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2、agraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinesp

3、acinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionp

4、aragraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatli

5、nespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglines

6、topointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 摘摘 要要 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

7、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)關(guān)鍵詞：智能清掃機(jī) 單片機(jī)單片機(jī) 紅外遙控紅外遙控 傳感器傳感器 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) abstract this paper introduces the roadway sweeper hardware design based on mcu, including the choice of single-chip, hardware resource allocation as well as the in

8、terface 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 optimize the structure o

9、f 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 sweeper. experimental res

10、ults show that the sweeping intelligence platform with modular, extensible, portable, customizable hardware and small size, low power consumption and high reliability. keywords：intelligent roadway sweeper mcs-51 infrared remote control sensor drive 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) i 目目 錄錄 第一章 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì).

11、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)傳感器系統(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.9 3.2.1 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 傳感器系統(tǒng)電路.14 3.4.1 超聲波傳感器檢測(cè)電路.14 3.4.2 紅外光

12、電傳感器檢測(cè)電路.15 3.4.3 接觸傳感器檢測(cè)電路.15 3.5 繼電器控制電路.16 3.6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路.17 3.7 紅外控制系統(tǒng)電路.18 3.8 液晶顯示電路.19 3.9 電源模塊.20 第四章 軟件流程設(shè)計(jì).22 4.1 總體軟件流程.22 4.2 紅外遙控系統(tǒng)流程.23 4.3 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程.25 4.4 清掃避障系統(tǒng)流程.25 第五章 系統(tǒng)調(diào)試.27 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) ii 第六章 結(jié)論.28 參考文獻(xiàn).29 致 謝.30 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 1 - 第一章第一章 緒論緒論 1.1 引言引言 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

13、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，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

14、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)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)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

15、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，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 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 2 - 箱傾倒功能、警示功能

16、、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 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 位傳感器、傾角傳感器，清掃用水液位傳感器，重車(chē)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)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)

17、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)控制， 實(shí)現(xiàn)對(duì)清掃過(guò)程中各任意組合的清掃狀況的控制。 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

18、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) 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

19、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。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 3 - 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。其某些技術(shù)為國(guó)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?，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)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)（

20、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)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)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

21、的顯示。 （5）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)，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。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 4 - 第二章第二章 智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析智能清掃機(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)的重要組成部分，由多傳感器及相關(guān)信號(hào)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(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(xiě)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)

22、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(lèi)。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、 位置等。這類(lèi)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(pán)等。外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類(lèi)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

23、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激勵(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，尤其是在陽(yáng)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(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

24、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(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 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 5 - 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)通路和光電元件三部分組成

25、。光電檢測(cè)方法具有精度高、 反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣， 它的探測(cè)距離比較近，從幾個(gè)毫米到幾十厘米不等。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，這些傳感器結(jié)構(gòu)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)對(duì)比分析，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

26、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)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。 2.2.1 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)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

27、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

28、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) 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 6 - 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。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)

29、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)電機(jī)調(diào)

30、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)。 圖 2.1 pwm 調(diào)制電路 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 7 - 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)，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 pw

31、m 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：?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

32、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：

33、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)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) 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 8 - 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 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

34、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)換放大器、解調(diào)、解碼電路。紅外接收

35、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，在清掃機(jī)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 。 遙控發(fā)射器 遙控接收器 圖 2.2 紅外遙控系統(tǒng) 鍵盤(pán)編碼調(diào)制led 光/電放大解調(diào)解碼 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 9 - 第

36、三章第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)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

37、用了單片機(jī)的內(nèi)部資源, 降 低了總體設(shè)計(jì)的成本?？傁到y(tǒng)框圖如圖 3.1 所示。 單 片 機(jī) 看門(mén)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)電路核心器件介紹主機(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

38、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)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)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 10 - .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 .1288 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 功能特性概述功能特性概述 at89c51

39、 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 引腳功能說(shuō)明引腳功能說(shuō)明 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 11 - 圖 3.2 at89c5

40、1 芯片 .vcc：電源電壓 .gnd：地 .p0 口口：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(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 口：口：p1 口是一個(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

41、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） 。 .p2 口：口：p2 口是一個(gè)帶有內(nèi)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(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） 。 .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(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)，

42、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 p3.0 rxd （串行輸入口） p3.1 txd （串行輸出口） p3.2 （外中斷 0）0int p3,3 （外中斷 1）1int p3.4 t0 （定時(shí)/計(jì)數(shù)器 0） p3.5 t1 （定時(shí)/計(jì)數(shù)器 1） 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 12 - 3.3 看門(mén)狗看門(mén)狗 imp813l 電路電路 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

43、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 3.3 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

44、，引腳功能如 下： p3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）wr p3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）rd imp813l wdi pfo reset gnd vcc pfi mrwdo 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 13 - 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(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

45、 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)?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

46、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)

47、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)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。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 14 - 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(mén)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)電路傳感器系統(tǒng)電路 3.4.1 超聲波傳感器檢測(cè)電路超聲波傳感器檢測(cè)電路

48、 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，因此需要加入放大電路以增 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 p3.7 口，這里采用了兩級(jí)與非門(mén) 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)行放大、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

49、接收信號(hào)兩級(jí)放大，放大信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器 lm339 調(diào)理成 方脈沖，再經(jīng)過(guò)非門(mén) 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。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 15 - 圖 3.5 發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路 圖 3.6 回波接收電路 3.4.2 紅外光電傳感器檢測(cè)紅外光電傳感器檢測(cè)電路電路 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） ，out

50、1 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，比較器 lm324 的 3 端輸入低電平，使得 3 端電壓小于 2 端的門(mén)檻電壓，則輸出端 1 腳輸出低電平，指示燈 l3 被點(diǎn)亮。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 16 - 圖 3.7 紅外光電傳感器檢測(cè)電路 3.4.3 接觸傳感器檢測(cè)接觸傳感器檢測(cè)電路電路 3.8 接觸傳感器檢測(cè)單元接口電路 接觸傳感器通過(guò)與目標(biāo)物體的接觸來(lái)識(shí)別

51、障礙物。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單， 裝卸方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。鑒于清潔機(jī)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(dòng)開(kāi)關(guān)作為接觸傳感器，該型號(hào)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)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

52、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(chǎng)合，幾乎都需要使用繼 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 17 - 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)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

53、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。 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 412

54、3 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 3.9 所示。 3.6 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路驅(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

55、片機(jī)輸出端口的電流一般只有 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 18 - 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)殚_(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。 圖 3.10 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路 按照?qǐng)D 3.

56、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)

57、的異步串行口 tx 輸出的串行數(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)到了用串行口 tx 輸 出的串行數(shù)據(jù)信號(hào)直接調(diào)制載波，進(jìn)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(shí)分制幅度鍵控調(diào)制方式。 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 19 - 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

58、)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 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(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)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 t

59、fms5380 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(diǎn)， 長(zhǎng)春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) - 20 - 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。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

60、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)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”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、電源供電部分。 單片機(jī)部分：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. 電源部分： +5v 電壓供電，維持系統(tǒng)的