某單片機控制清潔小車的總體方案設(shè)計分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u31491某單片機控制清潔小車的總體方案設(shè)計分析案例 1325501.1車體選擇 2149651.2單片機控制模塊選擇 2137801.3電源模塊選擇 3282881.4電機模塊選擇 4276661.5避障檢測模塊選擇 4176141.6充電模塊選擇 5116951.7顯示模塊選擇 590811.8選擇方案 6根據(jù)題目要求，本次設(shè)計系統(tǒng)采用單片作為核心系統(tǒng)控制處理器，用于智能清潔小車的控制。避障模塊負責收集工作環(huán)境中的信息，智能清潔小車的驅(qū)動由電機驅(qū)動模塊完成進，電源模塊負責給單片機供電，充電模塊負責電池的充電。系統(tǒng)總體設(shè)計方框圖見圖1.1。圖1.1系統(tǒng)總體方框圖1.1車體選擇方案1在網(wǎng)上購買成品的電動玩具車，然后通過對成品玩具車進行改裝實現(xiàn)設(shè)計。因為成品電動玩具車自帶有配套齊全的車架結(jié)構(gòu)、電機和配套的驅(qū)動電路。但直接購買的電動玩具車也有一些缺點，由于電動玩具車的商業(yè)屬性，它的裝配會很緊湊，車體上很少有空位置去添加設(shè)計中的一些元器件，不利于改裝傳感器和一些其他器件。第二，對于市面上常見的電動玩具車多數(shù)是由后輪對小車進行驅(qū)動，前輪為轉(zhuǎn)向輪，因此，玩具車不能靈活快速地執(zhí)行諸如保持原地旋轉(zhuǎn)90度或180度掉頭之類的功能。三是電動玩具車電動機主要是使用玩具直流電機。由于玩具直流電動機的轉(zhuǎn)矩太小，空載速度快，玩具車的負載性能下降，調(diào)速變得困難。且它的價格較高，性價比不高。所以放棄這種方案。方案2直接購買亞克力車身底板，雙層亞克力板具有有利于搭建其他結(jié)構(gòu)模塊的優(yōu)點，在其上安裝紅外傳感器容易實施。在經(jīng)過多次考量后，基本制定了智能清潔小車由四輪驅(qū)動，由左右車輪轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向的車模方案。即左右四個輪分別用四個力矩和轉(zhuǎn)速基本完全相同的直流減速電機作為驅(qū)動電機，且左邊兩個電機串聯(lián)，右邊兩個電機串聯(lián)，當左右兩邊電機分別進行正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速不同時，就可實現(xiàn)智能清潔小車的轉(zhuǎn)向與掉頭等功能，且四輪系統(tǒng)智能清潔小車行駛與執(zhí)行清掃任務(wù)也更穩(wěn)定。最終選擇方案2。1.2單片機控制模塊選擇本系統(tǒng)最重要的部分是選擇適合的核心控制模塊，開發(fā)小型智能控制系統(tǒng)時無需考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜的嵌入式芯片，因此本文在選擇控制芯片時以當前市場上應(yīng)用較多的為主，屬于一種單芯片微處理器。在選取本系統(tǒng)核心控制芯片前，要對比市場上多款主流SCM模型。(1)MSP430單片機：全球規(guī)模最大的半導(dǎo)體制造公司TT在市場上推出的一款16位高性能混合信號處理芯片，即為MSP430系列MCU芯片，該芯片的特征體現(xiàn)在能耗超低，運行速度快、計算能力強，組裝指令集簡單且高度集成，用戶操作簡單，主要在對功耗比較敏感的場景有很好的表現(xiàn)，如數(shù)模轉(zhuǎn)換、能耗超低及計算要求高的工業(yè)自動控制領(lǐng)域運用。根據(jù)功能和內(nèi)存大小等具體配置的差異，其分為很多個系列。從最開始的11x系列，發(fā)展到后來的33x系列和F13系列、F14系列等等。由于其實16位處理器，因此其特點是處理能力強、運算速度快。此外，其片內(nèi)還有包括看門狗，定時器，以及一些常見的硬件通信接口等等。同時其也有固定的編譯軟件，方便開發(fā)者對其進行開發(fā)。(2)STC89C52單片機：STC單片機在長期發(fā)展下已經(jīng)被我國市場所接受，是我國國產(chǎn)單片機的代表。STC89C52單片機是一款入門者廣泛接觸并使用的微處理器，其是一款8位的處理器。它日常的工作狀態(tài)非常的穩(wěn)定，很少出現(xiàn)程序跑飛的情況。其具有兩個非常顯著的特點，一是供電壓低，二是其性能也相對較高。89C52系列單片機的引腳總數(shù)是40，其中可以進行編程的引腳一共有32個，其中分為4組，分別記做P0-P3，每組有8個，每個都是8位并行I/O口；有一個可以雙向通信的串行端口，還擁有可以隨時中斷程序的中斷源，共5個，兩個中斷優(yōu)先級以及位數(shù)達到16位的定時器。STC89C52單片機存儲分為兩個部分，一部分是不可以擦除的存儲部分，其程序存儲器的大小是4個KB，數(shù)據(jù)存儲器的大小是128個比特。另外一部分是可以擦除的部分，系統(tǒng)都程序都將存儲在可以擦除的存儲器內(nèi)部，這樣比較方便調(diào)試和下載。這部分空間的大小是4KB。STC89C52微控制器含有中斷控制，定時器等部件，因此使用起來非常的方便，外部所需要的器件也很少，它與工業(yè)標準的MCS51指令集也相互兼容。(3)PIC單片機：PIC單片機系列產(chǎn)品從市場需求出發(fā)分為三個等級，分別為高級、中級、低級。美國芯片公司成立后，其生產(chǎn)制造的芯片銷售量與銷售速度讓人意想不到，且PIC微控制器上運用RISC指令集結(jié)構(gòu)，從性能出發(fā)可劃分為三個等級。系統(tǒng)架構(gòu)上運用哈佛雙總線法，一個指令周期上的工作方式如下：在從內(nèi)存中讀取一條指令后再運行該指令。(4)AVR單片：AVR單片機是同樣是8位的，但它的不同之處是——它是一款高速單片機。AVR微處理器內(nèi)部擁有高質(zhì)量的FLASH。其始終頻率較高，因此他執(zhí)行指令的速度很快，執(zhí)行每條指令對程序帶來的延時很小。但是AVR單片機內(nèi)部沒有類似累加器的功能，需要靠頻繁反復(fù)的使用其內(nèi)部的寄存器進行操作。通過分析智能清潔小車的系統(tǒng)，幾種方案相比，MSP430單片機和AVR單片機性能雖好，但是本設(shè)計中并沒有那么大的資源消耗，同時這兩款單片機價格也相對STC89C52單片機來說比較昂貴。而PIC單片機存在四個地址存儲區(qū)間，在編程過程中要不斷選擇存儲區(qū)間，因此對編程造成了一些麻煩。而STC89C52單片機價格低廉，并且內(nèi)存等資源完全夠用。本文設(shè)計應(yīng)用系統(tǒng)時考慮的主要因素為成本核算、功能需求及運行穩(wěn)定性，STCMCU系列的STC89C52芯片穩(wěn)定性強、功能完善、運行速度快，可以與8051MCU指令集相互兼容，且價格低廉，基本上可以達到系統(tǒng)設(shè)計需求。因此綜合以上種種考慮，在本設(shè)計中采用方案二使用STC89C52作為主控制器。1.3電源模塊選擇在對于本次智能清潔小車系統(tǒng)的電源模塊選擇時，我考慮到小車的續(xù)航情況、性價比和環(huán)保等方面，設(shè)計了以下幾種方案。方案1采用12V蓄電池做電源，經(jīng)過7805三端集成穩(wěn)壓器將12V電壓變換后為單片機供電。穩(wěn)定的電壓輸出性能與優(yōu)秀的電流驅(qū)動能力完全滿足系統(tǒng)要求，且硬件成本低，不論是購買成本還是維修更換成本。對于電子產(chǎn)品適應(yīng)性好。而蓄電池安裝體積大，不易于在一般小型電動車上應(yīng)用的缺點在本次設(shè)計的智能清潔機器人上則不存在，本次設(shè)計采用雙層亞克力車板結(jié)構(gòu)有足夠的地方固定蓄電池，四輪驅(qū)動，所以不存在安裝與運行時不方便的情況。使用蓄電池也符合小車性價比高的要求，且本次設(shè)計還要求有與智能清潔小車配套的充電裝置，因此我們選擇此方案。方案2采用6節(jié)1.5V干電池作為電源，經(jīng)過7805三端集成穩(wěn)壓器變壓后為單片機系統(tǒng)供電。雖然這種方案也能滿足智能清潔小車工作室系統(tǒng)的要求，但考慮到小車性價比，環(huán)保等方面，放棄這種方案。綜上所述采用方案11.4電機模塊選擇方案1步進電機的工作是通過脈沖信號來進行驅(qū)動，其一般實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速是相對精確的，通過程序可以控制其實現(xiàn)相對精確的轉(zhuǎn)動?？梢酝ㄟ^單片機控制其進行加速、減速、正轉(zhuǎn)等功能。步進電動機的速度由其驅(qū)動芯片提供的脈沖頻率所決定。它的速度與驅(qū)動脈沖的頻率成正比。脈沖頻率越高，速度越快。但它也存在著缺點，低速行駛時可能會出現(xiàn)異常的抖動，并且由于高速行駛時扭矩損失大且精度相對較低，因此步進電機的運行速度受到限制，不能實現(xiàn)快速的運行。方案2汽車的發(fā)動機大部分是使用的直流電機進行驅(qū)動的，因為其可控制性強，加速減速也快，所有被廣泛的使用。其可以直接使用單片機控制其速度的變換，控制加減速的方式主要是通過控制其兩端的電壓的大小，也可以通過程序性控制的方式-PWM調(diào)速程序控制其占空比來實現(xiàn)控制其速度。故本次設(shè)計采用方案2來實現(xiàn)。1.5避障檢測模塊選擇方案1用超聲波傳感器實現(xiàn)小車的避障檢測功能。超聲波傳感器是將超聲波信號轉(zhuǎn)換為另一個能量信號的傳感器。它是利用超聲波的特性開發(fā)的傳感器，超聲波是頻率為20KHZ或更高的機械波。它可以用于檢測透明物體、液體，還可以對集裝箱狀態(tài)進行探測，但是，它不適用于室外高溫高壓環(huán)境或壓力罐和泡沫物體。精度相對低于反射型光電傳感器。方案2紅外傳感器具有高度敏感，反應(yīng)快等的優(yōu)點。通過將發(fā)射與接受合二為一，根據(jù)不同的需求對檢測距離進行調(diào)節(jié)。具有檢測距離長，抗光干擾能力強，成本低，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便等特點。被大面積使用在機器人避障，流水線計數(shù)等自動化相關(guān)產(chǎn)品方面。經(jīng)過以上分析，本設(shè)計采用方案2紅外傳感器。1.6充電模塊選擇因為智能清潔小車所用的電源為12V蓄電池，在小車充電模塊所需完成的任務(wù)就是提供12V蓄電池的充電裝置，所需要完成的工作為制作一個220V轉(zhuǎn)12V的直流電源，通過一個220V轉(zhuǎn)12V的變壓器實現(xiàn)，在直流電源的輸出端引出一個與12V蓄電池相接的端口。充電裝置如下圖1.2所示。圖1.2充電裝置1.7顯示模塊選擇方案1用LCD液晶顯示屏顯示，它的原理利用穿過濾色器并產(chǎn)生各種顏色的白光，再通過電流調(diào)節(jié)不同像素點的透光率來完成對不同顏色的控制。LCD有許多的優(yōu)點顯示更加清晰，內(nèi)容更豐富，信息量大，使用起來非常便利，但安裝占用地方較大，智能清潔小車在固定蓄電池后車體緊湊不宜安裝，且價格相對較高，功耗耗能大。方案2用LED燈來進行顯示，通過了LED燈亮滅的數(shù)量來顯示智能清潔小車不同的工作模式。它有格便宜、使用簡單、功耗小、無熱量、耐沖擊等優(yōu)點，而且LED燈安裝簡單，占用空間小，也滿足車體安裝蓄電池后安裝空間有限的問題。綜上所述選用方案2。1.8選擇方案在對智能清潔小車進行反復(fù)選擇，我最終確定了以下的方案：本次設(shè)計以STC89C5