1、selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbb

2、agraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinesp

3、acinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 長春理工大學畢業(yè)設計 selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionp

4、aragraphformatlinespacinglinestopointselectionparagraaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestselectionparbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbbagraphfolinespacinglinestopointsselectionparagraphformatli

5、nespacinglinestopointse11111111111111111111111111111111lectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraphformatlinespaci2222222222222222222222nglinestopoints2selectionparagraphformatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglines

6、topointselectionparagraphfccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccccormatlinespacinglinestopointsselectionparagraphformatlinespacinglinestopoctionparagraselec 摘摘 要要 本文是基于單片機的智能巷道清掃機硬件設計，包括單片機控制系統(tǒng)、驅動 系統(tǒng)、電機調速系統(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) 等的設計，在設計中，優(yōu)化了系統(tǒng)的結構，提高了系統(tǒng)的性能。對巷道清掃機 設計中有關清掃系統(tǒng)構成的方案、工作

7、原理及特性等問題進行了探討。設計出 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。 關鍵詞：智能清掃機關鍵詞：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 驅動驅動 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 長春理工大學畢業(yè)設計 i 目目 錄錄 第一章 緒論.1 1.1 引言.1 1.2 技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢.

11、1 1.3 本文研究的內容.3 第二章 智能清掃機各系統(tǒng)分析.4 2.1 智能清掃機傳感器系統(tǒng)分析.4 2.2 智能清掃機控制系統(tǒng)分析.5 2.2.1 驅動系統(tǒng).5 2.2.2 電機調速系統(tǒng).6 2.3 紅外遙控系統(tǒng)分析.8 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計.9 3.1 系統(tǒng)總體設計方案和框圖.9 3.2 主機電路核心器件介紹.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 引腳功能說明.10 3.3 看門狗 imp813l 電路.12 3.4 傳感器系統(tǒng)電路.14 3.4.1 超聲波傳感器檢測電路.14 3.4.2 紅外光

12、電傳感器檢測電路.15 3.4.3 接觸傳感器檢測電路.15 3.5 繼電器控制電路.16 3.6 驅動系統(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 軟件流程設計.22 4.1 總體軟件流程.22 4.2 紅外遙控系統(tǒng)流程.23 4.3 驅動系統(tǒng)流程.25 4.4 清掃避障系統(tǒng)流程.25 第五章 系統(tǒng)調試.27 長春理工大學畢業(yè)設計 ii 第六章 結論.28 參考文獻.29 致 謝.30 長春理工大學畢業(yè)設計 - 1 - 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

13、術進步，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 要技術手段越來越重要。為了完成清掃任務降低勞動強度，提高清掃速度和工 作質量，這項工作逐步由人工向機械轉化。近年來，國內外清掃機械的發(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。國內有廠家引 進了國外先進吸掃式清掃機工作裝置的生產技術，與國產汽車底盤配套生產清 掃機，大大提高了國產清掃機的技術性能?；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，隨著科學技術的發(fā)展及城市的發(fā)展，就很有必要 發(fā)展智能化，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

14、清掃效率。因此合理設計清掃 裝置控制系統(tǒng)和清掃部件并提高其性能是清掃機設計的關鍵。 1.2 技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢技術現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢 隨著城市建設的迅速發(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。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清掃機。單從原理到結構，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，結構龐大、復雜，功能少，技術性能和可靠性差。 與國外先進技術水平形成鮮明對比。 國外清掃機技

15、術現(xiàn)狀： 國外清掃機發(fā)展起步較早，技術較先進。 自從英國的 johnston 公司 1904 年設計出馬拉的掃路機，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上的革命。 elgin 清掃機功能動作設計有 57 項之多，內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、吸泥管抽吸功能、垃圾 長春理工大學畢業(yè)設計 - 2 - 箱傾倒功能、警示功能

16、、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及計算機 技術。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 命令通過執(zhí)行機構，使清掃車的機械本體完成規(guī)

17、定動作。在這里，控制器的作 用猶如人的頭腦一樣。 elgin 清掃機的高技術部分主要體現(xiàn)在控制器的硬件及軟件的設計上，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。 國內清掃機技術現(xiàn)狀： 國內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，國產清掃機基本上采用了國外 80 年代的先進技術，如真空技術、 液壓技術、電液操作等技術。清掃機的機電一體化

18、水平相對有所提高。然而作 為機電一體化技術的核心的技術計算機技術以及直接制約和影響自動化技術 發(fā)展的傳感檢測在國產清掃車上卻幾乎沒有應用，這些大大制約了國內清掃車 機電一體化的發(fā)展水平。 國產清掃車機電一體化的實現(xiàn)結合科研課題，我們針對國產清掃機的技術 現(xiàn)況進行了技術改造。在原車的基礎上綜合利用計算機控制、傳感檢測等技術, 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)動機轉速顯示、極限轉速報警 (3)料箱料重的顯示、極限報警 (4)吸塵系統(tǒng)真

19、空度監(jiān)測、報警 3、使清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。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 3 - 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，通過了國家權威機構的性 能測試和部級鑒定。其某些技術為國內首創(chuàng)，綜合性能為國內領先，達到了 90 年代國際同類產品的水平。現(xiàn)已投入小批量生產。 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量， 從而使承載容積和載荷能力大大增強（

20、荷重比 1:2） ，減少了噪聲，降低了成本。 但是次清掃機沒有達到智能化、信息化的要求，技術水平較國外落后。 1.3 本文研究的內容本文研究的內容 智能巷道清掃機是一種先進的路面清潔工具。本文的任務，就是對其進行 硬件電路的實現(xiàn)。 本課題主要研究的內容有： （1）通過傳感器電路知識的學習及應用和單片機控制技術以實現(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，完成驅動系統(tǒng)和電機調速系統(tǒng) 的設計。 （3）學習紅外遙控系統(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）查找顯示電路相關資料，完成智能清掃機時間及行駛速度

21、的顯示。 （5）在各電路模塊設計的基礎上完成智能清掃機整個系統(tǒng)的設計，對智能清掃 機體系中的重要環(huán)節(jié)進行實際調試。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 4 - 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，由多傳感器及相關信號處理電路組成。在非結構化 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

22、器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大致可以分為內傳感器和外傳感器兩 大類。內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系到清掃機自動避障策略 的選擇和執(zhí)行質量。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

23、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，由換能晶片在電壓的激勵下發(fā)生振動產生的，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。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射形成反射成 回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業(yè)、國 防、生物醫(yī)學等方面。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)境適應能

24、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)光電轉換的關鍵元件，它 是把光信號（紅外、可見及紫外光輻射）轉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換成光 長春理工大學畢業(yè)設計 - 5 - 信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。紅外光電傳感 器一般由光源、光學通路和光電元件三部分組成

25、。光電檢測方法具有精度高、 反應快、非接觸等優(yōu)點，而且可測參數(shù)多，傳感器的結構簡單，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 和控制中應用非常廣泛。 接觸傳感器通過與被測物體的接觸來確定被測物體的相關信息，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、接觸開關等，這些傳感器結構簡單、信號易處理、適應能力強 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,因此廣泛應用于移動機器人的局部導航。 經(jīng)過對比分析，本設計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸

26、開 關、三種傳感器來構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)分析智能清掃機控制系統(tǒng)分析 本設計以 at89c51 單片機作為檢測和控制核心來控制驅動器。并采用了 pwm 技術對電機進行控制，通過對占空比的計算達到精確調速的目的。 2.2.1 驅動系統(tǒng)驅動系統(tǒng) 驅動器就是驅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 掃機驅動器中最根本和本質的問題就是控

27、制電機，控制電機轉的圈數(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

28、沒法精確 控制電機轉的圈數(shù)，也就前面所說的位置控制。你必須加上一個編碼盤，來進 長春理工大學畢業(yè)設計 - 6 - 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（脈寬調速）的調速方法可以很輕松的調節(jié)電機速度。現(xiàn)在也有很多 控制芯片帶調速功能的。選購時要考慮的參數(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，不像直流電機，你可以很輕松的調節(jié)步進電機的轉 角位置，如果你發(fā)一個轉 10 圈的指令，步進電機就不會轉 11 圈，但是如果是 直流電機，由于慣性作用，它可能轉

29、11 圈半。步進電機的調速是通過控制電機 的頻率來獲得的。一般控制信號頻率越高，電機轉的越快，頻率越低，轉的越 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 小轉角。 還有就是關于輸出的動力，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 電機調速系統(tǒng)電機調

30、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、處理時間，清掃機極易碰撞造成損壞。清掃機的速度是 由后輪直流電機轉速控制，改變直流電機轉速通常采用調壓、調磁等方式來實 現(xiàn)。其中，調壓方式原理簡單，易與實現(xiàn)。 圖 2.1 pwm 調制電路 長春理工大學畢業(yè)設計 - 7 - 采用由晶體管組成的 h 型 pwm 調制電路。用單片機控制達林頓管，使之 工作在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。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)轉速和方 向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極佳，是一種廣泛采用的 pw

31、m 調 速技術。 通過圖 2.1 所示 pwm 調制電路，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可 調狀態(tài)，實現(xiàn)調速。 pwm 各工作方式的選擇： 1、pwm 調速工作方式： 方案 1：雙極性工作制。雙極性工作制是在一個脈沖周期內，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 定電動機的轉向和轉速。 方案 2：單極性工作制。單極性工作制是單片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 的占空比調節(jié)決定電動機 的轉向和轉速。 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

32、采用了單極性工作制。 2、pwm 調脈寬方式： 調脈寬的方式有三種：定頻調寬、定寬調頻和調寬調頻。我們采用了定頻 調寬方式，因為采用這種方式，電動機在運轉時比較穩(wěn)定；并且在采用單片機 產生 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：

33、令單片機 p1.7 口為低電平， p1.6 口為高電平，此時 q1、q4 導通，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 調制脈沖占空比，可以實現(xiàn)精確調速。脈沖 頻率對電機轉速有影響，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，電機轉動平穩(wěn)，但小車行駛時， 由于摩擦力使電機轉速降低很快，甚至停轉；脈沖頻率在 10hz 以下，電機轉動 長春理工大學畢業(yè)設計 - 8 - 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

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、成本低等特點，因而，繼彩電、錄像機之后，在 錄音機、音響設備、空調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機。 通用紅外遙控系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，應用編/解碼專用集成電路 芯片來進行控制操作，如圖 2.2 所示。發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調制、led 紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉換放大器、解調、解碼電路。紅外接收

35、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很多，因此選用專用的解碼芯片。解碼芯片是 realtek 公司生產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) 鍵盤編碼調制led 光/電放大解調解碼 長春理工大學畢業(yè)設計 - 9 - 第

36、三章第三章 系統(tǒng)硬件電路設計系統(tǒng)硬件電路設計 3.1 系統(tǒng)總體設計方案和框圖系統(tǒng)總體設計方案和框圖 本設計以 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速。利用 pwm(脈寬調制)技術動態(tài)控制電動機的轉動方向和轉速。通過軟件編程實現(xiàn)清 掃機行進、執(zhí)行清掃任務、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

37、用了單片機的內部資源, 降 低了總體設計的成本。總系統(tǒng)框圖如圖 3.1 所示。 單 片 機 看門狗電路 pwm 調速電路 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 公司生產的低電壓，高性能 cmos 8 位單片機， 片內含 4k bytes 的可反復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 生產，兼容標準 mcs-51 指令

38、系統(tǒng)，片內置通用 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用場合， 可靈活應用于各種控制領域。 3.2.1 at89c51 主要性能參數(shù)主要性能參數(shù) .與 mcs-51 產品指令系統(tǒng)完全兼容 長春理工大學畢業(yè)設計 - 10 - .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

39、 提供以下標準功能：4k 字節(jié) flash 閃速存儲器，128 字節(jié)內部 ram，32 個 i/0 口線，兩個 16 位定時/計數(shù)器，一個 5 向量兩級中斷結構，一 個全雙工串行通信口，片內振蕩器及時鐘電路。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 硬件復位。 3.2.3 at89c51 引腳功能說明引腳功能說明 長春理工大學畢業(yè)設計 - 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 位漏極開路型雙向 i/o，也即地址/數(shù)據(jù)總線復用口。作 為輸出口用時，每位能吸收電流的方式驅動 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 分時轉換地址（低 8 位）和數(shù)據(jù)總線復用，在訪問期間激活內部上拉電阻。 .p1 口：口：p1 口是一個攜帶內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p1 的輸出緩沖級可 驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉 電阻把端口拉倒高電平，此時可作輸入口。作輸入口使用時，因為內部存在

41、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：p2 口是一個帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p2 的輸出緩沖級可 驅動（吸收或輸出電流）4 個 ttl 邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內部的上拉 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 口是一組帶有內部上拉電阻的 8 位雙向 i/o 口，p3 口輸出緩沖級可 驅動（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 部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時，

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/計數(shù)器 0） p3.5 t1 （定時/計數(shù)器 1） 長春理工大學畢業(yè)設計 - 12 - 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位電路，對復位電路的基本要求是：在單片機 上電時能可靠復位，在下電

43、時能防止程序亂飛導致 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) 象導致單片機系統(tǒng)無法正常工作，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

44、，引腳功能如 下： p3.6 （外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）wr p3.7 （外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）rd imp813l wdi pfo reset gnd vcc pfi mrwdo 長春理工大學畢業(yè)設計 - 13 - 第 1 腳為手動復位輸入，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 位輸出，第 8 腳為看門狗輸出。 imp813l 的性能特點： imp813l 的內部結構框圖如圖所示，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)復位輸出。系統(tǒng)上電、掉電以及供電電壓降低時，第 7

45、 腳產生復位輸出， 復位脈沖寬度的典型值為 200ms，高電平有效，復位門限的典型值為 4.65v。 (2)看門狗電路輸出。如果在 1.6s 內沒有觸發(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)手動復位輸入，低電平有效，即第 1 腳輸入一個低電平，則第 7 腳產生 復位輸出。 (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 的典型應用電路： imp813l 的典型應用電路如圖 3.4 所示。圖中單片機以 at89c51 為例， imp813l 的第 1

46、腳與第 8 腳相連。第 7 腳接單片機的復位腳(at89c51 的第 9 腳)； 第 6 腳與單片機的 p1.4 相連。在軟件設計中，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 imp813l 的 第 8 引腳輸出低電平，該低電平加到第 1 腳，使 imp813l 產生復位輸出，使單 片機有效復位，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 也產生復位輸出，使單片機處于復位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電 源電壓恢復正常，可有效防止因電源電壓較低時單片機產生錯誤的動作。 電源故障輸入 pfi 通過

47、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，或將重要數(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。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 14 - 圖 3.4 imp813l 的典型應用電路 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 位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復位信號為高電平，因而是應用于復 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

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 20ma，無法直接驅動超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波束，因此需要加入放大電路以增 強驅動能力。圖 3.5 為發(fā)射波驅動電路，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 74ls00 來增 強驅動能力，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

49、接收信號兩級放大，放大信號經(jīng)過比較器 lm339 調理成 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。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 15 - 圖 3.5 發(fā)射波驅動電路 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 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） ，out

50、1 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 腳輸出低電平，指示燈 l3 被點亮。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 16 - 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

51、障礙物。這種傳感器結構簡單， 裝卸方便，環(huán)境適應性強。鑒于清潔機器人結構緊湊、便于裝卸的要求，本文 選擇 rv-163-1c25 型微動開關作為接觸傳感器，該型號開關結構小巧，使用簡 單可靠，信號無需調理。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。當觸碰到障礙物時，探測簧片被壓下， 傳感器的 1 腳和 3 腳導通，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

52、制電路繼電器控制電路 在電氣控制領域或產品中，凡是需要邏輯控制的場合，幾乎都需要使用繼 長春理工大學畢業(yè)設計 - 17 - 電器，從家用電器到工農業(yè)應用，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)轉化的 物理量的不同，可以構成各種各樣的不同功能的繼電器，以用于各種控制電路 中進行信號傳遞、放大、轉換、連鎖等，從而控制主電路和輔助電路中的器件 或設備按預定的動作程序進行工作，實現(xiàn)自動控制和保護的

53、目的。被轉化或施 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，將垃圾送到垃圾漏斗。本設計共需 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 412

54、3 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 不產生閉合，使用 mc1413 為無源驅動器，in4007 組成繼電器的續(xù)流二極管。 電路圖如圖 3.9 所示。 3.6 驅動系統(tǒng)電路驅動系統(tǒng)電路 驅動系統(tǒng)電路包括驅動器、光電隔離模塊以及驅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，而電機的驅動電壓為 12v 或者更高，考慮到單片機會受到驅動部分的干擾，因此采用了光電耦合器 tlp521，把控制部分和驅動部分隔離開來。單

55、片機輸出端口的電流一般只有 長春理工大學畢業(yè)設計 - 18 - 20ma 左右，不足以或者不能穩(wěn)定地驅動光電耦合器 tlp521 工作，因此采用芯 片 74hc245 來增強驅動能力，為光電耦合器 tlp521 提供合適的驅動電流。驅 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、制動及換向時產生的反電勢。保護二極管最好采用高速大 電流的開關管，否則反向恢復時間太長，l298n 內部 h 橋的上下兩個三極管會 因為開閉時序交叉，導致同時打開而短路，長期使用狀態(tài)下會造成 l298n 發(fā)熱 或燒毀。 圖 3.10 驅動系統(tǒng)電路 按照圖 3.

56、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)過驅動 器芯片 74hc245 和光電耦合器之后輸入電機驅動芯片 l298n，控制電機動作。 當需要調速時只需改變 pwm 調速脈沖（本設計中由單片機 p1.3 和 p1.6 端口產 生）的占空比即可，理論上可以實現(xiàn) 256 級調速。 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、電容構成的 振蕩器產生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)器構成的2分頻/整形電路變成38khz 的方波信號。 由單片機

57、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)信號直接調制載波，進行紅外數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪康?。發(fā)射電路的調制 采用的是時分制幅度鍵控調制方式。 長春理工大學畢業(yè)設計 - 19 - 圖3.11 紅外發(fā)射電路 設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器的組合。(2

58、)超敏感度和傳送距 離。(3)內置 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的內部框圖及構成的接收電路。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，被調制信號的脈沖寬 度不小于600us。tfms5380的應用電路非常簡單。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?圖3.12 t

59、fms5380 構成的接收電路 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、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點， 長春理工大學畢業(yè)設計 - 20 - 在袖珍式儀表和低功耗應用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應用。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，當然得找出相應的顯

60、示字符的字符代碼及在 dm- 162 液晶顯示模塊的相應顯示位置的 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，可能是顯示驅動電壓的不穩(wěn)定性，或者 是由于驅動電壓的過高，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