畢業(yè)論文：基于單片機(jī)的智能巷道清掃機(jī)硬件設(shè)計(jì)（終稿）

關(guān)鍵詞：智能清掃機(jī)單片機(jī)紅外遙控傳感器驅(qū)動(dòng)Thispaperintroducestheroadwaysweeperhardwaredesiginterfacecircuit,sensingcircuitmodule,DCmotacquisitionmodule,themobilecontrolmodule,communicationmoduletheclean-upintegratedchipstocontrolandoptimizeperformanceofthesystem.Designoftheroadwayinthecleaningofthecleawerediscussed.Anintelligentdesign,automation,informationoftheroadwayKeywords:IntelligentRoadwaySweeperMcs-51Infrare長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)I第一章緒論 2.1智能清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)分析 3.2.1AT89C51主要性能參數(shù)…………………9-3.3看門狗IMP813L電路 3.4.3接觸傳感器檢測電路 3.5繼電器控制電路 3.6驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路 20-第四章軟件流程設(shè)計(jì) 22-4.1總體軟件流程 22- 23- 25-4.4清掃避障系統(tǒng)流程 25-第五章系統(tǒng)調(diào)試 長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)第六章結(jié)論 28-參考文獻(xiàn) 第一章緒論目前，我國有幾個(gè)廠家生產(chǎn)清掃機(jī)。單從原理到結(jié)構(gòu)，只相當(dāng)于發(fā)達(dá)國家70年自從英國的JOHNSTON公司1904年設(shè)計(jì)出馬拉的掃路機(jī)，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(jī)以來，國外清掃車一ELGIN清掃機(jī)功能動(dòng)作設(shè)計(jì)有57項(xiàng)之多，內(nèi)容包括了清掃機(jī)工作過程中所80年代以后，國產(chǎn)清掃機(jī)基本上采用了國外80年代的先進(jìn)技術(shù)，如真空技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)的核心的技術(shù)—計(jì)算機(jī)技術(shù)以及直接制約和影響自動(dòng)化技術(shù)發(fā)航空工業(yè)總公司第二研究院所在考察了各國先進(jìn)機(jī)型的基礎(chǔ)上，將其優(yōu)點(diǎn)能測試和部級(jí)鑒定。其某些技術(shù)為國內(nèi)首創(chuàng)，綜合性能為國內(nèi)領(lǐng)先，達(dá)到了90而使承載容積和載荷能力大大增強(qiáng)(荷重比1:2),減少了噪聲，降低了成本。(1)通過傳感器電路知識(shí)的學(xué)習(xí)及應(yīng)用和單片機(jī)控制技術(shù)以實(shí)現(xiàn)智能清掃機(jī)的(3)學(xué)習(xí)紅外遙控系統(tǒng)的發(fā)射和接收系統(tǒng)，完成智能清掃機(jī)的紅外控制系統(tǒng)(5)在各電路模塊設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上完成智能清掃機(jī)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對智能清掃第二章智能清掃機(jī)各系統(tǒng)分析移動(dòng)機(jī)器人傳感器系統(tǒng)常用的傳感器大致可以分為內(nèi)傳感器和外傳感器兩信號(hào)(紅外、可見及紫外光輻射)轉(zhuǎn)變成為電信號(hào)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(zhuǎn)換成光信號(hào)的變本設(shè)計(jì)以AT89C51單片機(jī)作為檢測和控制核心來控制驅(qū)動(dòng)器。并采用了PWM(脈寬調(diào)速)的調(diào)速方法可以很輕松的調(diào)節(jié)電機(jī)速度?，F(xiàn)在也有很多控制位置，如果你發(fā)一個(gè)轉(zhuǎn)10圈的指令，步進(jìn)電機(jī)就不會(huì)轉(zhuǎn)11圈，但是如果是直流電機(jī)，由于慣性作用，它可能轉(zhuǎn)11圈半。步進(jìn)電機(jī)的調(diào)速是通過控制電機(jī)的頻增加電機(jī)的輸出力矩，但是代價(jià)是電機(jī)速度的減小，比如一個(gè)1:250的齒輪箱，會(huì)讓你電機(jī)的輸出力矩增大250倍，但是速度只有原來的1/250了。首先計(jì)算出圖2.1PWM調(diào)制電路方案2:采用軟件延時(shí)方式，這一方式在精度上不及方案1,特別是在引入2.3紅外遙控系統(tǒng)分析產(chǎn)的一種用于遙控小卡車的CMOS大規(guī)模集成電路RX6制小卡車的移動(dòng)。由于編碼和解碼的振蕩頻率必須一致，頻率的大小由OSCI鍵盤編碼調(diào)制鍵盤編碼調(diào)制LED遙控發(fā)射器光/電放大解調(diào)解碼光/電放大解調(diào)解碼遙控接收器圖2.2紅外遙控系統(tǒng)第三章系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)PWM調(diào)速電路清掃部件電機(jī)垃圾箱圖3.1硬件設(shè)計(jì)總框圖AT89C51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4Kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器(PEROM)和128bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(ROM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器(CPU)和Flash.4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲(chǔ)器.1000次擦寫周期.2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器.6個(gè)中斷源3.2.2AT89C51功能特性概述串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，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(shí)/計(jì)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(nèi)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(gè)硬件復(fù)位。3.2.3AT89C51引腳功能說明TP11P12P14P15P16T噩568,VCC:電源電壓輸出口用時(shí)，每位能吸收電流的方式驅(qū)動(dòng)8個(gè)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(chǔ)器或程序存儲(chǔ)器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”,通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉倒高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號(hào)拉低時(shí)會(huì)輸出一個(gè)電流(I)。動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL動(dòng)(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對P3拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(I)。P3.0RXD(串行輸入口)P3.1TXD(串行輸出口)P3.2INT0(外中斷0)INT1(外中斷1)TO(定時(shí)/計(jì)數(shù)器0)P3.5T1(定時(shí)/計(jì)數(shù)器1)P3.6WR(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通)P3.7RD(外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通)3.3看門狗IMP813L電路第1腳為手動(dòng)復(fù)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(fù)位輸出，第8腳為看門狗輸出。復(fù)位脈沖寬度的典型值為200ms,高電平有效則第8腳輸出一個(gè)低電平信號(hào)。IMP813L的典型應(yīng)用電路：IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C51的第9腳);某種原因單片機(jī)進(jìn)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(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時(shí)單片機(jī)產(chǎn)生錯(cuò)誤的動(dòng)作。電源故障輸入PFI通過一個(gè)電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1.25V時(shí)，電源故障輸出腳第5腳PFO變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?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p1.4V芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信超聲波發(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,力。圖3.5為發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路，圖中J2的1、2引腳分別接超聲波發(fā)生器的兩個(gè)需要對此信號(hào)進(jìn)行放大、整形，其信號(hào)接收電路如圖3.6所示，圖中J1的1、222526圖3.5發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路圖3.6回波接收電路電路如圖3.7所示，圖中J17為紅外光電傳感器接口(其引腳1、2分別紅外光電端),OUT1接控制器P2.0口(另外五路檢測單元分別接控制器的P2.1~P2.4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(用以時(shí)，接收管導(dǎo)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(diǎn)亮。:1D圖3.7紅外光電傳感器檢測電路244333.8接觸傳感器檢測單元接口電路長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)為接觸傳感器，其1腳接地。當(dāng)觸碰到障礙物時(shí)，探測簧片被壓下，傳感器的1腳和3腳導(dǎo)通，工作電路形成回路，OUT1端輸出低電平，指示燈L1被點(diǎn)亮。是一種利用各種物理量的變化，將電量或非電量信號(hào)轉(zhuǎn)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真圖3.9繼電器控制電路一個(gè)接帶動(dòng)清掃部件的電動(dòng)機(jī)。另一個(gè)控制垃圾箱蓋閉合。經(jīng)考慮采用4123無長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)的P1初始值為0FFH,所以加一個(gè)74LS04反相器使得繼電器初始不產(chǎn)生閉合，TLP521,把控制部分和驅(qū)動(dòng)部分隔離開來。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有器保護(hù)電路由8個(gè)高速大電流肖恩特二極管1N5822(圖中D1~D8)組成，用來程程本 mm址piuMLap_pP于kTx于圖3.10驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)電路器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N,控制電機(jī)動(dòng)作。當(dāng)需要調(diào)速時(shí)只需改變PWM調(diào)速脈沖(本設(shè)計(jì)中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生)的占空比即可，理論上可以實(shí)現(xiàn)256級(jí)調(diào)速。長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)3.7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(gòu)成的0長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)c解調(diào)3.8液晶顯示電路液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接，編程，完成顯示時(shí)間及清掃機(jī)行進(jìn)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(yīng)用。如靜態(tài)的顯示，還是動(dòng)態(tài)的左移或者右移顯示。那么這個(gè)主要是在程序設(shè)計(jì)的過程中，進(jìn)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(dāng)然得找出相應(yīng)的顯示字符的字符代碼及在DM-162液晶顯示模塊的相應(yīng)顯示位置的RAM地址。然后進(jìn)行每個(gè)字符的寫入顯示。在使用的過程中，還得注意的一點(diǎn)是，可能是顯示驅(qū)動(dòng)電壓的不穩(wěn)定性，或者是由于液晶字符顯示部件DM-162、電源供電部分。單片機(jī)部分：采用AT89C51芯片實(shí)現(xiàn)對DM-162的控制顯示字符顯示模塊：選擇2行16個(gè)字的顯示容量電源部分：+5V電壓供電，維持系統(tǒng)的正常工作，同時(shí)加載10K電位器以適EbibDP2.s6圖3.13液晶顯示系統(tǒng)電路3.9電源模塊電池組可反復(fù)充電800次以上，質(zhì)量輕，體積小，輸出電流為2A時(shí)可連續(xù)工作統(tǒng)電源電壓穩(wěn)定在耗能部件所需的電壓范圍。本設(shè)計(jì)選擇5V穩(wěn)壓模塊為移動(dòng)機(jī)構(gòu)系統(tǒng)電路提供不共地5V電源。機(jī)載電源模塊為整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)提供必需的電力，圖3.14為該模塊選用的制模塊電路提供5V工作電壓，即圖中S_5V所示，電機(jī)的工作電壓由直流電源電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊不共地的5V電壓，即圖中的VCC所示。圖中J4、J5為電源電壓 系統(tǒng)電源采用14.4V可充電鎳鎘電池組，可充電次數(shù)約800次，充滿電后的輸出電壓可達(dá)15V左右。采用WRB1205S-1W芯片為主控制器和其它功能部分成芯片，輸入電壓范圍9~18V,輸出5V,最大輸出電流200mA,自然冷卻，使用方便。由于其性能穩(wěn)定，使用可靠，因此成本稍高。采用L7805芯片為電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制模塊提供單獨(dú)的5V電壓，由于輸入電壓較高，發(fā)熱較大，因此需要加裝第四章軟件流程設(shè)計(jì)NYNY(2)啟動(dòng)各電路模塊，啟動(dòng)液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運(yùn)行時(shí)間。此過程通過軟件編程控制液晶顯示系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向單片機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)清掃機(jī)傳感器系統(tǒng)，此項(xiàng)內(nèi)容主要作用是使清掃機(jī)對周圍環(huán)境有一個(gè)了解，通過對周圍環(huán)境的感知來實(shí)現(xiàn)測距、清掃、避障。本過程主要是通過單片機(jī)控制各傳感器及傳感器向單片機(jī)反饋來實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)紅外接收系統(tǒng)，等待接收紅外信號(hào)。(3)當(dāng)接收到前進(jìn)指令時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。方式1,T0方式2啟動(dòng)停止標(biāo)志位Y2位LED顯示時(shí)間YNYN圖4.2紅外發(fā)射電路流程圖發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.2所示主程序中設(shè)置串口工作方式1和定時(shí)器T1方式2是為了發(fā)射按鍵代碼時(shí)產(chǎn)生2000b/s的波特率；定時(shí)器T0工作方式2是用來在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號(hào)。有按鍵下時(shí)產(chǎn)生外部中斷0,寄則遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定時(shí)器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產(chǎn)生38kHz;設(shè)置定時(shí)器TO和T1工作方式2;產(chǎn)生38kHz載波信號(hào)的時(shí)間常數(shù)送給TO;產(chǎn)生2000b/s的波特率的時(shí)間常數(shù)送給T1;設(shè)置串口工作于方式1;允許外部中斷0中斷;允許定時(shí)器TO中斷;將定時(shí)器TO中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí)串口方式1和串口方式1和T1方式2外部中斷0和串口開中接收電路主程序的流程圖如圖4.3所示，接收電路串口和T1的工作方式與長春理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)初始化NY直流電機(jī)上電數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)送至單片機(jī)首先是系統(tǒng)初始化工作，即設(shè)置寄存器、配置GPIO、定時(shí)器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測GPIO有沒有啟動(dòng)信號(hào)，檢測到啟動(dòng)信號(hào)后，從另一個(gè)GPIO發(fā)出控制信號(hào)給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號(hào)數(shù)出基波的頻率，再根據(jù)電機(jī)的具體型號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度，啟動(dòng)總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4.3所示。清掃壁障流程圖如圖4.4,該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的物?YY清掃NNNY圖4.4清掃避障流程圖接收管接收，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對應(yīng)的電流，電流經(jīng)LM358組成的兩極放大電路放大后，輸出一個(gè)模擬電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。本過程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)的蛇形行進(jìn)清掃方式，盡可能提高清掃機(jī)清掃效率。第五章系統(tǒng)調(diào)試(3)打開清掃機(jī)電源開關(guān)，使清掃機(jī)各電路(4)按下紅外遙控器的開始按鈕，此時(shí)清掃機(jī)開始沿直線行進(jìn)，當(dāng)清掃機(jī)(6)將清掃機(jī)放到初始位置重新測試。當(dāng)清掃機(jī)遇到第一個(gè)經(jīng)測試本課題設(shè)計(jì)的基于單