【《基于单片机的遥控挖掘机控制系统设计》10000字（论文）】

[15]。而从本次研究设计出发，选择这款AT89C52的芯片。如图示3-2是核心板实物。图3-2AT89C52正面图该芯片的管脚管理如如图3-3所示。图3-3AT89C52管脚图3.2硬件系统基本电路3.2.1遥控接收端电源电路设计电源的稳定可靠才能使控制系统正常工作及发挥其稳定性能，在电路设计中，不仅需要为器件提高各种高性能的功率输出，还包括选择合适的旁路，去耦电容以及滤除各种干扰信号。现目前挖掘机电控系统及车载电气设备大部分使用24V直流电，结合匹配机制以及抑制高压浪涌、限流、转换等预处理问题后再进一步转换成各功能模块所需电源。电源管理方面需考虑外围电路需求和遥控挖掘机启动瞬间可能有高压冲击、负载突变，同时需考虑工作温度和电路设计等综合考虑。如下图3-4所示是电源转换电路示意图。图3-4电压转换示意图其中，电源设计方面设计使用AnalogDevices公司的LT4363IS-1芯片进行抑制浪涌和稳压，使电压稳定输入。然后使用某半导体公司的UMW-LM2596HVS电容芯片把电压从24V降到5V；再采用德州仪器公司的TPS63020电容芯片把电压从5V转换到3.3V，保证外围电路（通信电路、CAN、RS-232）的稳定及可靠性型。其中，24V降压至5V电源转换电路如图3-5所示，图3-524V转5V电压3.2.2遥控发射端电源设计遥控发射端的电源设计与遥控接收端大同小异，差别主要在于供电电压上，遥控接收端微挖掘机直流24V供电，而遥控发射端则考虑到续航、节能等因素，则采用DC12V电源设计，12V转成5V的电源设计使用上述3.2.1小节中的某半导体公司的UMW-LM2596HVS电容芯片。设计如图3-5所示，在上述3.2.1中是24V电源输入，而本小节中使用12V电源输入，达到一样的效果。而5V转成3.3V的电源设计就采用某公司生产的AMS1117-3.3V。电路稳压设计如图3-6所示。图3-65V转3.3V电压3.3信息收集电路为保障遥控准确性以及稳定性，需要采集遥控挖掘机的各种信息，包括各种开关，传感器信号、摇杆、按钮等操作元件，对其遥控安全性增加一份保证，目前系统需要的采集的有模拟信号采集电路和数字信号采集电路。3.3.1开关量信号采集电路根据市场上现有的挖掘机功能，需要的开光量不多，决定直接用开关信号来模拟挖掘机底盘灯灯光和臂灯灯光的开启与闭合。同时，确保遥控质量，采用无线发射与接收。3.4其他元器件电路3.4.1无线数传模块无线数传芯片的选型在本设计中举足轻重，是保证能得到较为理想的通信效果前提，是保证遥控信号的传输效率。为减少开发周期同时兼顾数据传输方式、功耗、供电电压、接收灵敏度等情况，综合考虑选择了 HC-12型无线传输模块。该模块拥有433Mhz发射频率，四种不同工作模式，高达100mW（20dBm）发射功率，还自内置MCU，通过串口和外部设备进行通信等，如表3-7所示为HC-12无线传输模块的参数。表3-7HC-12无线传输模块的参数参数名称参数值参数名称参数值型号HC-12模块尺寸27.4×13.2×4mm通信接口UART3.3V~5.5VTTL电平工作频段433.4~473.0MHz工作电压3.2~5.5V天线接口弹簧天线/天线插座通信电平3.3V/5V电平工作湿度10％~90％发射功率20dBm（MAX）工作温度-25℃~+75℃参考距离1000m通信高达1000M以上等特点，完全可满足本设计要求。实物如图3-8所示。图3-8无线传输实物图该功能模块的与单片机相接的原理图如图3-9所示。图3-9无线模块与单片机之间的连接3.4.2摄像头模块摄像头模块是可视化系统的主要采集工具之一，合适稳定的摄像头有助于视频采集质量的保证，是独立于遥控系统之外的系统，因此可视化系统的设计与遥控系统无交互，设计独立在此选择市面上较为成熟的摄像头即可，本小节不多赘述。3.4.3复位电路日常生活使用中，可能会有系统乱码，程序缺失等，导致系统无法工作，为保证系统可靠性，必须设计上电的复位电路[16]，设计如图3-10所示。图3-10复位电路3.5硬件系统的可靠设计硬件系统的可靠设计是整个系统的保证，是稳定工作的可靠前提，更是整机系统的生命线。本环节从已从前面所述中选了元器件，接下来的电路设计和PCB设计、层叠、光绘、散热等都交给专业的公司去设计和生产，故此不再多赘述。3.6小结本章介绍了控制系统的控制器硬件设计电路。根据现实要求和AT89C52主控芯片的特性确定一系列的硬件方案设计，接着把设计方案和想要的功能及元器件交给厂商加工生产。

4控制系统软件总体设计和可视化系统的实现控制系统的整体稳定性和可靠性离不开硬件的支持，更需要软件系统的支持，更新与优化。本小节将阐述如是实现软件程序开发与实现。4.1控制软件的总体设计结合遥控器系统的需求和硬件电路的设计，软件设计需要完成的主要工作有以下几个方面：系统初始化。例如时钟电路、定时器、中断器及UTAR等配置问题。数据采集程序初始化。如键盘输入初始化。无线传输设计。如HC-12无线传输模块发射和接收的程序设计。串口程序设计。主要能在发射器与接收器之间的内部数据进行互传，设置传输波特率[17]等。4.2总流程方案设计图4-1所示为遥控系统主要工作程序流程，按下点火/熄火开关按钮后，单片机上电工作，进行电机、键盘模块进行初始化，初始化完成之后就开始进入while(1)循环中一行一行的执行代码。图4-1系统流程图4.2开关程序开关检测设计按照硬件的连接配置，使开关量采集通道高电平、低电平有效的响应情况，同时设定一个延时10ms的定时器来采集每一次所有的通道的开关量的状态，然后输出给AT89C52RD2控制芯片即可。如图4-2示是Proteus仿真开关按键。图4-2开关仿真按键4.3通信模块程序设计在3.4.1小节中介绍了无线传输模块，与单片机的连接很简单，直接连上即可，然后通过USB串口连接电脑设定串口通信波特率后，在keilC51上编好串口通信编程烧录进去即可通信。程序示例；#include"uart.h"UARTUart={0};//新建一个结构体voidUART_Configure(u16BaudRate)//初使化函数{u8TH1_Dat;switch(BaudRate){case1200:TH1_Dat=0xE8;break;case2400:TH1_Dat=0xF4;break;case4800:TH1_Dat=0xFA;break;case9600:TH1_Dat=0xFD;break;case14400:TH1_Dat=0xFE;break;} TMOD&=0x0F;TMOD|=0x20;SCON=0x50;TH1=TH1_Dat;TL1=TH1;PCON|=0x00;EA=1;ES=1;TR1=1;}voidUART_SendByte(u8dat)//单字符发送{SBUF=dat;while(!TI);//等待发送数据完成TI=0;}voidUART_Send(u8*arr,u16len)//多字符发送{u16i;for(i=0;i<len;i++){SBUF=arr[i];while(!TI);//等待发送数据完成TI=0;}}voidUART_SendStr(u8*str)//字符串发送{while(1){if(*str=='\0')break;SBUF=*str++;while(!TI);TI=0;//清除发送完成标志位}}voidUART_RX_BUFF_Clear(void)//接收缓存数据清除{u16i; for(i=0;i<USART_RX_LEN;i++) { Uart.RX_BUFF[i]=0;//用于数据处理 //Uart.RX_BUFF[i]='\0';//用于文本处理 }}voidUART_IRQHandler(void)interrupt4//串口中断函数{if(RI==1){ RI=0;//清除RI硬件接收中断标志 Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT++]=SBUF; if(Uart.RX_COUNT>=USART_RX_LEN)Uart.RX_COUNT=0; if((Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT-2]=='/')&&(Uart.RX_BUFF[Uart.RX_COUNT-1]=='/'))//结束符"//" { Uart.RX_OKFlag=1;//=1表示接收完成 Uart.RX_OK_LEN=Uart.RX_COUNT;//记录接收长度 } }}4.4可视化系统的主要结构可视化系统的主要目的是显示挖掘机工作运行状态和作业环境情况的实时视频[18]，向操作者反馈当前的操作信息，更好判断挖掘机的工作，提升效率。为此可视化系统的主要功能有：视频实时显示模块、音频传输模块。其中视频实时显示模块主要结构如4-3图所示：图4-3可视化系统示意图其中摄像头采集的信号以A/V模拟信号为主，后经过转换成无线信号发送出去给接收端，接收端收到模拟信号A/V后可直接输出或再次转成HDMI接口的遥控操作显示器。显示器直接采用市面上成熟的方案即可。目前市面上有1.2GHz、2.4GHz和5.8Ghz等无线传输系统。经过分析考量选择了5.8GHz这一频段。本次产品选某公司生产的TS835无线发送器+RC832无线接收机套餐，5.8GHz工作频率，32个频道可选，发送频率600MW，使用原厂天线时，收发距离在无遮掩情况下高达1700M，当发射机使用蘑菇天线和接收机使用5.8G14BD平板天线时接收距离能达到5-6KM，超过上述3.4.1小节无线传输模块的距离，符合设计要求。同时，可视化系统与遥控控制系统无交互，两者开发互不干扰。由于可视化系统采用的是模拟信号通道，图像质量只能达到标清。可视化系统开发实现过程过于便捷，本小节不在赘述如何实现。如图4-4所示是TS835无线发送器+RC832无线接收机的实物图。图4-4可视化系统部件4.5小结本章介绍了控制器软件的总体实现及可视化系统的实现过程，使用陀螺仪检测倾斜数据，对遥控操作挖掘机增加了一定的安全性。

5Keil程序编写和Proteus仿真分析5.1软件介绍KeilC51是美国KeilSoftware公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，广受单片机开发编程人员的喜爱。Proteus软件是单片机控制系统设计中最常用的一种仿真软件，由英国LabCenterElectronics公司出版的EDA工具软件，内部集成了PCB电路绘制，多种控制芯片及元器件，功能较为强大，能完美的再现程序的执行过程，与实验的切合度非常高，在烧录其仿真的目标代码文件：*.HEX后，可对现有的电路原理图进行修改，可模拟的实物运行状态、可监控运行程序日志。5.2挖掘机工作原理仿真在日常生活中，常在工地上、各种工程上见到挖掘机工作，而挖掘机的主要挖掘动作可设想分解为由几个动作模块组成的复合动作，完成挖掘任务。行驶模块。在此模块中，挖掘机操作人员操纵推杆控制挖掘机前后行驶，在Proteus仿真中，采用左右模拟电机来仿真挖掘机的行走行动。平台回转模块。此模块中用1个旋转电机来模拟挖掘机在日常挖掘工作中，需要经常来回转动的动作。动臂模块。此模块中用1个升降电机用来模拟挖掘机中的挖掘动臂上下移动的动作，实现操控。斗杆模块。此模块中挖掘机通过改变斗杆位置更好的完成挖掘动作，模拟用斗杆电机用来模拟挖掘机中的斗杆上下移动位置。铲斗模块，此模块中使用1个斗杆电机来模拟挖掘机的动作还有臂灯和底盘灯，在Proteus仿真中使用LED灯来实现其功能。如图5-1所示为本次设计的总体仿真图，其中主要有内容有89C52单片机，矩阵键盘，时钟振荡电路，复位电路，LED灯光、L298N电机驱动模块及电机，由于Proteus里面没有HC-12无线传输模块，故没有在本次仿真中实现。图5-1Proteus仿真总体图其中，AT89C52的输出电压3.3V，而模拟电机至少需要5V以上的电压，无法直击驱动此模块，所以L298N电机驱动模块需另配DC12V电源。仿真中，按下仿真键后按下点火/熄火按钮后，模拟发动机的电机开始转动，可通过改变RV1电位器电阻改变模拟发动机的转速。按下左/右前进按钮，则相应模拟电机转动。5.3小节总结借用KEILC51软件进行本遥控挖掘机设计的程序编程，通过Proteus8.9SP0进行电路仿真，通过Proteus8.9SP0仿真的结果可以知道，该仿真结果能模拟挖掘机的动作，可以实现一定的动作控制。6总结6.1研究总结本文以国内外挖掘机控制系统的进行研究，以满足市场为要求，保障可拓展性和升级性的前提下，在原有的手动操作上增加一套遥控操作控制系统，主要的工作有：1.根据使用环境和开发成本，选择AT89C52主控芯片设计一系列硬件电路，通信网络、电源及电源复位等。2.使用KEILC51开发程序编程，对挖掘机运动控制进行一定的仿真，验证其是否可行。3.通过利用摄像头采集视频，使用无线视频传输模块，实现对工作环境的监测和语音接收，验证了可行性。6.2存在的不足之处1.传输距离虽远，但无法传输更大的数据，应研制或选用传输速率快、带宽大、抗干扰强等优点的无线通信装置。2.丰富可视化系统功能。在本文中可视化系统只起到把周围环境采集并发送到操作者中，并没有智能人像监测功能，应并可多方监测。3.遥控控制系统应兼容多机种。具体使用时，可根据不同的控制方式，进行相应改造或设置多种接口、多种方案。

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