基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计.doc

编号编号 本科生毕业设计本科生毕业设计 基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计 Intelligent roadway sweeper hardware design based on MCU 学 生 姓 名 专 业通信工程通信工程 学 号 指 导 教 师 学 院电子信息工程学院电子信息工程学院 2009 年年 06 月月 基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计 摘要：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：关键词：智能清扫机；单片机；传感电路；驱动模块；通信模块 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 interface 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 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 characteristics 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：Intelligent cleaner；Mcs-51；sensing circuit； drive module；Communication Module 目 录 第一章第一章 绪论绪论- 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 - 第二章第二章 智能清扫机各系统分析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 - 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计- 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 - 3.2.1 AT89C51 主要性能参数.- 9 - 3.2.2 AT89C51 功能特性概述- 10 - 3.2.3 AT89C51 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 - 第四章第四章 软件流程设计软件流程设计- 20 - 4.1 软件总体设计- 20 - 4.2 各部分流程设计 - 21 - 第五章第五章 系统调试系统调试- 24 - 结结 论论- 25 - 参考文献参考文献- 26 - 致致 谢谢- 27 - 长春理工大学毕业设计 - 1 - 第一章第一章 绪论绪论 1.1 引言引言 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 长春理工大学毕业设计 - 2 - 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， 长春理工大学毕业设计 - 3 - 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。 长春理工大学毕业设计 - 4 - 第二章第二章 智能清扫机各系统分析智能清扫机各系统分析 2.1 智能清扫机感知系统分析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。 长春理工大学毕业设计 - 5 - 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 DC5V 5%，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智能清扫机控制系统分析 2.2.1 驱动系统驱动系统 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 长春理工大学毕业设计 - 6 - 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。 长春理工大学毕业设计 - 7 - 图 2.1 PWM 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 长春理工大学毕业设计 - 8 - 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 2535Hz 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 键盘编码调制LED 光/电放大解调解码 长春理工大学毕业设计 - 9 - 第三章第三章 系统硬件电路设计系统硬件电路设计 3.1 系统总体设计方案和框图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。 单 片 机 看门狗电路 PWM 调速电路 红外接收电路 电 机 LED 显示电路 继电器控制电路 各传感器电路 清扫部 件电机 垃圾箱 盖电机 图 3.1 硬件设计总框图 3.2 主机电路核心器件介绍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 CMOS 8 位单片机， 片内含 4K bytes 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。 长春理工大学毕业设计 - 10 - 3.2.1 AT89C51AT89C51 主要性能参数主要性能参数 .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 .1288 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 3.2.2 AT89C51AT89C51 功能特性概述功能特性概述 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。 3.2.3 AT89C51AT89C51 引脚功能说明引脚功能说明 长春理工大学毕业设计 - 11 - 图 3.2 AT89C51 芯片 .VCC：电源电压 .GND：地 .P0 口口：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：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：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，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流（IIL） 。 .P3 口口：P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 口，P3 口输出缓冲级可 驱动（吸收或输出电流）4 个 TTL 逻辑门电路。对 P3 口写入“1”时，它们被内 部上拉电阻拉高并可作为输入端口。作输入端时，被外部拉低的 P3 口将用上拉 电阻输出电流（IIL） 。 P3 口除了作为一般的 I/O 口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表 3.1 所 示： 端 口 引 脚第 二 功 能 P3.0 RXD （串行输入口） P3.1 TXD （串行输出口） P3.2 （外中断 0）0INT P3,3 （外中断 1）1INT 长春理工大学毕业设计 - 12 - 表 3.1 端口引脚第二功能表 3.3 看门狗看门狗 IMP813LIMP813L 电路电路 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机 上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致 EPROM 中的数据被修改； 另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现 象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本 身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路；除此 以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉 电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚 发生时能告知单片机。IMP813L 刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的 性能特点及使用方法。 图 3.3 IMP813L 芯片 P3.4 T0 （定时/计数器 0） P3.5 T1 （定时/计数器 1） P3.6 （外部数据存储器写选通）WR P3.7 （外部数据存储器读选通）RD IMP813L WDI PFO RESET GND Vcc PFI MRWDO 长春理工大学毕业设计 - 13 - IMP813L 有双列直插和贴片封装形式，其双列直插如图所示，引脚功能如 下： 第 1 脚为手动复位输入，低电平有效；第 2、3 脚分别为电源和地；第 4 脚 为电源故障输入；第 5 脚为电源故障输出；第 6 脚为看门狗输入，第 7 脚为复 位输出，第 8 脚为看门狗输出。 IMP813L 的性能特点： IMP813L 的内部结构框图如图所示，具有以下主要性能特点：由图可知该 芯片具有以下主要性能特点： (1)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，第 7 脚产生复位输出， 复位脉冲宽度的典型值为 200ms，高电平有效，复位门限的典型值为 4.65V。 (2)看门狗电路输出。如果在 1.6s 内没有触发该电路(即第 6 脚无脉冲输入)， 则第 8 脚输出一个低电平信号。 (3)手动复位输入，低电平有效，即第 1 脚输入一个低电平，则第 7 脚产生 复位输出。 (4)1.25V 门限值检测器，第 4 脚为输入，第 5 脚为输出。当第 4 脚电压低 于 1.25V 时，第 5 脚输出一个低电平信号。 IMP813L 的典型应用电路： IMP813L 的典型应用电路如图 3.4 所示。图中单片机以 AT89C51 为例， IMP813L 的第 1 脚与第 8 脚相连。第 7 脚接单片机的复位脚(AT89C51 的第 9 脚)； 第 6 脚与单片机的 P1.4 相连。在软件设计中，P1.4 不断输出脉冲信号，如果因 某种原因单片机进入死循环，则 P1.4 无脉冲输出。于是 1.6s 后在 IMP813L 的 第 8 引脚输出低电平，该低电平加到第 1 脚，使 IMP813L 产生复位输出，使单 片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值 4.65V 时， IMP813L 也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电 源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。 电源故障输入 PFI 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当 PFI 低 于 125V 时，电源故障输出脚第 5 脚 PF0 变低，可引起 AT89C51 中断，进行 电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为 了更早地对电源故障告警。 长春理工大学毕业设计 - 14 - 图 3.4 IMP813L 的典型应用电路 IMP813L 是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复 位芯片；它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复 位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。 3.4 继电器控制电路继电器控制电路 在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继 电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。继 电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力（有触 头式）或使输出状态发生阶跃变化（无触头式） ，从而通过其触头或突变量促使 在同一电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。根据转化的 物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路 中进行信号传递、放大、转换、连锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件 或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。被转化或施 加于继电器的电量或非电量称为继电器的激励量，当继电器被激励，从一个起 始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性， 包括吸合和松开，保持与释放状态。当输入量变化到高于它的吸合值或低于它 的释放值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触 头式继电器起输出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。 长春理工大学毕业设计 - 15 - 智能清扫机是把垃圾送到垃圾箱，在执行清扫动作时垃圾箱闭合，向垃圾 箱投放垃圾时需要打开，将垃圾送到垃圾漏斗。本设计共需 2 个继电器控制交 流接触器，一个接带动清扫部件的电动机。另一个控制垃圾箱盖闭合。经考虑 采用 4123 无极 12V 直流控制 24V 的交流继电器，并利用光耦合器件 P521 和 MCU 隔开。89C51 的 P1 初始值为 0FFH，所以加一个 74LS04 反相器使得继电 器初始不产生闭合，使用 MC1413 为无源驱动器，IN4007 组成继电器的续流二 极管。 电路图如图 3.5 所示。 图 3.5 继电器控制电路图 3.5 驱动系统电路驱动系统电路 驱动系统电路包括驱动器、光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分，如 图 3.6 所示。在具体电路中，由于单片机使用 5V 弱电，而电机的驱动电压为 12V 或者更高，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了光电耦合器 TLP521，把控制部分和驱动部分隔离开来。单片机输出端口的电流一般只有 20mA 左右，不足以或者不能稳定地驱动光电耦合器 TLP521 工作，因此采用芯 片 74HC245 来增强驱动能力，为光电耦合器 TLP521 提供合适的驱动电流。驱 动器保护电路由 8 个高速大电流肖恩特二极管 1N5822（图中 D1D8）组成，用 来消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。保护二极管最好采用高速大 电流的开关管，否则反向恢复时间太长，L298N 内部 H 桥的上下两个三极管会 因为开闭时序交叉，导致同时打开而短路，长期使用状态下会造成 L298N 发热 或烧毁。 按照图 3.6 所示电路，系统工作时，单片机 P1 口输出的控制信号经过驱动 器芯片 74HC245 和光电耦合器之后输入电机驱动芯片 L298N，控制电机动作。 当需要调速时只需改变 PWM 调速脉冲（本设计中由单片机 P1.3 和 P1.6 端口产 长春理工大学毕业设计 - 16 - 生）的占空比即可，理论上可以实现 256 级调速。 图 3.6 驱动系统电路 3.6 红外控制系统电路红外控制系统电路 红外发射电路由455KHZ 的晶振 CRY，反相器74HC04及电阻、电容构成的 振荡器产生455KHZ 的方波信号。经脉冲分频器74LS92，六分频成为75.83KHZ 的脉冲信号。再经过 D 触发器构成的2分频/整形电路变成38KHZ 的方波信号。 由单片机的异步串行口 TX 输出的串行数据信号，送到与非门74HC00的输入端。 与非门的另一输入端接38KHZ 的载波信号。与非门的输出信号用来控制三极管 的开通或关断，从而控制红外发射管发送信息。这样就达到了用串行口 TX 输 出的串行数据信号直接调制载波，进行红外数据传输的目的。发射电路的调制 采用的是时分制幅度键控调制方式。因单片机在复位后，TXD 脚为高电平，为 满足同步的要求，采用低电平同步脉冲，经与非门(U3)后变成高电平同步脉冲。 所以单片机 TXD 发送的编码应是反码。 长春理工大学毕业设计 - 17 - 图3.7 红外发射电路 设计中采用一种高效能的红外接收器德律风根 TFMS5380。德律风根 所开发的微型接收器 TFMS5380是近期市场上最高效能的红外接收器。同一组 件内已装上了接收二级管和前置放大器。TFMS5380特点：(1)单一的接收器和 前置放大器的组合。(2)超敏感度和传送距离。(3)内置 PCM 频率过滤器。(4)无 外置组件需要。(5)超强光及电场干扰屏蔽。(6)TTL 及 CMOS 兼容，适用于微 处理器操作控制。(7)可选频率由30KHZ 至56KHZ。(8)低功耗。(9)ISO9000认可。 TFMS5380适用于数据传送、电视机、录像机、组合音响及卫星接收器等。 TFMS5380的内部框图及构成的接收电路。如图3.8所示 图3.8 TFMS5380 构成的接收电路 该接收电路要求被接收的红外光波长在950um 左右，被调制信号的脉冲宽 度不小于600us。TFMS5380的应用电路非常简单。实验证明，TFMS5380的性能 良好，完全可以满足数据传输的需要。 3.7 液晶显示电路液晶显示电路 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点， 长春理工大学毕业设计 - 18 - 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里采用 2 行 16 个 字的 DM-162 液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示时间及清扫机行 进速度的功能。 DM-162 液晶显示模块的字符显示，可分为好几种显示模式，这主要取决于 对具体的应用。如静态的显示，还是动态的左移或者右移显示。那么这个主要 是在程序设计的过程中，进行初始化所决定的。因此，在使用之前先确定使用 的目的，选择好显示的方式，当然得找出相应的显示字符的字符代码及在 DM- 162 液晶显示模块的相应显示位置的 RAM 地址。然后进行每个字符的写入显示。 在使用的过程中，还得注意的一点是，可能是显示驱动电压的不稳定性，或者 是由于驱动电压的过高，会形成一种“鬼影”的现象，因此需要手动对 10K 的电 位器进行对比度调整以达到显示的良好效果。 液晶显示模块的原理框图如图 3.9 所示。它由以下几个部件组成：单片机 AT89C51、电源、液晶字符显示部件 DM-162、电源供电部分。 单片机部分：采用 AT89C2051 芯片实现对 DM-162 的控制显示 字符显示模块: 选择 2 行 16 个字的显示容量. 电源部分： +5V 电压供电，维持系统的正常工作,同时加载 10K 电位器以 适应不用亮度的显示字符即对比度的调整。 AT89C51 显示驱动 DM-162 电源供电 图 3.9 液晶显示系统原理框图 3.8 电源模块电源模块 电源模块是清扫机系统的生命源，一般情况下，都是采用无线缆的机载可 充电电池作为直流电源，如铅酸电池、镍氢电池、锂锰电池、镍镉电池、锂离 子电池和聚合物电池等。清扫机电能消耗主要表现在以下两个方面：一是驱动 和控制电路的消耗，二是吸尘清扫系统工作时的消耗。耗能部件所需的电压、 长春理工大学毕业设计 - 19 - 电流以及对电源的稳定性要求等都存在不同，在设计电源模块的供电方案时， 需要分别加以考虑。在选择合适的直流电源时需要重点考虑以下两个方面的因 素： 质量和体积：清扫机系统机载电源的质量应尽可能轻，体积应尽可能小， 以节约电能消耗并便于安装。 额定电压和容量：根据耗能部件对电压、电流的要求大致确定机载电源的 额定电压和容量等参数。 经过分析对比，选用额定电压为 14.4V，容量为 2200mAh 的镍镉电池组。 该电池组可反复充电 800 次以上，质量轻，体积小，输出电流为 2A 时可连续工 作 1 个小时以上。选定机载直流电源后，还需要选择合适的电源稳压芯片，以 将系统电源电压稳定在耗能部件所需的电压范围。本设计选择 5V 稳压模块 WRB1205S-1W 为控制系统、传感器系统提供 5V 电源，选择三端稳压芯片 L7805 为移动机构系统电路提供不共地 5V 电源。 机载电源模块为整个机器人系统提供必需的电力，该模块电路如图 3.10 所 示。该机器人系统使用直流电源，机载电源模块为电机驱动控制模块电路提供 5V 工作电压，即图中 S_5V 所示，电机的工作电压由直流电源直接提供。为了 满足系统电路的电气隔离要求，主控制器和其它功能部分需要与电机驱动模块 不共地的 5V 电压，即图中的 VCC 所示。图中 J4、J5 为电源电压 （VCC_12V）输出接口，J8、J9 为 VCC 电压输出接口。 图 3.10 机载电源模块供电电路原理图 图 3.10 为该模块选用的电源和电压专换芯片。系统电源采用 14.4V 可充电 镍镉电池组，可充电次数约 800 次，充满电后的输出电压可达 15V 左右。采用 WRB1205S-1W 芯片为主控制器和其它功能部分提供 5V 电压，WRB1205S-1W 长春理工大学毕业设计 - 20 - 芯片为宽电压输入、隔离稳压输出的电源转换集成芯片，输入电压范围 918V，输出 5V，最大输出电流 200mA，自然冷却，使用方便。由于其性能稳 定，使用可靠，因此成本稍高。采用 L7805 芯片为电机驱动控制模块提供单独 的 5V 电压，由于输入电压较高，发热较大，因此需要加装散热片。 第四章第四章 软件流程设计软件流程设计 本系统软件设计采用汇编语言相结合的方式。首先用汇编语言把系统的各 个功能模块编出,然后把这些编译过的模块加入到控制器的使用库中,调用各功能 模块,完成对硬件的操作。 长春理工大学毕业设计 - 21 - 4.1 软件总体设计软件总体设计 清扫机开机 启动液晶显示系统 启动各传感器 启动红外接收系统 收到命令？ 启动驱动系统 遇到障碍？ 启动清扫和避障系统 N Y Y N 图 4.1 总流程图 总流程图如图 4.1 所示，是整个清扫机运行状态的流程图。其中包括液晶 显示系统、清扫机感知系统（即各传感器模块） 、红外接收系统、驱动系统、清 扫和避障等系统。 (1) 首先，启动清扫机电源，使各模块持续供电。 (2) 启动液晶显示系统，以便显示清扫机行进速度及运行时间。此过程通过 软件编程控制液晶显示系统及驱动系统向单片机控制系统反馈实现。 (3) 启动清扫机感知系统，此项内容主要作用是使清扫机对周围环境有一个 了解，通过对周围环境的感知来实现测距、清扫、避障。本过程主要是通过单 片机控制各传感器及传感器向单片机反馈来实现。 (4) 启动红外接收系统，等待接收红外信号。 长春理工大学毕业设计 - 22 - (5) 当接收到清扫指令时，启动驱动系统、清扫系统及避障系统，此过程是 整个清扫系统的关键，此过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断。 4.2 各部分流程设计各部分流程设计 初始化个工作单元 开始 查询各传感器状态执行 相应服务程序 LED 显示状态及时间 确定清扫机位置 启动驱动电机 收到清扫 指令？ N Y 图 4.2 控制系统主流程图 控制系统主流程如图 4.2 所示，任务是完成系统的初始化。当前方没有障 碍物时,清扫机按照设定的路径前进。 (1) 首先初始化各工作单元，使所有从机处于接收地址帧状态。 (2) 查询各传感器状态执行相应服务程序，使所有传感器都处在工作状态，感受 被测量的信息，并将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所 需形式的信息输出，实现自动检测和自动控制。 (3) LED 显示模块启动，显示清扫机工作状态及机器运行时间。 长春理工大学毕业设计 - 23 - (4) 确定清扫机位置。 (5) 当红外接收机接收到红外遥控器发出的清扫信号后将其转化为相应电信号传 给单片机，单片机经处理将清扫指令传给驱动电机，清扫机开始前进。如果红 外接收机未接收到红外信号则清扫机继续待命。 遇到障碍物？ 是垃圾？ 清扫 累加遇到墙角次数 遇墙角数 为奇数？ 左后转前进右后转前进 N N N Y Y Y 图 4.3 清扫壁障流程图 清扫壁障流程图如图 4.3，该流程是智能清扫机执行清扫命令及躲避障碍的 流程。 (1)红外传感器的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，输出一个模拟电压，经 A/D 转换后输入单片机。 (2)由压力传感器感知障碍物性质，判断其是否是清扫机可清扫的垃圾。若可清 扫则由单片机向清扫机械电机发出