畢業(yè)設(shè)計基于51單片機的簡易家用智能拖地機

簡易家用智能拖地機PAGEPAGE16目錄TOC\o"1-4"\h\z\u目錄 1一緒論 2簡易家用智能拖地機 2一方案設(shè)計與論證 41.1． 總體設(shè)計方案與比較： 4二模塊電路設(shè)計及比較 42．1電源模塊 42.1.1電源原理 42.2電機驅(qū)動模塊： 62.2.1電機的選擇與論證 62.2.2電機驅(qū)動方案的選擇與論證 62.2.2.1驅(qū)動方案選擇 62.2.2.2PWM產(chǎn)生方案論證 102.3傳感器模塊： 14三軟件設(shè)計 153.1程序清單 15四致謝 16參考文獻 16儀器儀表 17附錄 18單片機程序： 18本設(shè)計總體電路圖： 26一緒論

用單片機控制電機是市場上科技產(chǎn)品的一個運用很廣的技術(shù),而把單片機控制電機運用在生活用品中還是剛剛起步.單片機控制小車在包括玩具、家用電器等方面都有廣泛的應(yīng)用。另外，家用電器都向智能化發(fā)展。而家庭中，各種家務(wù)又在忙碌一天想回到家休息的人們，特別是過幾天就發(fā)黑的地板。一般情況下都是選擇用拖把人工打掃?，F(xiàn)在室內(nèi)掃地，拖地手工操作的非常多，有的用吸塵器吸塵，難把地板搞干凈，費工費時，而且勞動強度非常大，勞動效率也很低，在室內(nèi)清洗上需要大量的人力、物力。而我的設(shè)想是能有一臺智能化的機器，只要一通電源，它就會自動把家里打掃的干干凈凈！目前市場上還沒有這類智能家用電器，但是一般情況下，基本上每個家庭都會有這方面的要求，如果開發(fā)出來的話，會有廣闊的市場前景。

簡易家用智能拖地機摘要:本設(shè)計分六個模塊：單片機控制及顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、音樂片模塊、電源模塊、拖地模塊。單片機控制及顯示模塊以單片機AT89s51為核心，對傳感器模塊送過來的信號進行控制同時串行口輸出時間顯示；電機模塊是以L298N為核心的常用電機驅(qū)動電路；傳感器模塊是以LM358為核心及光電三極管和微動開關(guān)組成的電壓比較器電路；音樂片模塊是型號為的音樂片構(gòu)成的；電源模塊包括兩種：一種是以7805為核心的+5V穩(wěn)壓電路，其主要為單片機控制及顯示模塊、電機驅(qū)動模塊的邏輯電源、傳感器模塊供電；另一種是六節(jié)AAA電池組成，主要用于電機驅(qū)動的VS和音樂片。關(guān)鍵字：傳感器電機驅(qū)動傳感器電源PWMThesimplehomeuseintelligencetowsmachineAbstract:Thissupposesfiguresoutthescoresixmodules:Monolithicintegratedcircuitcontrolanddemonstrationmodule,motor-drivenmodule,sensormodule,musicalmodule,powersourcemodule,towsmodule.ThemonolithicintegratedcircuitcontrolandthedemonstrationmoduletakemonolithicintegratedcircuitAT89s51asacore,deliversthesignaltothesensormoduletocarryonatthesametimethecontroltheserialmouthoutputtimedemonstration;TheelectricalmachinerymoduleistakeL298Nasthecorecommonlyusedmotor-drivenelectriccircuit;ThesensormoduleistakeLM358asthevoltagecomparatorelectriccircuitwhichthecoreandthephototriodeandthemicroswitchcomposes;ThemusicalmoduleisthemodelistheTS088BDmusicalconstitution;Powersourcemoduleincludingtwokinds:Onekindistake7805asthecoreof+5Vvoltage-stabilizercircuit,itmainlyformonolithicintegratedcircuitcontrolanddemonstrationmodule,motor-drivenmodulelogicalpowersource,sensormodulepowersupply;AnotherkindiscomposedbysixAAAbattery,mainlyusesinmotor-drivenVSandthemusical.Keywords:Sensormotor-drivensensorpowersourcepwm一方案設(shè)計與論證1.1． 總體設(shè)計方案與比較：本設(shè)計以單片機AT89S51為核心根據(jù)傳感器模塊送過來的信號經(jīng)過處理向驅(qū)動模塊輸出控制信號，同時單片機串行口輸出工作時間，及給音樂片輸出控制信號。傳感器模塊根據(jù)外界具體情況判別是否遇到障礙，當(dāng)遇到障礙時，送單片機相應(yīng)的信號，單片機根據(jù)接受到的信號進行數(shù)據(jù)處理，輸出相應(yīng)處理后的信號到電機驅(qū)動模塊，從而控制小車的行進方向，實現(xiàn)小車在拖地過程中的避障，在整個運行過程中，單片機將顯示運行時間，同時音樂片發(fā)出聲響提示小車運行狀態(tài)。其整個功能模塊如圖1.1所示。TOC\o"1-3"\h\z圖1.1總體設(shè)計方框圖二模塊電路設(shè)計及比較系統(tǒng)硬件以AT89s51單片機為核心，外圍包括電源模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊、傳感器模塊、音樂片模塊。2．1電源模塊本設(shè)計共用到電源有兩種：即+5V+9V2.1.1電源原理本設(shè)計穩(wěn)壓電源由濾波電路和穩(wěn)壓電路組成，如圖2.1圖2.1電源方框及波形圖a濾波電路：濾波電路一般由電容組成，其作用是脈動電壓U1中的大部分紋波加以濾除，以得到較平滑的直流電壓U2。b穩(wěn)壓電路：由于得到的輸出電壓U2受負載、輸入電壓和溫度的影響不穩(wěn)定，為了得到更為穩(wěn)定電壓添加了穩(wěn)壓電路，從而得到穩(wěn)定的電壓U3。圖2.2中電路提供+5V的電源，主要為單片機控制及顯示模塊、電機驅(qū)動模塊的邏輯電源、傳感器模塊供電。該電路中采用三端穩(wěn)壓芯片78**系列的7805其能夠輸出穩(wěn)定的+5V,保證單片機能夠正常工作。圖2.3中提供的+9V的電源由六節(jié)AAA電池組成，主要用于電機驅(qū)動的VS和音樂片。圖2.2+5V電源原理圖圖2.3Vs電源原理圖2.2電機驅(qū)動模塊：2.2.1電機的選擇與論證方案一:采用步進電機。步進電機的一個顯著特點就是具有快速啟停能力,如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值,就能夠立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點：是轉(zhuǎn)換精度高,正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。方案二:采用普通直流電機。直流電動機具有優(yōu)良的調(diào)速特性,調(diào)速平滑、方便,調(diào)整范圍廣；過載能力強,能承受頻繁的沖擊負載,可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn);能滿足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。由于普通直流電機更易于購買,并且電路相對簡單,所以采用直流電機作為動力源。2.2.2電機驅(qū)動方案的選擇與論證2.2.2.1驅(qū)動方案選擇方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓,從而達到調(diào)速目的。電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速,而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴,且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電動機的電阻比較小,但電流很大,分壓不僅會降低效率,而且實現(xiàn)很困難。方案二:采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,通過控制開關(guān)的切換速度實現(xiàn)對小車的速度進行調(diào)整。這個電路的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間長,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案三:采用由達林頓管組成的H型PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成,四個晶體管分為兩組,交替導(dǎo)通和截止,用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài),根據(jù)調(diào)整輸入控制脈沖的占空比,精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽和和截止?fàn)顟B(tài)下,效率非常高。H型電路使實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡單化,且電子開關(guān)的速度很快,穩(wěn)定性也極強,是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。但是在實際制作過程中在具體調(diào)試過程中三極管的發(fā)熱較嚴重（即使加了散熱片）特別是前輪轉(zhuǎn)向的時候尤為嚴重。方案三采用四個達林頓管，它們輪流導(dǎo)通即實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，其結(jié)構(gòu)簡單，控制方便。其控制邏輯如表2.3.1所示。表2.3.1AB狀態(tài)10正轉(zhuǎn)01反轉(zhuǎn)11停止00停止其電路如圖2.4所示。圖2.4方案一電機驅(qū)動電路但在具體調(diào)試過程中三極管的發(fā)熱太嚴重（即使加了散熱片）特別是前輪轉(zhuǎn)向的時候尤為嚴重。方案四：采用L298N構(gòu)成的PWM電路。用L298N（如圖2.5所示）對電機進行驅(qū)動，用單片機控制L298使之工作在開關(guān)狀態(tài),根據(jù)調(diào)整輸入控制脈沖的占空比,精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只在飽和和截止?fàn)顟B(tài)下,效率非常高。它在原理上和方案三中的三極管對管很相似，但是他有很多對管所沒有的優(yōu)點比如：它的最大工作電壓高達50V；最大電流值為3A；工作溫度范圍寬-40度到150度等等圖2.5圖2.6故本設(shè)計采用以L298N為核心的電機驅(qū)動電路，由于拖地機在工作中要躲避障礙物，因此在行進過程中要前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)；在制作過程中為了便于調(diào)試和檢查本設(shè)計定義L298N的5、7腳為后輪電機的控制信號同時與之對應(yīng)的2、3腳接前輪的電機；10、12腳接前輪的控制信號同時與之對應(yīng)的13、14腳接后輪的電機。其控制邏輯如表2.3.2所示。表2.3.25，107，12狀態(tài)10正轉(zhuǎn)01反轉(zhuǎn)11停止00停止具體的電路如圖2.7所示。圖2.7方案二電機驅(qū)動電路在測試時為了便于調(diào)節(jié)與檢測，本設(shè)計令p1.0p1.3作為拖地機的電機的控制端，分別接上圖的5、7；10、12；即實現(xiàn)了P1.0P1.1對后輪的控制；P1.2、p1.3對前輪轉(zhuǎn)向的控制。具體邏輯見表2.3.3表2.3.3P1.0，p1.2P1.1，p1.3狀態(tài)10前進/左轉(zhuǎn)01后退/右轉(zhuǎn)11停止00停止程序的設(shè)計思路是：當(dāng)傳感器模塊輸出端對應(yīng)的管腳(單片機的外部中斷口一或外部中斷口二)出現(xiàn)低電平時（說明前方有障礙）；則小車右轉(zhuǎn)彎后退5S來躲避障礙.其具體流程圖(如圖2.8所示)及源子程序如下:圖2.8電機控制流程圖INTEX0:LCALLSTOP

LCALLDELAY5S

LCALLHT

LCALLRZ

LCALLDELAY5S

LCALLSTOP

LCALLFRZ

LCALLQJ

RETI

INTEX1:LCALLSTOP

LCALLDELAY5S

LCALLHT

LCALLRZ

LCALLDELAY5S

LCALLSTOP

LCALLFRZ

LCALLQJ

RETI

2.2.2.2PWM產(chǎn)生方案論證方案一：用觸發(fā)器接成振蕩器電路，通過調(diào)節(jié)電位器R1來改變占空比，即產(chǎn)生PWM信號。其原理圖如圖2.9所示。VVS高速VVS低速圖2.9方案一PWM方案論證方案二：采用單片機定時器1定時中斷產(chǎn)生占空比可調(diào)的PWM信號，此方案利用軟件實現(xiàn)，具有操作容易，硬件電路簡潔的優(yōu)點，故本設(shè)計采用方案二。該部分的流程圖（如圖2.10所示）及子程序如下:圖2.10PWM信號產(chǎn)生流程圖定時器1中斷程序產(chǎn)生PWM脈沖流程框圖

ORG00H

LJMPSTART

ORG001BH;放在主程序開始

AJMPINTT1

ORG30H

START:CLRP1.3

MOVTMOD,#20H;T1方式2定時

MOVTH1,#0C8H;計數(shù)初值200

MOVTL1,#0C8H

MOVIE,#88H;CPU開中斷，定時器1中斷開

MOV60H,#05H;高電平計數(shù)周期

MOV61H,#05H;低電平計數(shù)周期

MOV62H,60H

MOV63H,61H

CLRP1.7

CLR03H;軟件標志位

SETBTR1

HERE:JMPHERE

INTT1:JB03H,HP;低電平計時到，跳轉(zhuǎn)輸出高電平。

LP:DJNZ62H,RETURN;計數(shù)周期未到，中斷返回。

CPLP1.7

MOV62H,60H

SETB03H;低電平延時結(jié)束，置軟件標志位。

JMPRETURN

HP:DJNZ63H,RETURN

CPLP1.7

MOV63H,61H

CLR03H

RETURN:RETI

2.2.2.3PWM信號輸入方案方案一：將L298N的8腳接三極管的集電極，發(fā)射集接地，同時將PWM信號從基極輸入，通過三極管的飽和導(dǎo)通與截止，來控制電機的功率進而實現(xiàn)對車速的控制。其電路圖如圖2.9所示。圖2.9方案一的PWM信號輸入電路圖方案二：將單片機產(chǎn)生的PWM信號直接輸入到L298N的控制端即5，7腳，當(dāng)電機正轉(zhuǎn)時，5腳送入PWM信號7腳接低電平；反轉(zhuǎn)時7腳接PWM信號5腳接低電平；該方案雖然原理正確，電路簡單但是實際中單片機產(chǎn)生PWM信號難以實現(xiàn)選擇發(fā)送，所以該方案不宜采用。方案三：為了解決方案二的選擇發(fā)送的難題，在外部電路中采用繼電器來實現(xiàn)選擇發(fā)送。由于實際中小車多數(shù)情況下是前進狀態(tài)，所以繼電器默認情況下，將PWM信號送入298的5腳，后退時單片機送高電平給繼電器讓其吸合及實現(xiàn)將PWM信號送入298的7腳，從而實現(xiàn)PWM信號選擇發(fā)送。其原理圖如圖2.10所示。圖2.10繼電器實現(xiàn)選擇發(fā)送端原理圖方案四：雖然方案三解決了選擇發(fā)送但是卻無法實現(xiàn)停車，為了能實現(xiàn)停車及方案三的功能，同時為了減小電路的功耗（因為繼電器工作的最小電流是40mA），降低成本及優(yōu)化設(shè)計，故本設(shè)計采用方案四。可以將上面的電路做以下改變?nèi)鐖D2.11所示。圖2.11與門實現(xiàn)選擇發(fā)送端原理圖2.3傳感器模塊：方案一：采用超聲波測距技術(shù)。超聲波測距控制器的工作原理是超聲波數(shù)字測距是利用超聲波發(fā)射,通過被測物體的反射回波接收后的時差來測量被測距離的,是一種非接觸式測量儀器，單片機根據(jù)超聲波碰到障礙物反射過來的信號來判斷是否前放有障礙物，從而作出相應(yīng)的處理。單片機根據(jù)采集的數(shù)據(jù)進行判斷最后采取最優(yōu)的行走路線，在精度上比較高，但是造價太大不宜商品化，此外電路較復(fù)雜，不易調(diào)試所以不宜采用。方案二：采用光電三極管和微動開關(guān)結(jié)合的方法來取代方案一中的超聲波測距，光電三極管是根據(jù)外界的光照強度不同其對應(yīng)的阻值不同，光照強度越大，其阻值越小。根據(jù)其阻值的變化，送到比較電路與參考電壓進行比較，從而得到相應(yīng)的電平信號。本系統(tǒng)采用的另外一種傳感器是微動開關(guān)，微動開關(guān)是接觸式傳感器，其接觸到障礙物開關(guān)將閉合，從而得到相應(yīng)的電平信號。該方案的優(yōu)點是硬件電路比較簡單、易于調(diào)試、成本低易于商品化，雖然在精度上略遜于方案一中的超聲波測距，但是，在實際中該方案還是可行的。所以電路設(shè)計和制作采用方案二。其電路方框圖如圖2.12所示圖2.12傳感器模塊電路三軟件設(shè)計該部分見王強的設(shè)計3.1程序清單程序清單見附錄。四致謝本設(shè)計從題目的確定、功能模塊的選定以及論文的最后定稿都得到了指導(dǎo)老師xx老師的大力支持，特別是在論文的初稿階段能一針見血地指出該論文的最大缺陷使我及時修改同時也使我收獲頗豐，在此表示衷心的感謝。此外，在具體的電路模塊設(shè)計和測試過程中得到了xx同學(xué)的許多幫助，以及本設(shè)計的軟件設(shè)計部分也得到了xx同學(xué)的鼎力相助，在此一并表示感謝??！