基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计.docx
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基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计
编号
本科生毕业设计
基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计
IntelligentroadwaysweeperhardwaredesignbasedonMCU
学生姓名
专业
通信工程
学号
指导教师
学院
电子信息工程学院
2009年06月
基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计
摘要:
本文介绍基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计,包括单片机的选择、硬件资源分配以及接口电路、传感电路模块、直流电机驱动模块、信息采集模块、移动控制模块、通信模块、清扫机机械部件等的设计,在设计中,通过采用一些高度集成的控制芯片,优化了系统的结构,提高了系统的性能。
对巷道清扫机设计中有关清扫系统构成的方案、工作原理及特性等问题进行了探讨。
设计出一款智能化,自动化,信息化的巷道清扫机。
实验证明,该智能清扫机平台具有模块化、易扩展、可移植、可定制、硬件体积小、功耗低及可靠性高等优点。
关键词:
智能清扫机;单片机;传感电路;驱动模块;通信模块
Abstract
ThispaperintroducestheroadwaysweeperhardwaredesignbasedonMCU,includingthechoiceofsingle-chip,hardwareresourceallocationaswellastheinterfacecircuit,sensingcircuitmodule,DCmotordrivemodule,informationacquisitionmodule,themobilecontrolmodule,communicationmoduletheclean-upofthemechanicalpartsofthedesign,indesignthroughtheuseofanumberofhighlyintegratedchipstocontrolandoptimizethestructureofthesystemtoimprovetheperformanceofthesystem.Designoftheroadwayinthecleaningofthecleaningsystemconsistingoftheprogram,workingprincipleandcharacteristicsofotherissueswerediscussed.Anintelligentdesign,automation,informationoftheroadwaysweeper.Experimentalresultsshowthatthesweepingintelligenceplatformwithmodular,extensible,portable,customizablehardwareandsmallsize,lowpowerconsumptionandhighreliability.
Keywords:
Intelligentcleaner;Mcs-51;sensingcircuit;drivemodule;CommunicationModule
目录
第一章绪论-1-
1.1引言-1-
1.2技术现状及发展趋势-1-
1.3本文研究的内容-3-
第二章智能清扫机各系统分析-4-
2.1智能清扫机感知系统分析-4-
2.2智能清扫机控制系统分析-5-
2.2.1驱动系统-5-
2.2.2电机调速系统-6-
2.3红外遥控系统分析-8-
第三章系统硬件电路设计-9-
3.1系统总体设计方案和框图-9-
3.2主机电路核心器件介绍-9-
3.2.1AT89C51主要性能参数-9-
3.2.2AT89C51功能特性概述-10-
3.2.3AT89C51引脚功能说明-10-
3.3看门狗IMP813L电路-12-
3.4继电器控制电路-14-
3.5驱动系统电路-15-
3.6红外控制系统电路-16-
3.7液晶显示电路-17-
3.8电源模块-18-
第四章软件流程设计-20-
4.1软件总体设计-20-
4.2各部分流程设计-21-
第五章系统调试-24-
结论-25-
参考文献-26-
致谢-27-
第一章绪论
1.1引言
道路清扫机是道路养护机械中的主要机械之一,随着城市道路事业的发展和技术进步,道路清扫工作作为保证道路的通过能力,延长道路使用寿命的主要技术手段越来越重要。
为了完成清扫任务降低劳动强度,提高清扫速度和工作质量,这项工作逐步由人工向机械转化。
近年来,国内外清扫机械的发展较快,并且已经达到先进水平,实现了道路清扫机械化,智能化。
国内有厂家引进了国外先进吸扫式清扫机工作装置的生产技术,与国产汽车底盘配套生产清扫机,大大提高了国产清扫机的技术性能。
基于单片机的智能巷道清扫机是当前清扫机研究的前沿和热点,随着科学技术的发展及城市的发展,就很有必要发展智能化,自动化的道路清扫机。
清扫装置控制系统和清扫部件是决定清扫机性能的最重要部分,其性能好坏决定着清扫车的清扫效率。
因此合理设计清扫装置控制系统和清扫部件并提高其性能是清扫机设计的关键。
1.2技术现状及发展趋势
随着城市建设的迅速发展,国家对环境保护和市容提出了越来越高的要求。
城市人工清扫的传统作业方式在部分大中城市中,正在逐渐地为机械化清扫所代替。
特别是一些城市的特定场所或高新小区内。
清扫机作业正在形成一种趋势。
目前,我国有几个厂家生产清扫机。
单从原理到结构,只相当于发达国家70年代水平。
即在通用汽车底盘上加装扫路机构组成,均为双发动机与同等清扫能力的国外先进机型相比,结构庞大、复杂,功能少,技术性能和可靠性差。
与国外先进技术水平形成鲜明对比。
国外清扫机技术现状:
国外清扫机发展起步较早,技术较先进。
自从英国的JOHNSTON公司1904年设计出马拉的扫路机,美国的ELGIN公司于1914年研制出该公司第一部人力蹬踏的三轮扫路机以来,国外清扫车一直在孜孜不倦地提高其机械化水平。
以美国ELGIN清扫机为例,其智能化的控制、优越的性能、简单的控制操作、可靠的使用,对采用传统机械操作方式的清扫机来说无疑是一次技术上的革命。
ELGIN清扫机功能动作设计有57项之多,内容包括了清扫机工作过程中所遇到的一切问题。
有清洗与吸水功能、喷洒水功能、吸泥管抽吸功能、垃圾箱倾倒功能、警示功能、记忆功能、自保护功能、检测功能等。
要把以上诸多功能动作由分离变成组合,把个别无规则的变成有序的程序工艺,进而成为一个智能型机械。
ELGIN清扫机利用了传感检测技术及计算机技术。
在ELGIN清扫车上使用了各种各样的传感器件,具体分布有:
润滑油—压力传感器,副发动机—温度传感器、转速传感器,垃圾箱—荷重传感器、物位传感器、倾角传感器,清扫用水—液位传感器,重车用电—电量传感器,发动机转速显示—计数式数字量传感器。
通过以上各种传感器件的使用,得到清扫机控制所需要的各种信息,这些信息被送到控制器,由控制器进行存储、运算、变换、加工等处理,发出相应命令通过执行机构,使清扫车的机械本体完成规定动作。
在这里,控制器的作用犹如人的头脑一样。
ELGIN清扫机的高技术部分主要体现在控制器的硬件及软件的设计上,并使之成为一个完整的机电一化系统,该系统具有若干个输人和输出,满足了清扫机57项功能需要,闭环系统又设计了反馈,即从清扫控制过程的输出获得各种信息,又返回到输人端,从而形成一个闭环系统,通过清扫过程的微机控制,实对清扫过程中各任意组合的清扫状况的控制同时实现对被控对象和各部分机具及外部环境进行不断侧并作出恰当的反应。
国内清扫机技术现状:
国内清扫车研制起步较晚,清扫机的机电一体化程度与国外相比相对落后。
80年代以后,国产清扫机基本上采用了国外80年代的先进技术,如真空技术、液压技术、电液操作等技术。
清扫机的机电一体化水平相对有所提高。
然而作为机电一体化技术的核心的技术—计算机技术以及直接制约和影响自动化技术发展的传感检测在国产清扫车上却几乎没有应用,这些大大制约了国内清扫车机电一体化的发展水平。
国产清扫车机电一体化的实现结合科研课题,我们针对国产清扫机的技术现况进行了技术改造。
在原车的基础上综合利用计算机控制、传感检测等技术,以提高其机电一体化水平。
具体进行了以下几个方面的工作。
1、对清扫工况实现智能控制
2、根据被控对象及其工作环境和工作特点,对该清扫机的以下几个部分进行了监控:
(1)水箱水位显示、报警
(2)发动机转速显示、极限转速报警
(3)料箱料重的显示、极限报警
(4)吸尘系统真空度监测、报警
3、使清扫机具有某种记忆功能,能清楚反映总的清扫路程及本次清扫路程,使清扫机在清扫过程中实现自动避障。
航空工业总公司第二研究院所在考察了各国先进机型的基础上,将其优点融为一体,自行研制成功QSJ4-1型城市道路清扫机,通过了国家权威机构的性能测试和部级鉴定。
其某些技术为国内首创,综合性能为国内领先,达到了90年代国际同类产品的水平。
现已投入小批量生产。
QSJ4-1型清扫机使用单台发动机,同时为行驶和作业提供动能,于双发动机机型相比,省掉了一套传动系统所占的大量空间,减轻了清扫机装备质量,从而使承载容积和载荷能力大大增强(荷重比1:
2),减少了噪声,降低了成本。
但是次清扫机没有达到智能化、信息化的要求,技术水平较国外落后。
1.3本文研究的内容
智能巷道清扫机是一种先进的路面清洁工具。
本文的任务,就是对其进行硬件电路的实现。
本课题主要研究的内容有:
(1)通过传感器电路知识的学习及应用和单片机控制技术实现智能清扫机测距、自动避障、自动寻找清扫目标、测量机械部件受力等功能。
(2)以AT89C51单片机作为检测和控制核心,完成驱动系统和电机调速系统的设计。
(3)学习红外遥控系统的发射和接收系统,完成智能清扫机的红外控制系统
设计,实现清扫机的局部自主控制功能。
(4)在各电路模块设计的基础上完成智能清扫机整个系统的设计,做出实物,对智能清扫机体系中的重要环节进行实际调试。
第二章智能清扫机各系统分析
2.1智能清扫机感知系统分析
本系统所设计的智能清扫机具有测距、自动避障、自动寻找清扫目标、测量机械部件受力的功能。
每一个功能均选用几种不同类型的传感器进行测量,再应用D-S融合算法把这些数据进行融合,最后得到我们需要的更加全面、准确、可靠的反映环境特征的信息,指导清扫机的运行。
本系统具体传感器的选用如下:
(1)测距传感器
测距传感器选用了三种类型的传感器:
激光传感器、超声传感器、红外传感器。
(2)避障传感器
避障传感器选用了三种类型的传感器:
激光传感器、超声传感器、红外传感器。
(3)寻找目标传感器
寻找目标传感器选用了两种类型的传感器:
红外传感器和光敏传感器。
(4)光电编码器
用光电编码器检测电机的转速。
(5)压力传感器
压力传感器是用来检测碰撞或者接触信号的传感器,选用了压敏传感器。
压敏传感器是能根据受力大小,自动调节输出电压或者电流,控制机械清扫部件施力大小。
激光传感器选用的是DLS-A激光测距传感器。
该设备拥有许多卓越的性能:
测程0.2-200m,串行接口(RS232或RS422),单根RS422线可连接多达10个模块,范围宽广的供电电压(9-30V),可编程模拟输出,两个可编程数字输出端,数字输出错误信号,4个发光二极管用于显示状态信号,D型接口和螺旋接线端便于连接,望远镜适配器使得安装非常简便,坚固的铝金属外壳,IP65(防止灰尘和水汽浸入),完整的软件配置,二等激光(<0.95mW),可利用三个M4螺旋装配。
超声传感器选用的是中国大恒公司生产的946系列超声测距传感器。
946系列采用超声波原理,具有非接触测量距离、易于目标瞄准、测量精度高、重复精度高、抗干扰、高可靠等特点,特别适合于工业现场使用。
测量范围0-6000mm,线性精度0.1%,声波发射角5°,响应时间500ms,工作电源10V。
红外传感器选用的是红外发光管TLN205和红外接收管TPS708。
红外发光管发射红外光,光波在遇到障碍物后反射,被红外接收管接收,产生一个与光强相对应的电流,电流经LM358组成的两极放大电路放大后,输出一个0-3V的模拟电压,经A/D转换后输入单片机。
清扫机使用的光敏传感器为硫化镉光电管(CDS)。
CDS的电阻值对较少的光线就能产生较大的变化,是智能机械系统较为常用的一种光敏传感器。
光电编码器选用的是E68S15旋转编码器。
该编码器分辨率为1024P/R,电源电压DC5V5%,纹波P-P:
5%以下,最大响应频率100kHz。
压敏传感器采用KP200A/R压敏电阻式压力传感器。
KP200A/R压敏电阻式压力传感器系列是采用SMD封装的微型压力传感器。
他们能为价格作为苛求因素的应用提供固态可靠性。
该单晶压力灵敏图不受材料疲劳影响(一种普通地机械压力传感器失效模式)。
标准的无补偿KP200A/R压力传感器系列既有绝对压力方式的型号,也有校准压力方式的型号。
KP200A/R的封装中还包括一个可用于补偿的硅KT-系列温度传感器芯片。
KP200A/R具有高灵敏度、高线性度、其最大过载压力至少为额定压力的4倍,因此有很高的性能。
2.2智能清扫机控制系统分析
2.2.1驱动系统
本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心来控制驱动器。
并采用了PWM技术对电机进行控制,通过对占空比的计算达到精确调速的目的。
驱动器就是驱动清扫机的动力部件,最常用的是电机了。
当然还有液压、气动等别的驱动方式。
一个清扫机最主要的控制量就是控制清扫机的移动,清扫机驱动器中最根本和本质的问题就是控制电机,控制电机转的圈数,就可以控制清扫机移动的距离和方向,清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。
所以,第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动。
一般来说,有专门的控制卡和控制芯片来进行控制的。
有了这些控制卡和芯片,我们所要做的就是把微控制器与其连接起来,然后就可以用程序来控制电机了。
第二个问题是控制电机的速度,在机器人上的实际表现就是机器人或者手臂的实际运动速度了,机器人走的快慢全靠电机的转速,这样,我们就要求控制卡对电机有速度控制。
电机目前常用的有两种,步进电机和直流电机。
下面我将就这两种电机进行介绍:
1、直流电机:
这是最最普通的电机了。
直流电机最大的问题是你没法精确控制电机转的圈数,也就前面所说的位置控制。
你必须加上一个编码盘,来进行反馈,来获得实际的圈数。
但是直流电机的速度控制相对就比较简单,用一种叫PWM(脉宽调速)的调速方法可以很轻松的调节电机速度。
现在也有很多控制芯片带调速功能的。
选购时要考虑的参数是电机的输出力矩,电机的功率,电机的最高转速。
2、步进电机:
看名字就知道了,它是一步一步前进的。
也就是说,它可以一个角度一个角度地旋转,不像直流电机,你可以很轻松的调节步进电机的转角位置,如果你发一个转10圈的指令,步进电机就不会转11圈,但是如果是直流电机,由于惯性作用,它可能转11圈半。
步进电机的调速是通过控制电机的频率来获得的。
一般控制信号频率越高,电机转的越快,频率越低,转的越慢。
选购时要考虑的参数是电机的输出力矩,电机的功率,每个脉冲电机的最小转角。
还有就是关于输出的动力,要说明一下:
一般情况下,电机都没法直接带动轮子或者清扫机械,因为速度过高力矩不够大,所以我们需要加上一个减速箱来增加电机的输出力矩,但是代价是电机速度的减小,比如一个1:
250的齿轮箱,会让你电机的输出力矩增大250倍,但是速度只有原来的1/250了。
首先计算出清扫机所需要的速度与力矩大小,然后根据速度与力矩去选择电机与减速器。
2.2.2电机调速系统
清扫机需控制在一个合适的速度行驶,速度太快,因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间,清扫机极易碰撞造成损坏。
清扫机的速度是由后轮直流电机转速控制,改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。
其中,调压方式原理简单,易与实现。
采用由晶体管组成的H型PWM调制电路。
用单片机控制达林顿管,使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;电子开关的速度很快,稳定性也极佳,是一种广泛采用的PWM调速技术。
通过下图所示PWM调制电路,用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调状态,实现调速。
图2.1PWM调制电路
PWM各工作方式的选择:
1、PWM调速工作方式:
方案1:
双极性工作制。
双极性工作制是在一个脉冲周期内,单片机的两个控制口各输出一个控制信号,两信号高低电平相反,两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。
方案2:
单极性工作制。
单极性工作制是单片机控制口的一端置低电平,另一端输出PWM信号,两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。
由于单极性工作制电压波形中的交流成分比双极性工作制的小,其电流的最大波动也比双极性工作制的小,所以我们采用了单极性工作制。
2、PWM调脉宽方式:
调脉宽的方式有三种:
定频调宽、定宽调频和调宽调频。
我们采用了定频调宽方式,因为采用这种方式,电动机在运转时比较稳定;并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。
3、PWM软件实现方式:
方案1:
采用定时器作为脉宽控制的定时方式,这一方式产生的脉冲宽度极其精确,误差只在几个us。
方案2:
采用软件延时方式,这一方式在精度上不及方案1,特别是在引入中断后,将有一定的误差。
但是基于不占用定时器资源,且对于直流电机,采用软件延时所产生的定时误差在允许范围,故采用方案2。
PWM实现硬件如图2.1所示,软件过程为:
令单片机P1.7口为低电平,P1.6口为高电平,此时Q1、Q4导通,Q2、Q3截止,电动机正常工作。
改变P1.6口高电平周期,即改变PWM调制脉冲占空比,可以实现精确调速。
脉冲频率对电机转速有影响,脉冲频率高连续性好,但带负载能力差;脉冲频率低则反之。
经实验发现,脉冲频率在30Hz以上,电机转动平稳,但小车行驶时,由于摩擦力使电机转速降低很快,甚至停转;脉冲频率在10Hz以下,电机转动有跳跃现象,实验证明脉冲频率在25~35Hz效果最佳。
我们选取脉冲频率为30Hz。
2.3红外遥控系统分析
红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。
由于红外遥控装置具有体积小、功耗低、功能强、成本低等特点,因而,继彩电、录像机之后,在录音机、音响设备、空调机以及玩具等其它小型电器装置上也纷纷采用红外线遥控。
工业设备中,在高压、辐射、有毒气体、粉尘等环境下,采用红外线遥控不仅完全可靠而且能有效地隔离电气干扰。
为此,在本课题设计中采用红外遥控装置来控制智能清扫机的清扫方式及开机与关机。
通用红外遥控系统由发射和接收两大部分组成,应用编/解码专用集成电路芯片来进行控制操作,如图2.2所示。
发射部分包括键盘矩阵、编码调制、LED红外发送器;接收部分包括光、电转换放大器、解调、解码电路。
红外接收芯片选用TFMS5380。
在遥控器上使用单片机进行红外功能编码,在机器人上,由于单片机处理任务很多,因此选用专用的解码芯片。
解码芯片是REALTEK公司生产的一种用于遥控小卡车的CMOS大规模集成电路RX6B,它有七个控制键来控制小卡车的移动。
由于编码和解码的振荡频率必须一致,频率的大小由OSCI和OSCO之间的电阻决定。
4个红外接收管的信号通过与门与芯片的输入端SI相连,使得解码芯片在接收到任意方向的红外线信号时都能正常工作。
遥控发射器
遥控接收器
图2.2红外遥控系统
第三章系统硬件电路设计
3.1系统总体设计方案和框图
本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。
用测距传感器完成测距,利用激光传感器、超声传感器完成自动避障,用红外传感器和光敏传感器自动寻找清扫目标,用光电编码器检测电机的转速,用压敏传感器测量机械部件受力情况。
利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。
通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。
通过对电路的优化组合,可以最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。
P0口用于数码管显示,P1口用于电动机的PWM驱动控制,P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。
这样做的优点是:
充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。
总系统框图如图3.1所示。
图3.1硬件设计总框图
3.2主机电路核心器件介绍
AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128bytes的随机存取数据存储器(ROM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器(CPU)和Flash存储单元。
功能强大AT89C51单片机可提供许多高性价比的应用场合,可灵活应用于各种控制领域。
3.2.1AT89C51主要性能参数
.与MCS-51产品指令系统完全兼容
.4K字节可重擦写Flash闪速存储器
.1000次擦写周期
.全静态操作:
0Hz---24MHz
.128×8字节内部RAM
.32个可编程I/O口线
.2个16位定时/计数器
.6个中断源
.低功率空闲和掉电模式
3.2.2AT89C51功能特性概述
AT89C51提供以下标准功能:
4K字节Flash闪速存储器,128字节内部RAM,32个I/0口线,两个16位定时/计数器,一个5向量两级中断结构,一个全双工串行通信口,片内振荡器及时钟电路。
同时,AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节电工作模式。
空闲方式停止CPU的工作,但允许RAM,定时/计数器,串行通信口及中断系统继续工作。
掉电方式保存RAM中的内容,但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。
3.2.3AT89C51引脚功能说明
图3.2AT89C51芯片
.VCC:
电源电压
.GND:
地
.P0口:
P0口是一组8位漏极开路型双向I/O,也即地址/数据总线复用口。
作为输出口用时,每位能吸收电流的方式驱动8个TTL逻辑门电路,对端口写“1”可作为高阻抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时,这组口线分时转换地址(低8位)和数据总线复用,在访问期间激活内部上拉电阻。
.P1口:
P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口,P1的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉倒高电平,此时可作输入口。
作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。
.P2口:
P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口,P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。
对端口写“1”,通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平,此时可作输入口,作输入口使用时,因为内部存在上拉电阻,某
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