘗試著防跌落和放碰撞，如遇掉落，自動切斷無線遙控。4.供電方式手持端通常情況下是由鋰電池供電，車載端由車輛蓄電池供電，發(fā)動機啟動后可由發(fā)電機減壓帶動，供電不足時，可有提示情況或語音提示。5.人機接口豐富遙控系統(tǒng)作為操作人員與執(zhí)行機構的中介環(huán)節(jié)，可自主監(jiān)測已執(zhí)行結果或反映系統(tǒng)狀態(tài)信息。包括JTAR，蜂鳴器、LED指示燈等。2.3總體設計方案系統(tǒng)總體方案是軟硬件設計開發(fā)的依據(jù)，合理正確的方案能夠提高系統(tǒng)開發(fā)效率。本文所設計的控制系統(tǒng)主要采用AT89C52控制系統(tǒng)，由控制器部分、可視化系統(tǒng)圖形（HDMI顯示或AV模式視頻）部分部分進行詳細設計?？刂葡到y(tǒng)的設計首先就是要搭建平臺，選擇控制器，如圖2-1所示就是硬件系統(tǒng)構架圖。硬件部分主要采用模塊化方法進行設計[13]，就是為了減小電路設計的復雜程度，增加系統(tǒng)的可拓展性和靈活性，系統(tǒng)主要功能模塊如下：CPU微控制器模塊：CPU作為核心控制部件，可完成運算及控制。電源模塊：挖掘機上的蓄電池是直流電壓24V，而各芯片需要不同的幅值，包含啟動電路和復位電路及外圍的一些傳感器也需要供電，此部分需要列出單獨的電源轉化模塊。各輸入輸出I/O模塊。l/O接口是主機與被控對象進行信息交換的\t"/item/i/o%E6%8E%A5%E5%8F%A3/_blank"紐帶?？赡馨ㄒ蕴涌诤蚏S-232接口。數(shù)據(jù)采集與處理。發(fā)動機信息的數(shù)據(jù)、攝像頭接口及按鈕和遙桿傳感器等信息都需要進行收集并分析和優(yōu)化控制。顯示模塊。這里分為可視化系統(tǒng)的顯示模塊設計和挖掘機當前工況的信息，這里主要介紹的是可視化系統(tǒng)；通過攝像頭實時接收到的圖像進行顯示，提高遙控效率和遠程監(jiān)控。無線傳輸模塊：通過在車載端與遙控端之間建立的無線通信鏈路，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸。2.4小結本章主要介紹在遙控挖掘機的整機結構的需求基礎上，分析并選擇了控制系統(tǒng)，最后確定了遙控挖掘機控制系統(tǒng)的總體設計。本章為后續(xù)系統(tǒng)各部分的設計與實現(xiàn)打下堅實的基礎。

3控制器的硬件設計控制器作為整個系統(tǒng)的核心部分，而硬件設計做為系統(tǒng)的核心，直接著系統(tǒng)性能。為保障控制器的可靠性、穩(wěn)定性、拓展性采用嵌入式微機控制器。本章介紹控制器的硬件設計，闡述各硬件模塊的設計與實現(xiàn)。3.1總體硬件設計根據(jù)遙控挖掘機控制系統(tǒng)的功能要求以及通過模塊化設計提高開發(fā)效率。本文以AT89C52主控芯片為核心，將硬件電路共劃分成幾個功能模塊，包括：電源電路、數(shù)據(jù)采集模塊、程序調節(jié)模塊、顯示模塊、通信接口、驅動電路及其他外圍電路。硬件整體結構如圖示3-1。圖3-1本文遙控終端在系統(tǒng)上需要使用簡單操作系統(tǒng)的支持來實現(xiàn)可視化的數(shù)據(jù)采集、無線傳輸及處理控制功能，同時考慮其成本、性能、功耗、可拓展編程性、可靠性等其他方面的要求，選擇了使用AT89C52系列微控制器來解決本次設計中使用主控芯片的問題。該設備是Atmel公司生產的產品，工藝高密度，擁有非易試性儲存技術，40個引腳，32個雙向IO口，并集成了2個16作為定時器/計數(shù)器REF_Ref22228\r\h[14]。而從本次研究設計出發(fā)，選擇這款AT89C52的芯片。如圖示3-4是核心板實物。圖3-4AT89C52正面圖該芯片的管腳管理如如圖3-5所示。圖3-5AT89C52管腳圖3.2硬件系統(tǒng)基本電路3.2.1遙控接收端電源電路設計電源的穩(wěn)定可靠才能使控制系統(tǒng)正常工作及發(fā)揮其穩(wěn)定性能，在電路設計中，不僅需要為器件提高各種高性能的功率輸出，還包括選擇合適的旁路，去耦電容以及濾除各種干擾信號?，F(xiàn)目前挖掘機電控系統(tǒng)及車載電氣設備大部分使用24V直流電，結合匹配機制以及抑制高壓浪涌、限流、轉換等預處理問題后再進一步轉換成各功能模塊所需電源。電源管理方面需考慮外圍電路需求和遙控挖掘機啟動瞬間可能有高壓沖擊、負載突變，同時需考慮工作溫度和電路設計等綜合考慮。如下圖3-6所示是電源轉換電路示意圖。圖3-6電壓轉換示意圖其中，電源設計方面設計使用AnalogDevices公司的LT4363IS-1芯片進行抑制浪涌和穩(wěn)壓，使電壓穩(wěn)定輸入。然后使用友臺半導體公司的UMW-LM2596HVS電容芯片把電壓從24V降到5V；再采用德州儀器公司的TPS63020電容芯片把電壓從5V轉換到3.3V，保證外圍電路（通信電路、CAN、RS-232）的穩(wěn)定及可靠性型。其中，24V降壓至5V電源轉換電路如圖3-7所示，圖3-724V轉5V電壓3.2.2遙控發(fā)射端電源設計遙控發(fā)射端的電源設計與遙控接收端大同小異，差別主要在于供電電壓上，遙控接收端微挖掘機直流24V供電，而遙控發(fā)射端則考慮到續(xù)航、節(jié)能等因素，則采用12V電源電壓設計，12V轉成5V的電源設計同樣使用友臺半導體公司的UMW-LM2596HVS電容芯片。設計電路圖如圖3-6所示，只是把24V電源輸入變成12V電源輸入，達到一樣的效果。而5V轉成3.3V的電源設計就采用某公司生產的AMS1117-3.3V。電路穩(wěn)壓設計如圖3-8所示。圖3-85V轉3.3V電壓3.3信息收集電路為保障遙控準確性以及穩(wěn)定性，需要采集遙控挖掘機的各種信息，包括各種開關，傳感器信號、搖桿、按鈕等操作元件，對其遙控安全性增加一份保證，目前系統(tǒng)需要的采集的有模擬信號采集電路和數(shù)字信號采集電路。3.3.1開關量信號采集電路根據(jù)市場上現(xiàn)有的挖掘機功能，需要的開光量不多，決定直接用開關信號來模擬挖掘機底盤燈燈光和臂燈燈光的開啟與閉合。同時，確保遙控質量，采用無線發(fā)射與接收。3.4其他元器件電路3.4.1無線數(shù)傳模塊無線數(shù)傳芯片的選型在本設計中舉足輕重，是保證能得到較為理想的通信效果前提，是保證遙控信號的傳輸效率。為減少開發(fā)周期同時兼顧數(shù)據(jù)傳輸方式、功耗、供電電壓、接收靈敏度等情況，綜合考慮選擇了 HC-12型無線傳輸模塊。該模塊擁有433Mhz發(fā)射頻率，四種不同工作模式，高達100mW（20dBm）發(fā)射功率，還自內置MCU，通過串口和外部設備進行通信等，如表3-9所示為HC-12無線傳輸模塊的參數(shù)。表3-9HC-12無線傳輸模塊的參數(shù)參數(shù)名稱參數(shù)值參數(shù)名稱參數(shù)值型號HC-12模塊尺寸27.4×13.2×4mm通信接口UART3.3V~5.5VTTL電平工作頻段433.4~473.0MHz工作電壓3.2~5.5V天線接口彈簧天線/天線插座通信電平3.3V/5V電平工作濕度10％~90％發(fā)射功率20dBm（MAX）工作溫度-25℃~+75℃參考距離1000m通信高達1000M以上等特點，完全可滿足本設計要求。實物如圖3-17所示。圖3-10無線傳輸實物圖該功能模塊的與單片機相接的原理圖如圖3-11所示。圖3-11無線模塊與單片機之間的連接3.4.2攝像頭模塊攝像頭模塊是可視化系統(tǒng)的主要采集工具之一，合適穩(wěn)定的攝像頭有助于視頻采集質量的保證，是獨立于遙控系統(tǒng)之外的系統(tǒng)，因此可視化系統(tǒng)的設計與遙控系統(tǒng)無交互，設計獨立在此選擇市面上較為成熟的攝像頭即可，本小節(jié)不多贅述。3.4.3復位電路日常生活使用中，可能會有系統(tǒng)亂碼，程序缺失等，導致系統(tǒng)無法工作，為保證系統(tǒng)可靠性，必須設計上電的復位電路[15]，設計如圖3-19所示。圖3-19復位電路3.5硬件系統(tǒng)的可靠設計硬件系統(tǒng)的可靠設計是整個系統(tǒng)的保證，是穩(wěn)定工作的可靠前提，更是整機系統(tǒng)的生命線。本環(huán)節(jié)從已從前面所述中選了元器件，接下來的電路設計和PCB設計、層疊、光繪、散熱等都交給專業(yè)的公司去設計和生產，故此不再多贅述。3.6小結本章介紹了控制系統(tǒng)的控制器硬件設計電路。根據(jù)現(xiàn)實要求和AT89C52主控芯片的特性確定一系列的硬件方案設計，接著把設計方案和想要的功能及元器件交給廠商加工生產。

4控制系統(tǒng)軟件總體設計和可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)控制系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性和可靠性離不開硬件的支持，更需要軟件系統(tǒng)的支持，更新與優(yōu)化。本小節(jié)將闡述如是實現(xiàn)軟件程序開發(fā)與實現(xiàn)。4.1控制軟件的總體設計結合遙控器系統(tǒng)的需求和硬件電路的設計，軟件設計需要完成的主要工作有以下幾個方面：系統(tǒng)初始化。例如時鐘電路、定時器、中斷器及UTAR等配置問題。數(shù)據(jù)采集程序初始化。例如搖桿模塊的ADC信息初始化，多個開關量的按鍵程序設計。無線通信設計。包括HC-12芯片寄存器，發(fā)射和接收的程序設計。串口程序設計。主要能在發(fā)射器與接收器之間的內部數(shù)據(jù)進行互傳，設置傳輸波特率[16]等。4.2總流程方案設計整個系統(tǒng)軟件設計主程序流程如圖4-1所示，按下點火開關后，單片機開始工作，進行電機、鍵盤模塊進行初始化，初始化完成之后就開始進入while(1)循環(huán)中一行一行的執(zhí)行代碼。4.2開關程序開關檢測設計按照硬件的連接配置，使開關量采集通道高電平、低電平有效的響應情況，同時設定一個延時10ms的定時器來采集每一次所有的通道的開關量的狀態(tài)，然后輸出給AT89C52RD2控制芯片即可。如圖4-1示是Proteus仿真開關按鍵。圖4-1開關仿真按鍵4.3通信模塊程序設計在3.4.1小節(jié)中介紹了無線傳輸模塊，與單片機的連接很簡單，直接連上即可，然后通過USB串口連接電腦設定串口通信波特率后，在keilC51上編好串口通信編程燒錄進去即可通信。程序示例；#include"uart.h"UARTUart={0};//新建一個結構體voidUART_Configure(u16BaudRate)//初使化函數(shù){u8TH1_Dat;switch(BaudRate){case1200:TH1_Dat=0xE8;break;case2400:TH1_Dat=0xF4;break;case4800:TH1_Dat=0xFA;break;case9600:TH1_Dat=0xFD;break;case14400:TH1_Dat=0xFE;break;} TMOD&=0x0F;TMOD|=0x20;SCON=0x50;TH1=TH1_Dat;TL1=TH1;PCON|=0x00;EA=1;ES=1;TR1=1;}voidUART_SendByte(u8dat)//單字符發(fā)送{SBUF=dat;while(!TI);//等待發(fā)送數(shù)據(jù)完成TI=0;}voidUART_Send(u8*arr,u16len)//多字符發(fā)送{u16i;for(i=0;i<len;i++){SBUF=arr[i];while(!TI);//等待發(fā)送數(shù)據(jù)完成TI=0;}}voidUART_SendStr(u8*str)//字符串發(fā)送{while(1){if(*str=='\0')break;SBUF=*str++;while(!TI);TI=0;//清除發(fā)送完成標志位}}voidUART_RX_BUFF_Clear(void)//接收緩存數(shù)據(jù)清除{u16i; for(i=0;i<USART_RX_LEN;i++) { Uart.RX_BUFF[i]=0;//用于數(shù)據(jù)處理 //Uart.RX_BUFF[i]='\0';//用于文本處理 }}voidUART_IRQHandler(void)interrupt4//串口中斷函數(shù){if(RI==1){ RI=0;//清除RI硬件接收中斷標志 Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT++]=SBUF; if(Uart.RX_COUNT>=USART_RX_LEN)Uart.RX_COUNT=0; if((Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT-2]=='/')&&(Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT-1]=='/'))//結束符"http://" { Uart.RX_OKFlag=1;//=1表示接收完成 Uart.RX_OK_LEN=Uart.RX_COUNT;//記錄接收長度 } }}4.4可視化系統(tǒng)的主要結構可視化系統(tǒng)的主要目的是顯示挖掘機工作運行狀態(tài)和作業(yè)環(huán)境情況的實時視頻[17]，向操作者反饋當前的操作信息，更好判斷挖掘機的工作，提升效率。為此可視化系統(tǒng)的主要功能有：視頻實時顯示模塊、音頻傳輸模塊。其中視頻實時顯示模塊主要結構如5-1圖所示：圖4-2可視化系統(tǒng)示意圖其中攝像頭采集的信號以A/V模擬信號為主，后經過轉換成無線信號發(fā)送出去給接收端，接收端收到模擬信號A/V后可直接輸出或再次轉成HDMI接口的遙控操作顯示器。顯示器直接采用市面上成熟的方案即可。目前市面上有1.2GHz、2.4GHz和5.8Ghz等無線傳輸系統(tǒng)。經過分析考量選擇了5.8GHz這一頻段。本次產品選某公司生產的TS832無線發(fā)送器+RC832無線接收機套餐，5.8GHz工作頻率，32個頻道可選，發(fā)送頻率600MW，收發(fā)距離在無遮掩情況下高達1700M，超過上述3.4.2無線數(shù)傳模塊的距離，符合設計要求?？梢暬到y(tǒng)與遙控控制系統(tǒng)無交互，兩者開發(fā)互不干擾。故可視化系統(tǒng)的設計開發(fā)過程過于簡便，此小節(jié)不在贅述。4.6小結本章介紹了控制器軟件的總體實現(xiàn)及可視化系統(tǒng)的實現(xiàn)過程，使用陀螺儀檢測傾斜數(shù)據(jù)，對遙控操作挖掘機增加了一定的安全性。

5Keil程序編寫和Proteus仿真分析5.1軟件介紹KeilC51是美國KeilSoftware公司出品的51系列兼容單片機C語言軟件開發(fā)系統(tǒng)，掌握C語言即可快速上次該軟件。Proteus軟件是單片機控制系統(tǒng)設計中最常用的一種仿真軟件，由英國LabCenterElectronics公司出版的EDA工具軟件，內部集成了PCB電路繪制，多種控制芯片及元器件，功能較為強大，能完美的再現(xiàn)程序的執(zhí)行過程，與實驗的切合度非常高，在Proteus繪制好原理圖后，調入已編譯好的目標代碼文件：*.HEX，可以在Proteus的原理圖中看到模擬的實物運行狀態(tài)和過程。5.2挖掘機工作原理仿真在日常生活中，常在工地上、各種工程上見到挖掘機工作，而挖掘機的主要挖掘動作可設想分解為由幾個動作模塊組成的復合動作，完成挖掘任務。行駛模塊。在此模塊中，挖掘機操作人員操縱推桿控制挖掘機前后行駛，在Proteus仿真中，采用左右模擬電機來仿真挖掘機的行走行動。平臺回轉模塊。此模塊中用1個旋轉電機來模擬挖掘機在日常挖掘工作中，需要經常來回轉動的動作。動臂模塊。此模塊中用1個升降電機用來模擬挖掘機中的挖掘動臂上下移動的動作，實現(xiàn)操控。斗桿模塊。此模塊中挖掘機通過改變斗桿位置更好的完成挖掘動作，模擬用斗桿電機用來模擬挖掘機中的斗桿上下移動位置。鏟斗模塊，此模塊中使用1個斗桿電機來模擬挖掘機的動作還有臂燈和底盤燈，在Proteus仿真中使用LED燈來實現(xiàn)其功能。如圖5-1所示為本次設計的總體仿真圖，其中主要有內容有89C52單片機，矩陣鍵盤，時鐘振蕩電路，復位電路，LED燈光、L298N電機驅動模塊及電機，由于Proteus里面沒有HC-12無線傳輸模塊，故沒有在本次仿真中實現(xiàn)。圖5-1Proteus仿真總體圖其中，AT89C52的輸出電壓3.3V，而模擬電機至少需要5V以上的電壓，無法直擊驅動此模塊，所以L298N電機驅動模塊需另配DC12V電源。仿真中，按下仿真鍵后按下點火/熄火按鈕后，模擬發(fā)動機的電機開始轉動，可通過改變RV1電位器電阻改變模擬發(fā)動機的轉速。按下左/右前進按鈕，則相應模擬電機轉動。5.3小節(jié)總結借用KEILC51軟件進行本遙控挖掘機設計的程序編程，通過Proteus8.9SP0進行電路仿真，通過Proteus8.9SP0仿真的結果可以知道，該仿真結果能模擬挖掘機的動作，可以實現(xiàn)一定的動作控制。6總結6.1研究總結本文以國內外挖掘機控制系統(tǒng)的進行研究，以滿足市場為要求，保障可拓展性和升級性的前提下，在原有的手動操作上增加一套遙控操作控制系統(tǒng)，主要的工作有：1.根據(jù)使用環(huán)境和開發(fā)成本，選擇AT89C52主控芯片設計一系列硬件電路，通信網絡、電源及電源復位等。2.使用KEILC51開發(fā)程序編程，對挖掘機運動控制進行一定的仿真，驗證其是否可行。3.通過利用攝像頭采集視頻，使用無線視頻傳輸模塊，實現(xiàn)對工作環(huán)境的監(jiān)測和語音接收，驗證了可行性。6.2存在的不足之處1.傳輸距離雖遠，但無法傳輸更大的數(shù)據(jù)，應研制或選用傳輸速率快、帶寬大、抗干擾強等優(yōu)點的無線通信裝置。2.豐富可視化系統(tǒng)功能。在本文中可視化系統(tǒng)只起到