搜索
公司新闻
智能扫地机的硬件设计
2014-09-13 来源:
0

摘要

    本文是基于单片机的智能巷道扫地机硬件设计,包括单片机控制系统、驱动系统、电机调速系统、红外遥控系统、传感器系统、液晶显示电路和供电系统等的设计,在设计中,优化了系统的结构,提高了系统的性能。对巷道扫地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,信息化的巷道扫地机。实验证明,该智能扫地机平台具有模块化、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。

第一章绪论

    1.1 引言

    道路扫地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,国内外扫地机械的发展较快,并且已经达到先进水平,实现了道路扫地机械化,智能化。国内有厂家引进了国外先进吸扫式扫地机工作装置的生产技术,与国产汽车底盘配套生产扫地机,大大提高了国产扫地机的技术性能。基于单片机的智能巷道扫地机是当前扫地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,自动化的道路扫地机。清扫装置控制系统和清扫部件是决定扫地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扫地机设计的关键。

    1.2 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。扫地机作业正在形成一种趋势。目前,我国有几个厂家生产扫地机。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。

    国外扫地机技术现状:

    国外扫地机发展起步较早,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扫地机为例,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扫地机来说无疑是一次技术上的革命。

    ELGIN扫地机功能动作设计有57项之多,内容包括了扫地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扫地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,得到扫地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扫地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,满足了扫地机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,实现对清扫过程中各任意组合的清扫状况的控制。

    国内扫地机技术现状:

    国内清扫车研制起步较晚,扫地机的机电一体化程度与国外相比相对落后。80年代以后,国产扫地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。扫地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,我们针对国产扫地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,对该扫地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、使扫地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,使扫地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型城市道路扫地机,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型扫地机使用单台发动机,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,减轻了扫地机装备质量,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。但是次扫地机没有达到智能化、信息化的要求,技术水平较国外落后。

    1.3本文研究的内容

    智能巷道扫地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以实现智能扫地机的自主避障功能。

    (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,完成智能扫地机的红外控制系统

设计,实现扫地机的局部自主控制功能。

    (4)查找显示电路相关资料,完成智能扫地机时间及行驶速度的显示。

    (5)在各电路模块设计的基础上完成智能扫地机整个系统的设计,对智能扫地机体系中的重要环节进行实际调试。

第二章智能扫地机各系统分析

    2.1 智能扫地机传感器系统分析

    传感器系统是扫地机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息,是扫地机的重要组成部分,由多传感器及相关信号处理电路组成。在非结构化环境下,传感器系统为扫地机的正常工作发挥着无可替代的作用。扫地机传感器系统的性能越好,自动避障和路径规划方案就越容易实现,控制系统的程序就更容易编写和执行,扫地机系统的整体性能也就越好。

    移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两大类。内传感器主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感器包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。

    扫地机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息,以实现机扫地机的自主避障。由此可见,传感器的选择直接关系到扫地机自动避障策略的选择和执行质量。对工作环境下的障碍物信息,可以通过外部传感器获得,移动机器人上常用的探测障碍物的传感器主要有超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器和视觉传感器等几种。

    超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大,尤其是在阳光不透明的固体中,它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波,碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波传感器通过计算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距。超声波传感器波束较宽,方向性差,但是其环境适应能力强,探测距离远,采集信息速度快,且比一般视觉传感器和激光测距仪都要便宜,因此在许多方面得到广泛应用。

    红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等优点,但是其受环境影响较大,当探测头被灰尘等污染后,其探测性能将大大下降。红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件,它是把光信号(红外、可见及紫外光辐射)转变成为电信号的器件。红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。红外光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多,传感器的结构简单,形式灵活多样,它的探测距离比较近,从几个毫米到几十厘米不等。因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

    接触传感器通过与被测物体的接触来确定被测物体的相关信息,如物体的存在与否、物体的形状和位置、接触面的压力分布及大小等等。接触传感器主要有限位开关、接触开关等,这些传感器结构简单、信号易处理、适应能力强且价格低廉。由于超声波传感器、红外光电传感器和接触传感器都具有价格低廉、工作可靠、速度快等优点,因此广泛应用于移动机器人的局部导航。

    经过对比分析,本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构建扫地机器的传感器系统。将这些传感器合理布置在扫地机周边位置上,通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据通讯,控制系统根据获得的传感器系统信息做出避障决策,实现自主避障。

    2.2 智能扫地机控制系统分析

    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。

    2.2.1 驱动系统

    驱动器就是驱动扫地机的动力部件,最常用的是电机了。当然还有液压、气动等别的驱动方式。一个扫地机最主要的控制量就是控制扫地机的移动,扫地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,就可以控制扫地机移动的距离和方向,扫地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扫地机械,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。首先计算出扫地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

    扫地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,扫地机极易碰撞造成损坏。扫地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。

    通过图2.1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。

    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25~35Hz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扫地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,在扫地机上,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。

   

    3.1 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。用超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器完成自动避障。用光电编码器检测电机的转速。利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现扫地机行进、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。

   

    3.2 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CMOS8位单片机,片内含4Kbytes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。

    3.2.1 AT89C51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

    128×8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 AT89C51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 AT89C51引脚功能说明

   

    VCC:电源电压

    GND:地

    P0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: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: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: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:

   

    3.3 看门狗IMP813L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。

   

    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1.25V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。

   

    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 传感器系统电路

   3.4.1 超声波传感器检测电路

    超声波发射脉冲是由P3.7口输出的,由于P3口的输出电流最大不过20mA,无法直接驱动超声波发射器发出超声波束,因此需要加入放大电路以增强驱动能力。图3.5为发射波驱动电路,图中J2的1、2引脚分别接超声波发生器的两个端脚,PULSE接控制器P3.7口,这里采用了两级与非门74LS00来增强驱动能力,电路简单实用。接收器接收到的超声回波也是mv级的,为了能够触发中断,需要对此信号进行放大、整形,其信号接收电路如图3.6所示,图中J1的1、2引脚分别接超声波接收器的两个端脚,INT1接控制器P3.3口。采用放大器LM324将接收信号两级放大,放大信号经过比较器LM339调理成方脉冲,再经过非门74HC14整形后送入控制器外部中断INT1口,触发外部中断。为了滤去干扰信号,电路中还适当接入了一些电容。

   

    3.4.2 红外光电传感器检测电路

    本文选用JY043W型红外反射式传感器。红外光电传感器检测单元信号处理电路如图3.7所示,图中J17为红外光电传感器接口(其引脚1、2分别红外光电传感器的发射脚和接收脚,引脚3为红外光电传感器的发射管和接收管共用接地端),OUT1接控制器P2.0口(另外五路检测单元分别接控制器的P2.1~P2.4口),ZHISHI1为其它五组检测单元LED指示灯共用端,R15为发射限流电阻(用以将发射管的发射电流限定在10~20mA左右)。当接收管接收到反射回来的红外光时,接收管导通,比较器LM324的3端输入低电平,使得3端电压小于2端的门槛电压,则输出端1脚输出低电平,指示灯L3被点亮。

   

    3.4.3 接触传感器检测电路

   

    接触传感器通过与目标物体的接触来识别障碍物。这种传感器结构简单,装卸方便,环境适应性强。鉴于清洁机器人结构紧凑、便于装卸的要求,本文选择RV-163-1C25型微动开关作为接触传感器,该型号开关结构小巧,使用简单可靠,信号无需调理。接触传感器检测单元的接口电路如图3.8所示,图中OUT7接控制器P2.7口端口(另一检测单元接P2.8口),R1为指示灯L1的限流电阻,A1为接触传感器,其1脚接地。当触碰到障碍物时,探测簧片被压下,传感器的1脚和3脚导通,工作电路形成回路,OUT1端输出低电平,指示灯L1被点亮。OUT1端输出的低电平能够直接被控制器识别。

    3.5 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。

   

    智能扫地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3.9所示。

    3.6 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D1~D8)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3.10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端口产生)的占空比即可,理论上可以实现256级调速。

    3.7 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。

   

    设计中采用一种高效能的红外接收器——TFMS5380。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3.12所示

    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。

   

    3.8 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,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,完成显示时间及扫地机行进速度的功能。

    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。

    液晶显示模块电路如图3.13所示。它由以下几个部件组成:单片机AT89C51、液晶字符显示部件DM-162、电源供电部分。

    单片机部分:采用AT89C51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。

   

    3.9 电源模块

    电源模块是扫地机系统的生命源,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。扫地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,二是清扫系统工作时的消耗。耗能部件所需的电压、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:扫地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,图3.14为该模块选用的电源和电压专换芯片。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。

    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9~18V,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。

    4.1 总体软件流程

   

    总流程图如图4.1所示,是整个扫地机运行过程的流程图。其中包括初始化整个系统、启动各电路模块、等待接收命令、启动驱动系统、检测障碍、启动清扫避障系统、结束清扫等过程。

    (1)首先,启动扫地机电源,使各模块持续供电。

    (2)启动各电路模块,启动液晶显示系统,以便显示扫地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。启动扫地机传感器系统,此项内容主要作用是使扫地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。启动红外接收系统,等待接收红外信号。

    (3)当接收到前进指令时,启动驱动系统。

    (4)当遇到障碍时启动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 红外遥控系统流程

   

    发射电路主程序的流程图如图4.2所示主程序中设置串口工作方式1和定时器T1方式2是为了发射按键代码时产生2000b/s的波特率;定时器T0工作方式2是用来在P3.7引脚上输出38kHz的载波信号。有按键下时产生外部中断0,寄存器R5和R4中存放的数据是用来控制1min的定时时间。1min之内无按键,则遥控器进入低功耗状态。定时器T0中断程序是将P3.7引脚取反产生38kHz的载波信号,此信号为方波信号。外部中断0的中断程序用于判断按键并发射按键代码,同时还包括按键去抖动和检查设置相关标志位。

   

    接收电路主程序的流程图如图4.3所示,接收电路串口和T1的工作方式与发射电路完全相同,是为了与发射的波特率一致,能可靠接收数据。串口中断用于接收按键代码并设置相关标志位。外部中断0产生移相脉冲改编移相角,从而改变可控硅的导通角,并判断是否有定时,进而控制电机的运转时间。

    4.3 驱动系统流程

   

    首先是系统初始化工作,即设置寄存器、配置GPIO、定时器、A/D转换器和外部中断、启动A/D转换。然后检测GPIO有没有启动信号,检测到启动信号后,从另一个GPIO发出控制信号给直流电机加电。从A/D转换器里读取电流信号数据,再通过求平均值得到电机的电流值;对输出脉冲信号的数据进行FFT变换,求出基波的频率,再根据电机的具体型号乘以一个系数得到电机的转速。最后把测试电流和转速送给液晶显示系统显示扫地机行进速度,启动总线传输,把测试结果传输到单片机,以对数据进行保存和分析。软件流程如图4.3所示。

    4.4 清扫避障系统流程

    清扫壁障流程图如图4.4,该流程是智能扫地机执行清扫命令及躲避障碍的流程。

   

    (1)红外光电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)由接触传感器感知障碍物性质,判断其是否是扫地机可清扫的垃圾。若可清扫则由单片机向扫地机械电机发出清扫指令,执行清扫命令,完成清扫后继续等待红外传感器接收信号。

    (3)若不可清扫,判断其为墙角类障碍,此时累加器累加判断为墙角的次数。

    (4)判断墙角累加次数的奇偶,若为奇数则通过控制电机调速模块来控制左右轮速度,控制扫地机行进方向,使其左后转行进。若判断为偶数,则使其右后转行进,本过程实现扫地机的蛇形行进清扫方式,尽可能提高扫地机清扫效率。

第五章系统调试

    经过近三个多月的筹备,由我设计的基于单片机的智能巷道扫地机已经设计成功。

    该智能扫地机在红外遥控器的控制下,以蛇形路线行进并进行垃圾清扫和壁障等活动。调试过程如下:

    (1)首先,焊接电路,完成扫地机的硬件组装。接通电源,测试扫地机运行情况。经测试扫地机工作正常。

    (2)用数据线将扫地机和电脑相连接,打开扫地机的电源开关,让电脑和扫地机之间能正常地通信。在第一次使用扫地机的时候,要求我们来安装一下驱动程序,在驱动光盘中,运行了相应的程序安装了驱动。

    (3)打开扫地机电源开关,使扫地机各电路模块处在了供电状态。此时DM-162液晶显示模块显示了运行时间和此时扫地机的行进速度。所显示的时间最小单位为秒,行进速度最小单位为米/分钟。

    (4)按下红外遥控器的开始按钮,此时扫地机开始沿直线行进,当扫地机遇到纸屑时,机械部件成功将其放入扫地机的车载垃圾箱,扫地机继续前进。

    (5)当遇到墙角时与墙角发生了碰撞,发生了意外。扫地机停了下来,DM-162液晶显示模块不正常显示。经检查,发现电源接口被震开,导致所有电路模块断电。为了解决这一问题,我重新设点了扫地机行进速度,使其工作在安全行进速度范围。

    (6)将扫地机放到初始位置重新测试。当扫地机遇到第一个墙角时,左后转并继续行进,当遇到第二个墙角时,右后转前进。此过程验证了扫地机的蛇形行进路线。
经测试本课题设计的基于单片机的智能巷道扫地机基本实现了课题的智能化,自动化,信息化等要求。本课题有助于培养同学们的科学精神,激发创新思维,提供创新能力。

第六章结论

    本课题设计结合机器人控制原理,使用机器人开发平台GAIA-2,对智能扫地机各部分系统分别作了论证与分析。其中包括主控制系统的设计方案论证,存储器扩展电路的选择,各传感器电路的选择,电机驱动及调速方式的选择,红外遥控系统的设计,电源的设计。由于单片机是整个智能扫地机的运算处理中心,又是控制中心,是最重要的器件,控制所有模块。本人对其进行了严格挑选。鉴于AT89C51采用高密度、非易失性存储技术,具有功能强大,灵活性高等优点,本课题选用了它。其他电路模块均在考虑灵敏度高、精度适当、工作稳定、可靠性好、经济实惠等原则的基础上进行了选取。通过本课题的设计,我对单片机及传感器的相关原理有了更深刻的理解。并且掌握了直流驱动电路及PWM调速电路的工作原理。最主要是提高了本人研究与分析问题的能力。

    按照论证方案,在完成智能扫地机硬件电路的研制及控制程序的设计后,经过一段时间的调试,系统各部分运转基本正常。验证了智能扫地机硬件电路设计方案的可行性,达到了预期的目的。但其智能化程度还远远不够。我相信随着科技的不断发展人类的不断进步智能巷道扫地机的前景会更广阔。

Copyright © 2013  版权所有  上海徳沁机械有限公司   沪ICP备14023324号 XML地图 网站地图 沪公网安备 31011702001277号