基于單片機的智能巷道清掃機硬件設(shè)計

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1、精品畢業(yè)設(shè)計摘摘 要要本文是基于單片機的智能巷道清掃機硬件設(shè)計，包括單片機控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、電機調(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，在設(shè)計中，優(yōu)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的性能。對巷道清掃機設(shè)計中有關(guān)清掃系統(tǒng)構(gòu)成的方案、工作原理及特性等問題進行了探討。設(shè)計出一款智能化，自動化，信息化的巷道清掃機。實驗證明，該智能清掃機平臺具有模塊化、易擴展、可移植、可定制、硬件體積小、功耗低及可靠性高等優(yōu)點。關(guān)鍵詞：智能清掃機關(guān)鍵詞：智能清掃機 單片機單片機 紅外遙控紅外遙控 傳感器傳感器 驅(qū)動驅(qū)動ABSTRACTThis paper introduces the roadw

2、ay sweeper hardware design based 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, communication module the clean-up of the mechanical p

3、arts of the design, in design through 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 characteris

4、tics of other issues were discussed. An intelligent design, automation, information of the roadway 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

5、：Intelligent Roadway Sweeper Mcs-51 Infrared Remote Control Sensor Drive精品畢業(yè)設(shè)計目目 錄錄第一章 緒論.11.1 引言.11.2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.11.3 本文研究的內(nèi)容.3第二章 智能清掃機各系統(tǒng)分析.42.1 智能清掃機傳感器系統(tǒng)分析.42.2 智能清掃機控制系統(tǒng)分析.52.2.1 驅(qū)動系統(tǒng).52.2.2 電機調(diào)速系統(tǒng).62.3 紅外遙控系統(tǒng)分析.8第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計.93.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案和框圖.93.2 主機電路核心器件介紹.93.2.1 AT89C51 主要性能參數(shù).93.2.2 AT89C51

6、 功能特性概述.103.2.3 AT89C51 引腳功能說明.103.3 看門狗 IMP813L 電路.123.4 傳感器系統(tǒng)電路.143.4.1 超聲波傳感器檢測電路.143.4.2 紅外光電傳感器檢測電路.153.4.3 接觸傳感器檢測電路.153.5 繼電器控制電路.163.6 驅(qū)動系統(tǒng)電路.173.7 紅外控制系統(tǒng)電路.183.8 液晶顯示電路.193.9 電源模塊.20第四章 軟件流程設(shè)計.224.1 總體軟件流程.224.2 紅外遙控系統(tǒng)流程.234.3 驅(qū)動系統(tǒng)流程.254.4 清掃避障系統(tǒng)流程.25第五章 系統(tǒng)調(diào)試.27精品畢業(yè)設(shè)計第六章 結(jié)論.28參考文獻.29致 謝.30精

7、品畢業(yè)設(shè)計第一章第一章 緒論緒論1.1 引言引言道路清掃機是道路養(yǎng)護機械中的主要機械之一，隨著城市道路事業(yè)的發(fā)展和技術(shù)進步，道路清掃工作作為保證道路的通過能力，延長道路使用壽命的主要技術(shù)手段越來越重要。為了完成清掃任務(wù)降低勞動強度，提高清掃速度和工作質(zhì)量，這項工作逐步由人工向機械轉(zhuǎn)化。近年來，國內(nèi)外清掃機械的發(fā)展較快，并且已經(jīng)達到先進水平，實現(xiàn)了道路清掃機械化，智能化。國內(nèi)有廠家引進了國外先進吸掃式清掃機工作裝置的生產(chǎn)技術(shù)，與國產(chǎn)汽車底盤配套生產(chǎn)清掃機，大大提高了國產(chǎn)清掃機的技術(shù)性能?；趩纹瑱C的智能巷道清掃機是當前清掃機研究的前沿和熱點，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，

8、自動化的道路清掃機。清掃裝置控制系統(tǒng)和清掃部件是決定清掃機性能的最重要部分,其性能好壞決定著清掃車的清掃效率。因此合理設(shè)計清掃裝置控制系統(tǒng)和清掃部件并提高其性能是清掃機設(shè)計的關(guān)鍵。1.2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢隨著城市建設(shè)的迅速發(fā)展，國家對環(huán)境保護和市容提出了越來越高的要求。城市人工清掃的傳統(tǒng)作業(yè)方式在部分大中城市中，正在逐漸地為機械化清掃所代替。特別是一些城市的特定場所或高新小區(qū)內(nèi)。清掃機作業(yè)正在形成一種趨勢。目前，我國有幾個廠家生產(chǎn)清掃機。單從原理到結(jié)構(gòu)，只相當于發(fā)達國家70 年代水平。即在通用汽車底盤上加裝掃路機構(gòu)組成，均為雙發(fā)動機與同等清掃能力的國外先進機型相比，結(jié)構(gòu)龐大

9、、復(fù)雜，功能少，技術(shù)性能和可靠性差。與國外先進技術(shù)水平形成鮮明對比。國外清掃機技術(shù)現(xiàn)狀：國外清掃機發(fā)展起步較早，技術(shù)較先進。自從英國的 JOHNSTON 公司 1904 年設(shè)計出馬拉的掃路機，美國的 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以來，國外清掃車一直在孜孜不倦地提高其機械化水平。以美國 ELGIN 清掃機為例,其智能化的控制 、優(yōu)越的性能、簡單的控制操作、可靠的使用,對采用傳統(tǒng)機械操作方式的清掃機來說無疑是一次技術(shù)上的革命。ELGIN 清掃機功能動作設(shè)計有 57 項之多，內(nèi)容包括了清掃機工作過程中所遇到的一切問題。有清洗與吸水功能、噴灑水功能、吸泥管抽吸功

10、能、垃圾精品畢業(yè)設(shè)計箱傾倒功能、警示功能、記憶功能、自保護功能、檢測功能等。要把以上諸多功能動作由分離變成組合，把個別無規(guī)則的變成有序的程序工藝，進而成為一個智能型機械。ELGIN 清掃機利用了傳感檢測技術(shù)及計算機技術(shù)。在 ELGIN 清掃車上使用了各種各樣的傳感器件，具體分布有：潤滑油壓力傳感器，副發(fā)動機溫度傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器，垃圾箱荷重傳感器、物位傳感器、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)動機轉(zhuǎn)速顯示計數(shù)式數(shù)字量傳感器。通過以上各種傳感器件的使用，得到清掃機控制所需要的各種信息，這些信息被送到控制器，由控制器進行存儲、運算、變換、加工等處理，發(fā)出相應(yīng)命令通過執(zhí)行機構(gòu)，使

11、清掃車的機械本體完成規(guī)定動作。在這里，控制器的作用猶如人的頭腦一樣。ELGIN 清掃機的高技術(shù)部分主要體現(xiàn)在控制器的硬件及軟件的設(shè)計上，并使之成為一個完整的機電一化系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有若干個輸人和輸出，滿足了清掃機 57 項功能需要,閉環(huán)系統(tǒng)又設(shè)計了反饋，即從清掃控制過程的輸出獲得各種信息，又返回到輸人端，從而形成一個閉環(huán)系統(tǒng)，通過清掃過程的微機控制，實現(xiàn)對清掃過程中各任意組合的清掃狀況的控制。 國內(nèi)清掃機技術(shù)現(xiàn)狀：國內(nèi)清掃車研制起步較晚，清掃機的機電一體化程度與國外相比相對落后。80 年代以后，國產(chǎn)清掃機基本上采用了國外 80 年代的先進技術(shù)，如真空技術(shù)、液壓技術(shù)、電液操作等技術(shù)。清掃機的機電一

12、體化水平相對有所提高。然而作為機電一體化技術(shù)的核心的技術(shù)計算機技術(shù)以及直接制約和影響自動化技術(shù)發(fā)展的傳感檢測在國產(chǎn)清掃車上卻幾乎沒有應(yīng)用，這些大大制約了國內(nèi)清掃車機電一體化的發(fā)展水平。國產(chǎn)清掃車機電一體化的實現(xiàn)結(jié)合科研課題，我們針對國產(chǎn)清掃機的技術(shù)現(xiàn)況進行了技術(shù)改造。在原車的基礎(chǔ)上綜合利用計算機控制、傳感檢測等技術(shù),以提高其機電一體化水平。具體進行了以下幾個方面的工作。1、對清掃工況實現(xiàn)智能控制2、根據(jù)被控對象及其工作環(huán)境和工作特點，對該清掃機的以下幾個部分進行了監(jiān)控：(1)水箱水位顯示、報警(2)發(fā)動機轉(zhuǎn)速顯示、極限轉(zhuǎn)速報警(3)料箱料重的顯示、極限報警(4)吸塵系統(tǒng)真空度監(jiān)測、報警3、使清

13、掃機具有某種記憶功能，能清楚反映總的清掃路程及本次清掃路程，使清掃機在清掃過程中實現(xiàn)自動避障。精品畢業(yè)設(shè)計航空工業(yè)總公司第二研究院所在考察了各國先進機型的基礎(chǔ)上，將其優(yōu)點融為一體，自行研制成功 QSJ4-1 型城市道路清掃機，通過了國家權(quán)威機構(gòu)的性能測試和部級鑒定。其某些技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)，綜合性能為國內(nèi)領(lǐng)先，達到了 90年代國際同類產(chǎn)品的水平。現(xiàn)已投入小批量生產(chǎn)。QSJ4-1 型清掃機使用單臺發(fā)動機，同時為行駛和作業(yè)提供動能，于雙發(fā)動機機型相比，省掉了一套傳動系統(tǒng)所占的大量空間，減輕了清掃機裝備質(zhì)量，從而使承載容積和載荷能力大大增強（荷重比 1:2） ，減少了噪聲，降低了成本。但是次清掃機沒有達

14、到智能化、信息化的要求，技術(shù)水平較國外落后。1.3 本文研究的內(nèi)容本文研究的內(nèi)容智能巷道清掃機是一種先進的路面清潔工具。本文的任務(wù)，就是對其進行硬件電路的實現(xiàn)。本課題主要研究的內(nèi)容有：（1）通過傳感器電路知識的學(xué)習(xí)及應(yīng)用和單片機控制技術(shù)以實現(xiàn)智能清掃機的自主避障功能。（2）以 AT89C51 單片機作為檢測和控制核心，完成驅(qū)動系統(tǒng)和電機調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。（3）學(xué)習(xí)紅外遙控系統(tǒng)的發(fā)射和接收系統(tǒng)，完成智能清掃機的紅外控制系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)清掃機的局部自主控制功能。（4）查找顯示電路相關(guān)資料，完成智能清掃機時間及行駛速度的顯示。（5）在各電路模塊設(shè)計的基礎(chǔ)上完成智能清掃機整個系統(tǒng)的設(shè)計，對智能清掃機體系中

15、的重要環(huán)節(jié)進行實際調(diào)試。精品畢業(yè)設(shè)計第二章第二章 智能清掃機各系統(tǒng)分析智能清掃機各系統(tǒng)分析2.1 智能清掃機傳感器系統(tǒng)分析智能清掃機傳感器系統(tǒng)分析傳感器系統(tǒng)是清掃機的感覺器官,負責采集環(huán)境障礙物和自身狀態(tài)的信息，是清掃機的重要組成部分，由多傳感器及相關(guān)信號處理電路組成。在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下，傳感器系統(tǒng)為清掃機的正常工作發(fā)揮著無可替代的作用。清掃機傳感器系統(tǒng)的性能越好，自動避障和路徑規(guī)劃方案就越容易實現(xiàn)，控制系統(tǒng)的程序就更容易編寫和執(zhí)行，清掃機系統(tǒng)的整體性能也就越好。移動機器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大致可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩大類。內(nèi)傳感器主要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比如速度、加速度、軌跡、

16、位置等。這類傳感器主要有測速發(fā)電機、加速度計、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器負責采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器包括 CCD 視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。清掃機傳感器系統(tǒng)的主要任務(wù)是提供工作環(huán)境下的障礙物信息，以實現(xiàn)機清掃機的自主避障。由此可見，傳感器的選擇直接關(guān)系到清掃機自動避障策略的選擇和執(zhí)行質(zhì)量。對工作環(huán)境下的障礙物信息，可以通過外部傳感器獲得，移動機器人上常用的探測障礙物的傳感器主要有超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器和視覺傳感器等幾種。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高于聲波的機械波，由換能

17、晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產(chǎn)生的，它具有頻率高、波長短、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。超聲波對液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在陽光不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會產(chǎn)生顯著反射形成反射成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面。超聲波傳感器通過計算超聲波的發(fā)射接收時間間隔實現(xiàn)定量測距。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，探測距離遠，采集信息速度快，且比一般視覺傳感器和激光測距儀都要便宜，因此在許多方面得到廣泛應(yīng)用。紅外光電傳感器具有探測視角小、方向性好、信號處理簡單和反映速

18、度快等優(yōu)點，但是其受環(huán)境影響較大，當探測頭被灰塵等污染后，其探測性能將大大下降。紅外光電傳感器是各種光電檢測系統(tǒng)中實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵元件，它是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉(zhuǎn)變成為電信號的器件。紅外光電傳感器是采用光電元件作為檢測元件的傳感器。它首先把被測量的變化轉(zhuǎn)換成光精品畢業(yè)設(shè)計信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉(zhuǎn)換成電信號。紅外光電傳感器一般由光源、光學(xué)通路和光電元件三部分組成。光電檢測方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，形式靈活多樣，它的探測距離比較近，從幾個毫米到幾十厘米不等。因此,光電式傳感器在檢測和控制中應(yīng)用非常廣泛。接觸傳感器通過

19、與被測物體的接觸來確定被測物體的相關(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關(guān)、接觸開關(guān)等，這些傳感器結(jié)構(gòu)簡單、信號易處理、適應(yīng)能力強且價格低廉。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格低廉、工作可靠、速度快等優(yōu)點,因此廣泛應(yīng)用于移動機器人的局部導(dǎo)航。經(jīng)過對比分析，本設(shè)計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機器的傳感器系統(tǒng)。將這些傳感器合理布置在清掃機周邊位置上，通過相應(yīng)的信號處理電路與微處理器系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，控制系統(tǒng)根據(jù)獲得的傳感器系統(tǒng)信息做出避障決策，實現(xiàn)自主避障。2.2 智能清掃機控制系統(tǒng)

20、分析智能清掃機控制系統(tǒng)分析本設(shè)計以 AT89C51 單片機作為檢測和控制核心來控制驅(qū)動器。并采用了PWM 技術(shù)對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調(diào)速的目的。2.2.1 驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)驅(qū)動器就是驅(qū)動清掃機的動力部件，最常用的是電機了。當然還有液壓、氣動等別的驅(qū)動方式。一個清掃機最主要的控制量就是控制清掃機的移動，清掃機驅(qū)動器中最根本和本質(zhì)的問題就是控制電機，控制電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)，就可以控制清掃機移動的距離和方向，清掃機械的彎曲的程度或者移動的距離等。所以，第一個要解決的問題就是如何讓電機能根據(jù)自己的意圖轉(zhuǎn)動。一般來說，有專門的控制卡和控制芯片來進行控制的。有了這些控制卡和芯片，我們所要做的

21、就是把微控制器與其連接起來，然后就可以用程序來控制電機了。第二個問題是控制電機的速度，在機器人上的實際表現(xiàn)就是機器人或者手臂的實際運動速度了，機器人走的快慢全靠電機的轉(zhuǎn)速，這樣，我們就要求控制卡對電機有速度控制。電機目前常用的有兩種，步進電機和直流電機。下面我將就這兩種電機進行介紹：1、直流電機：這是最最普通的電機了。直流電機最大的問題是你沒法精確控制電機轉(zhuǎn)的圈數(shù)，也就前面所說的位置控制。你必須加上一個編碼盤，來進精品畢業(yè)設(shè)計行反饋，來獲得實際的圈數(shù)。但是直流電機的速度控制相對就比較簡單，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)電機速度?，F(xiàn)在也有很多控制芯片帶調(diào)速功能的。選購時要

22、考慮的參數(shù)是電機的輸出力矩，電機的功率，電機的最高轉(zhuǎn)速。2、步進電機：看名字就知道了，它是一步一步前進的。也就是說，它可以一個角度一個角度地旋轉(zhuǎn)，不像直流電機，你可以很輕松的調(diào)節(jié)步進電機的轉(zhuǎn)角位置，如果你發(fā)一個轉(zhuǎn) 10 圈的指令，步進電機就不會轉(zhuǎn) 11 圈，但是如果是直流電機，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn) 11 圈半。步進電機的調(diào)速是通過控制電機的頻率來獲得的。一般控制信號頻率越高，電機轉(zhuǎn)的越快，頻率越低，轉(zhuǎn)的越慢。選購時要考慮的參數(shù)是電機的輸出力矩，電機的功率，每個脈沖電機的最小轉(zhuǎn)角。還有就是關(guān)于輸出的動力，要說明一下：一般情況下，電機都沒法直接帶動輪子或者清掃機械，因為速度過高力矩不夠大，所以我

23、們需要加上一個減速箱來增加電機的輸出力矩，但是代價是電機速度的減小，比如一個 1：250 的齒輪箱，會讓你電機的輸出力矩增大 250 倍，但是速度只有原來的 1/250 了。首先計算出清掃機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與減速器。2.2.2 電機調(diào)速系統(tǒng)電機調(diào)速系統(tǒng)清掃機需控制在一個合適的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳感器傳來的信號有一個響應(yīng)、處理時間，清掃機極易碰撞造成損壞。清掃機的速度是由后輪直流電機轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡單，易與實現(xiàn)。圖 2.1 PWM 調(diào)制電路精品畢業(yè)設(shè)計采用由晶體管組成的 H 型 PWM

24、 調(diào)制電路。用單片機控制達林頓管，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(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單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(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)。通過圖 2.1 所示 PWM 調(diào)制電路，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實現(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脈沖周期內(nèi)，單片機的兩個控制口各輸出一個控制信號，兩信號高低電平相反，兩信號的高電平時差決定電動機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。方案 2：單極性工作制。單極性工作制是單片

25、機控制口的一端置低電平，另一端輸出 PWM 信號，兩口的輸出切換和對 PWM 的占空比調(diào)節(jié)決定電動機的轉(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，因為采用這種方式，電動機在運轉(zhuǎn)時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機產(chǎn)生 PWM 脈沖的軟件實現(xiàn)上比較方便。3、PWM 軟件實現(xiàn)方式：方案 1：采用定時器作為脈寬控制的定時方式，這一方式產(chǎn)生的脈沖寬度極其精確，誤差只在幾個 us。方案 2：采用軟件延時方式，這一方式在精度上不

26、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器資源，且對于直流電機，采用軟件延時所產(chǎn)生的定時誤差在允許范圍，故采用方案 2。PWM 實現(xiàn)硬件如圖 2.1 所示，軟件過程為：令單片機 P1.7 口為低電平，P1.6 口為高電平，此時 Q1、Q4 導(dǎo)通，Q2、Q3 截止，電動機正常工作。改變P1.6 口高電平周期，即改變 PWM 調(diào)制脈沖占空比，可以實現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負載能力差；脈沖頻率低則反之。經(jīng)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在 30Hz 以上，電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但小車行駛時，由于摩擦力使電機轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn)；脈沖頻率在 10Hz 以下，

27、電機轉(zhuǎn)動精品畢業(yè)設(shè)計有跳躍現(xiàn)象，實驗證明脈沖頻率在 2535Hz 效果最佳。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、成本低等特點，因而，繼彩電、錄像機之后，在錄音機、音響設(shè)備、空調(diào)機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)計中采用紅外遙控裝置來控制智能清掃機的清掃方式及開機與關(guān)機。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/解碼專用集成電路芯片來

28、進行控制操作，如圖 2.2 所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、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進行紅外功能編碼，在清掃機上，由于單片機處理任務(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 RX6B，它有七個控制鍵來控制小卡車的移動 。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 個紅外接收管的信號通過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時都能正常工作 。遙

29、控發(fā)射器遙控接收器圖 2.2 紅外遙控系統(tǒng)鍵盤編碼調(diào)制LED光/電放大解調(diào)解碼精品畢業(yè)設(shè)計第三章第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案和框圖系統(tǒng)總體設(shè)計方案和框圖本設(shè)計以 AT89C51 單片機作為檢測和控制核心。用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器完成自動避障。用光電編碼器檢測電機的轉(zhuǎn)速。利用PWM(脈寬調(diào)制)技術(shù)動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實現(xiàn)清掃機行進、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合,可以最大限度地利用 AT89C51 單片機的全部資源。P0口用于數(shù)碼管顯示，P1 口用于電動機的 PWM 驅(qū)

30、動控制，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)點是：充分利用了單片機的內(nèi)部資源, 降低了總體設(shè)計的成本?？傁到y(tǒng)框圖如圖 3.1 所示。單片機看門狗電路PWM 調(diào)速電路紅外接收電路電機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垃圾箱蓋電機圖 3.1 硬件設(shè)計總框圖3.2 主機電路核心器件介紹主機電路核心器件介紹AT89C51 是美國 ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 4K bytes 的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲器（PEROM）和 128bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ROM） ，器件采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生

31、產(chǎn)，兼容標準 MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器（CPU）和Flash 存儲單元。功能強大 AT89C51 單片機可提供許多高性價比的應(yīng)用場合，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)主要性能參數(shù).與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容精品畢業(yè)設(shè)計.4K 字節(jié)可重擦寫 Flash 閃速存儲器.1000 次擦寫周期.全靜態(tài)操作：0Hz-24MHz.1288 字節(jié)內(nèi)部 RAM.32 個可編程 I/O 口線.2 個 16 位定時/計數(shù)器.6 個中斷源.低功率空閑和掉電模式3.2.2 AT89C51 功能特性概述功能特性概述AT89C51 提供以下標準功能：

32、4K 字節(jié) Flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內(nèi)部RAM，32 個 I/0 口線，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時鐘電路。同時，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/計數(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硬件復(fù)位。3.2.3 AT89C51 引腳功能說明引腳功能說明精品畢業(yè)設(shè)計圖 3.2 AT89C51 芯片.VCC：電源電壓.GND：地.P0 口口：P0 口

33、是一組 8 位漏極開路型雙向 I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。作為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅(qū)動 8 個 TTL 邏輯門電路，對端口寫“1”可作為高阻抗輸入端用在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時，這組口線分時轉(zhuǎn)換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。.P1 口：口：P1 口是一個攜帶內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P1 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL） 。.P2 口：口：

34、P2 口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P2 的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時可作輸入口，作輸入口使用時，因為內(nèi)部存在上拉電阻，某個引腳被外部信號拉低時會輸出一個電流（IIL） 。.P3 口口：P3 口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口，P3 口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4 個 TTL 邏輯門電路。對 P3 口寫入“1”時，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，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

35、，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P3.0 RXD （串行輸入口）P3.1 TXD （串行輸出口）P3.2 （外中斷 0）0INTP3,3 （外中斷 1）1INTP3.4 T0 （定時/計數(shù)器 0）P3.5 T1 （定時/計數(shù)器 1）精品畢業(yè)設(shè)計3.3 看門狗看門狗 IMP813L 電路電路幾乎所有的單片機都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的基本要求是：在單片機上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止程序亂飛導(dǎo)致 EPROM 中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導(dǎo)致單片機系統(tǒng)無法正常工作

36、，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機本身的看門狗定時器(有些單片機無看門狗定時器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是根隨機的，因而此類單片機系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機。IMP813L 剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點及使用方法。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：P3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）WRP3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）RDIMP813LWDIPFORESETGNDVccPFIMRWDO精品畢業(yè)

37、設(shè)計第 1 腳為手動復(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：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：由圖可知該芯片具有以下主要性能特點：(1)復(fù)位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，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 內(nèi)沒有觸發(fā)該電路(即第 6 腳無脈沖輸入)，則第 8 腳輸出一個低電平信號。(3)手動

38、復(fù)位輸入，低電平有效，即第 1 腳輸入一個低電平，則第 7 腳產(chǎn)生復(fù)位輸出。(4)1.25V 門限值檢測器，第 4 腳為輸入，第 5 腳為輸出。當?shù)?4 腳電壓低于 1.25V 時，第 5 腳輸出一個低電平信號。IMP813L 的典型應(yīng)用電路：IMP813L 的典型應(yīng)用電路如圖 3.4 所示。圖中單片機以 AT89C51 為例，IMP813L 的第 1 腳與第 8 腳相連。第 7 腳接單片機的復(fù)位腳(AT89C51 的第 9 腳)；第 6 腳與單片機的 P1.4 相連。在軟件設(shè)計中，P1.4 不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機進入死循環(huán)，則 P1.4 無脈沖輸出。于是 1.6s 后在 IM

39、P813L 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，使單片機有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當電源電壓低于門限值 4.65V 時，IMP813L 也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機處于復(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單片機產(chǎn)生錯誤的動作。電源故障輸入 PFI 通過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當 PFI 低于 125V 時，電源故障輸出腳第 5 腳 PF0 變低，可引起 AT89C51 中斷，進行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。精品畢業(yè)設(shè)計圖 3.4

40、IMP813L 的典型應(yīng)用電路IMP813L 是一體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號為高電平場合的單片機系統(tǒng)的理想芯片。3.4 傳感器系統(tǒng)電路傳感器系統(tǒng)電路3.4.1 超聲波傳感器檢測電路超聲波傳感器檢測電路超聲波發(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20mA，無法直接驅(qū)動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波束，因此需要加入放大電路以增強驅(qū)動能力。圖 3.5 為發(fā)射波驅(qū)動電路，圖中 J2 的 1、2 引腳分別接超聲波發(fā)生器的兩個端腳，PULSE 接控制器 P3.7 口，這里采用了兩級與非門

41、 74LS00 來增強驅(qū)動能力，電路簡單實用。接收器接收到的超聲回波也是 mv 級的，為了能夠觸發(fā)中斷，需要對此信號進行放大、整形，其信號接收電路如圖 3.6 所示，圖中 J1 的 1、2 引腳分別接超聲波接收器的兩個端腳，INT1 接控制器 P3.3 口。采用放大器 LM324 將接收信號兩級放大，放大信號經(jīng)過比較器 LM339 調(diào)理成方脈沖，再經(jīng)過非門 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，電路中還適當接入了一些電容。精品畢業(yè)設(shè)計圖 3.5 發(fā)射波驅(qū)動電路圖 3.6 回波接收電路3.4.2 紅外光電傳感器檢測紅外光電傳感器檢測電路電路本文選用

42、 JY043W 型紅外反射式傳感器。紅外光電傳感器檢測單元信號處理電路如圖 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（另外五路檢測單元分別接控制器的P2.1P2.4 口） ，ZHISHI1 為其它五組檢測單元 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） 。當接收管接收到反射回來的紅外光時，接收管導(dǎo)通，比較器 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

43、 腳輸出低電平，指示燈 L3 被點亮。精品畢業(yè)設(shè)計圖 3.7 紅外光電傳感器檢測電路3.4.3 接觸傳感器檢測接觸傳感器檢測電路電路3.8 接觸傳感器檢測單元接口電路接觸傳感器通過與目標物體的接觸來識別障礙物。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，裝卸方便，環(huán)境適應(yīng)性強。鑒于清潔機器人結(jié)構(gòu)緊湊、便于裝卸的要求，本文選擇 RV-163-1C25 型微動開關(guān)作為接觸傳感器，該型號開關(guān)結(jié)構(gòu)小巧，使用簡單可靠，信號無需調(diào)理。接觸傳感器檢測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。當觸

44、碰到障礙物時，探測簧片被壓下，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 被點亮。OUT1 端輸出的低電平能夠直接被控制器識別。3.5 繼電器控制電路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合，幾乎都需要使用繼精品畢業(yè)設(shè)計電器，從家用電器到工農(nóng)業(yè)應(yīng)用，甚至國民經(jīng)濟各個部門，可謂無所不見。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（無觸頭式） ，從而通過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

45、繼電器，以用于各種控制電路中進行信號傳遞、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)定的動作程序進行工作，實現(xiàn)自動控制和保護的目的。被轉(zhuǎn)化或施加于繼電器的電量或非電量稱為繼電器的激勵量，當繼電器被激勵，從一個起始位置達到預(yù)定的工作位置，并完成電路的切換動作，稱為繼電器的工作特性，包括吸合和松開，保持與釋放狀態(tài)。當輸入量變化到高于它的吸合值或低于它的釋放值時，繼電器動作，對于有觸頭式繼電器其觸頭閉合或斷開，對于無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是把垃圾送到垃圾箱，在執(zhí)行清掃動作時垃圾箱閉合，向垃圾箱投放垃圾時需要打開

46、，將垃圾送到垃圾漏斗。本設(shè)計共需 2 個繼電器控制接觸器，一個接帶動清掃部件的電動機。另一個控制垃圾箱蓋閉合。經(jīng)考慮采用4123 無極 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。89C51 的 P1 初始值為 0FFH，所以加一個 74LS04 反相器使得繼電器初始不產(chǎn)生閉合，使用 MC1413 為無源驅(qū)動器，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)動系統(tǒng)電路驅(qū)動系統(tǒng)電路驅(qū)動系統(tǒng)電路包括驅(qū)動器、光電隔離模塊以及驅(qū)動器保護電路等部分，如圖 3.6 所示。在具體電路中，由于單片機使用 5V 弱電，而電機的驅(qū)動電壓為12V

47、或者更高，考慮到單片機會受到驅(qū)動部分的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制部分和驅(qū)動部分隔離開來。單片機輸出端口的電流一般只有精品畢業(yè)設(shè)計20mA 左右，不足以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動光電耦合器 TLP521 工作，因此采用芯片 74HC245 來增強驅(qū)動能力，為光電耦合器 TLP521 提供合適的驅(qū)動電流。驅(qū)動器保護電路由 8 個高速大電流肖恩特二極管 1N5822（圖中 D1D8）組成，用來消除電機在起停、制動及換向時產(chǎn)生的反電勢。保護二極管最好采用高速大電流的開關(guān)管，否則反向恢復(fù)時間太長，L298N 內(nèi)部 H 橋的上下兩個三極管會因為開閉時序交叉，導(dǎo)致同時打開而短路，長期使用狀態(tài)下會

48、造成 L298N 發(fā)熱或燒毀。 圖 3.10 驅(qū)動系統(tǒng)電路按照圖 3.10 所示電路，系統(tǒng)工作時，單片機 P1 口輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動器芯片 74HC245 和光電耦合器之后輸入電機驅(qū)動芯片 L298N，控制電機動作。當需要調(diào)速時只需改變 PWM 調(diào)速脈沖（本設(shè)計中由單片機 P1.3 和 P1.6 端口產(chǎn)生）的占空比即可，理論上可以實現(xiàn) 256 級調(diào)速。3.7 紅外控制系統(tǒng)電路紅外控制系統(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。經(jīng)脈沖分頻器74LS92，六分頻成為75.83KHZ的脈沖信號。再經(jīng)過 D 觸發(fā)器構(gòu)成

49、的2分頻/整形電路變成38KHZ 的方波信號。由單片機的異步串行口 TX 輸出的串行數(shù)據(jù)信號，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。與非門的輸出信號用來控制三極管的開通或關(guān)斷，從而控制紅外發(fā)射管發(fā)送信息。這樣就達到了用串行口 TX 輸出的串行數(shù)據(jù)信號直接調(diào)制載波，進行紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。發(fā)射電路的調(diào)制采用的是時分制幅度鍵控調(diào)制方式。精品畢業(yè)設(shè)計圖3.11 紅外發(fā)射電路設(shè)計中采用一種高效能的紅外接收器TFMS5380。TFMS5380是近期市場上最高效能的紅外接收器。同一組件內(nèi)已裝上了接收二級管和前置放大器。TFMS5380特點：(1)單一的接收器和前置放大

50、器的組合。(2)超敏感度和傳送距離。(3)內(nèi)置 PCM 頻率過濾器。(4)無外置組件需要。(5)超強光及電場干擾屏蔽。(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認可。TFMS5380適用于數(shù)據(jù)傳送、電視機、錄像機、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3.12所示該接收電路要求被接收的紅外光波長在950um 左右，被調(diào)制信號的脈沖寬度不小于600us。TFMS5380的應(yīng)用電路非常簡單。實驗證明，TFMS5380的性能良好，完全可以滿足數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰D3.12 TFM

51、S5380 構(gòu)成的接收電路3.8 液晶顯示電路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，精品畢業(yè)設(shè)計在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用 2 行 16 個字的 DM-162 液晶模塊，通過與單片機連接，編程，完成顯示時間及清掃機行進速度的功能。DM-162 液晶顯示模塊的字符顯示，可分為好幾種顯示模式，這主要取決于對具體的應(yīng)用。如靜態(tài)的顯示，還是動態(tài)的左移或者右移顯示。那么這個主要是在程序設(shè)計的過程中，進行初始化所決定的。因此，在使用之前先確定使用的目的，選擇好顯示的方式，當然得找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在 DM-162 液晶顯示模

52、塊的相應(yīng)顯示位置的 RAM 地址。然后進行每個字符的寫入顯示。在使用的過程中，還得注意的一點是，可能是顯示驅(qū)動電壓的不穩(wěn)定性，或者是由于驅(qū)動電壓的過高，會形成一種“鬼影”的現(xiàn)象，因此需要手動對 10K 的電位器進行對比度調(diào)整以達到顯示的良好效果。液晶顯示模塊電路如圖 3.13 所示。它由以下幾個部件組成：單片機AT89C51、液晶字符顯示部件 DM-162、電源供電部分。單片機部分：采用 AT89C51 芯片實現(xiàn)對 DM-162 的控制顯示字符顯示模塊: 選擇 2 行 16 個字的顯示容量.電源部分： +5V 電壓供電，維持系統(tǒng)的正常工作,同時加載 10K 電位器以適應(yīng)不用亮度的顯示字符即對比

53、度的調(diào)整。圖 3.13 液晶顯示系統(tǒng)電路3.9 電源模塊電源模塊電源模塊是清掃機系統(tǒng)的生命源，一般情況下，都是采用無線纜的機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。清掃機電能消耗主要表現(xiàn)在以下兩個方面：一是驅(qū)動和控制電路的消耗，二是清掃系統(tǒng)工作時的消耗。耗能部件所需的電壓、電流精品畢業(yè)設(shè)計以及對電源的穩(wěn)定性要求等都存在不同，在設(shè)計電源模塊的供電方案時，需要分別加以考慮。在選擇合適的直流電源時需要重點考慮以下兩個方面的因素：質(zhì)量和體積：清掃機系統(tǒng)機載電源的質(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

54、電壓、電流的要求大致確定機載電源的額定電壓和容量等參數(shù)。經(jīng)過分析對比，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 時可連續(xù)工作 1 個小時以上。選定機載直流電源后，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 為移動機構(gòu)系統(tǒng)電路提供不共地 5V 電源。機載電源模塊為整個機器人系統(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。該機器人系統(tǒng)使用

55、直流電源，機載電源模塊為電機驅(qū)動控制模塊電路提供 5V 工作電壓，即圖中 S_5V 所示，電機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部分需要與電機驅(qū)動模塊不共地的 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 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

56、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，因此成本稍高。采用 L7805 芯片為電機驅(qū)動控制模塊提供單獨的 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。精品畢業(yè)設(shè)計圖 3.14 機載電源模塊供電電路第四章第四章 軟件流程設(shè)計軟件流程設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計采用匯編語言相結(jié)合的方式。首先用匯編語言把系統(tǒng)的各個功能模塊編出,然后把這些編譯過的模塊加入到控制器的使用庫中,調(diào)用各功能模塊,完成對硬件的操作。精品畢業(yè)設(shè)計4.1 總體軟件流程總體軟件流程開始初始化并開中斷啟動各電路模塊收到前進命令？啟動驅(qū)動系統(tǒng)遇到障礙？前進啟動清掃和避

57、障系統(tǒng)結(jié)束NYNY圖 4.1 總流程圖總流程圖如圖 4.1 所示，是整個清掃機運行過程的流程圖。其中包括初始化整個系統(tǒng)、啟動各電路模塊、等待接收命令、啟動驅(qū)動系統(tǒng)、檢測障礙、啟動清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過程。(1) 首先，啟動清掃機電源，使各模塊持續(xù)供電。(2) 啟動各電路模塊，啟動液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機行進速度及運行時間。此過程通過軟件編程控制液晶顯示系統(tǒng)及驅(qū)動系統(tǒng)向單片機控制系統(tǒng)反饋實現(xiàn)。啟動清掃機傳感器系統(tǒng)，此項內(nèi)容主要作用是使清掃機對周圍環(huán)境有一個了解，通過對周圍環(huán)境的感知來實現(xiàn)測距、清掃、避障。本過程主要是通過單片機控制各傳感器及傳感器向單片機反饋來實現(xiàn)。啟動紅外接收系統(tǒng)，等待

58、接收紅外信號。(3) 當接收到前進指令時，啟動驅(qū)動系統(tǒng)。精品畢業(yè)設(shè)計(4) 當遇到障礙時啟動清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過程是整個清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.2 紅外遙控系統(tǒng)流程紅外遙控系統(tǒng)流程設(shè)置串口方式1，T1方式1，T0方式21分鐘到否？有按鍵下否？2位LED顯示時間設(shè)置顯示、定時、啟動停止標志位外部中斷0和T0開中斷，T0設(shè)置為中斷優(yōu)先級進入低功耗恢復(fù)R5、R5顯示否？NYNYNY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 和定時器 T1 方式 2 是為了發(fā)射按鍵代碼時產(chǎn)生 2000b/s 的波特

59、率；定時器 T0 工作方式 2 是用來在 P3.7 引腳上輸出 38kHz 的載波信號。有按鍵下時產(chǎn)生外部中斷0，寄存器 R5 和 R4 中存放的數(shù)據(jù)是用來控制 1 min 的定時時間。1 min 之內(nèi)無按鍵，則遙控器進入低功耗狀態(tài)。定時器 T0 中斷程序是將 P3.7 引腳取反產(chǎn)生38kHz 的載波信號，此信號為方波信號。外部中斷 0 的中斷程序用于判斷按鍵并發(fā)射按鍵代碼，同時還包括按鍵去抖動和檢查設(shè)置相關(guān)標志位。部分程序如下：MOV TMOD,#22 ；設(shè)置定時器 T0 和 T1 工作方式2精品畢業(yè)設(shè)計MOV TH0,#0F3H ；產(chǎn)生 38kHz 載波信號的時間常數(shù)送給T0MOV TL0

60、,#0F3H MOV TH1,#0E03 ；產(chǎn)生 2000b/s 的波特率的時間常數(shù)送給T1MOV TL1,#0E0H MOV SCON,#60H ；設(shè)置串口工作于方式1ORL PCON,#80H ；SMOD 置1SETB EA ；CPU 開中斷SETB EX0 ；允許外部中斷 0 中斷SETB IT0 ；允許定時器 T0 中斷SETB PT0 ；將定時器 T0 中斷設(shè)置為高優(yōu)先級串口方式 1 和 T1 方式2外部中斷 0 和串口開中斷串口中斷設(shè)置為高優(yōu)先級設(shè)置定時、啟動停止標志位設(shè)置調(diào)速和定時控制初值圖 4.3紅外接受電路流程圖接收電路主程序的流程圖如圖 4.3 所示，接收電路串口和 T1

61、的工作方式與發(fā)射電路完全相同，是為了與發(fā)射的波特率一致，能可靠接收數(shù)據(jù)。串口中斷用于接收按鍵代碼并設(shè)置相關(guān)標志位。外部中斷 0 產(chǎn)生移相脈沖改編移相角，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，并判斷是否有定時，進而控制電機的運轉(zhuǎn)時間。精品畢業(yè)設(shè)計4.3 驅(qū)動系統(tǒng)流程驅(qū)動系統(tǒng)流程直流電機上電初始化有啟動信號？數(shù)據(jù)采集調(diào)理數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)送至單片機結(jié)束YN圖 4.3 驅(qū)動系統(tǒng)流程首先是系統(tǒng)初始化工作,即設(shè)置寄存器、配置 GPIO、定時器、A/D 轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動 A/D 轉(zhuǎn)換。然后檢測 GPIO 有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個 GPIO 發(fā)出控制信號給直流電機加電。從 A/D 轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號數(shù)

62、據(jù),再通過求平均值得到電機的電流值;對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進行 FFT 變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機的具體型號乘以一個系數(shù)得到電機的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機行進速度,啟動總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C,以對數(shù)據(jù)進行保存和分析。軟件流程如圖 4.3 所示。4.4 清掃避障系統(tǒng)流程清掃避障系統(tǒng)流程清掃壁障流程圖如圖 4.4，該流程是智能清掃機執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的流程。精品畢業(yè)設(shè)計遇到障礙物？是垃圾？清掃累加遇到墻角次數(shù)遇墻角數(shù)為奇數(shù)？左后轉(zhuǎn)前進右后轉(zhuǎn)前進NNNYYY圖 4.4 清掃避障流程圖(1)紅外光電傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，光波在遇到障礙物后反射，被紅

63、外接收管接收，產(chǎn)生一個與光強相對應(yīng)的電流，電流經(jīng) LM358 組成的兩極放大電路放大后，輸出一個模擬電壓，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后輸入單片機。(2)由接觸傳感器感知障礙物性質(zhì)，判斷其是否是清掃機可清掃的垃圾。若可清掃則由單片機向清掃機械電機發(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。(3)若不可清掃，判斷其為墻角類障礙，此時累加器累加判斷為墻角的次數(shù)。(4)判斷墻角累加次數(shù)的奇偶，若為奇數(shù)則通過控制電機調(diào)速模塊來控制左右輪速度，控制清掃機行進方向，使其左后轉(zhuǎn)行進。若判斷為偶數(shù)，則使其右后轉(zhuǎn)行進，本過程實現(xiàn)清掃機的蛇形行進清掃方式，盡可能提高清掃機清掃效率。精品畢業(yè)設(shè)計第五章第五

64、章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試經(jīng)過近三個多月的籌備,由我設(shè)計的基于單片機的智能巷道清掃機已經(jīng)設(shè)計成功。該智能清掃機在紅外遙控器的控制下，以蛇形路線行進并進行垃圾清掃和壁障等活動。調(diào)試過程如下：（1）首先，焊接電路，完成清掃機的硬件組裝。接通電源，測試清掃機運行情況。經(jīng)測試清掃機工作正常。（2）用數(shù)據(jù)線將清掃機和電腦相連接，打開清掃機的電源開關(guān)，讓電腦和清掃機之間能正常地通信。在第一次使用清掃機的時候，要求我們來安裝一下驅(qū)動程序，在驅(qū)動光盤中，運行了相應(yīng)的程序安裝了驅(qū)動。（3）打開清掃機電源開關(guān)，使清掃機各電路模塊處在了供電狀態(tài)。此時DM-162 液晶顯示模塊顯示了運行時間和此時清掃機的行進速度。所顯示的

65、時間最小單位為秒，行進速度最小單位為米|分鐘。（4）按下紅外遙控器的開始按鈕，此時清掃機開始沿直線行進，當清掃機遇到紙屑時，機械部件成功將其放入清掃機的車載垃圾箱，清掃機繼續(xù)前進。（5）當遇到墻角時與墻角發(fā)生了碰撞，發(fā)生了意外。清掃機停了下來，DM-162 液晶顯示模塊不正常顯示。經(jīng)檢查，發(fā)現(xiàn)電源接口被震開，導(dǎo)致所有電路模塊斷電。為了解決這一問題，我重新設(shè)點了清掃機行進速度，使其工作在安全行進速度范圍。（6）將清掃機放到初始位置重新測試。當清掃機遇到第一個墻角時，左后轉(zhuǎn)并繼續(xù)行進，當遇到第二個墻角時，右后轉(zhuǎn)前進。此過程驗證了清掃機的蛇形行進路線。經(jīng)測試本課題設(shè)計的基于單片機的智能巷道清掃機基本

66、實現(xiàn)了課題的智能化，自動化，信息化等要求。本課題有助于培養(yǎng)同學(xué)們的科學(xué)精神，激發(fā)創(chuàng)新思維，提供創(chuàng)新能力。精品畢業(yè)設(shè)計第六章第六章 結(jié)論結(jié)論本課題設(shè)計結(jié)合機器人控制原理，使用機器人開發(fā)平臺 GAIA-2，對智能清掃機各部分系統(tǒng)分別作了論證與分析。其中包括主控制系統(tǒng)的設(shè)計方案論證，存儲器擴展電路的選擇，各傳感器電路的選擇，電機驅(qū)動及調(diào)速方式的選擇，紅外遙控系統(tǒng)的設(shè)計，電源的設(shè)計。由于單片機是整個智能清掃機的運算處理中心,又是控制中心,是最重要的器件，控制所有模塊。本人對其進行了嚴格挑選。鑒于 AT89C51 采用高密度、非易失性存儲技術(shù)，具有功能強大，靈活性高等優(yōu)點，本課題選用了它。其他電路模塊均在考慮靈敏度高、精度適當、工作穩(wěn)定、可靠性好、經(jīng)濟實惠等原則的基礎(chǔ)上進行了選取。通過本課題的設(shè)計，我對單片機及傳感器的相關(guān)原理有了更深刻的理解。并且掌握了直流驅(qū)動電路及 PWM調(diào)速電路的工作原理。最主要是提高了本人研究與分析問題的能力。按照論證方案，在完成智能清掃機硬件電路的研制及控制程序的設(shè)計后，經(jīng)過一段時間的調(diào)試，系統(tǒng)各部分運轉(zhuǎn)基本正常。驗證了智能清掃機硬件電路設(shè)計方案的可行性，達到了預(yù)期的目