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1、编号农春理工去学.Changchun University of Science and Technology本科生毕业设计基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计Intelligent roadway sweeper hardwaredesign based on MCU学生姓名专业通信工程学号指导教师学院电子信息工程学院2009年06月基于单片机的智能巷道清扫机硬件设计摘要： 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
2、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： 智能清扫机；单片机；传感电路；驱动模块；通信模块AbstractThis paper introduces the roadway sweeper hardware design based on MCU, including the choice of single-chip, hardware resource all
3、ocation 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
4、 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
5、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第一章绪论-.1-1.1 引言1
6、-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 93.2.1 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 1
7、5-3.6 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 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2-1-第五章系统调试-.24 -结论-.2 5 -参考文献-.2 6 -致谢-.2 7 -长春理工大学毕业设计第一章绪论1.1 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，
8、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
9、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
10、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消 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 一压 力传感器，副发动机一温度传感器、转速传感器，垃圾箱一荷重传感器、物位传 感器
11、、倾角传感器，清扫用水一液位传感器，重车用电一电量传感器，发动机转 速显示一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
12、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 一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
13、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，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。具某些技术为国
14、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
15、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。-9 -第二章智能清扫机各系统分析2.1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
16、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
17、： 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(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
18、/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弓I脚功能说明1P1DPOOPl：FOLPL2P02P13P03PL4P 居P15PD5P16PD6P17P07INTIF2DINTOP2IP22TiP23TOP24_P25EATVPF26P21XIvss至
19、2VCCRESETRXD_TXDRDALE/声而PSEN392383374笈53S634733832212 Q2215241425312627192S40184191017 n113n上9ATSAC51.VCC:电源电压.GND:地.P0 : 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 : P1 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
20、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）o.P2 : P2 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）o.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
21、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P3.0RXD（用行输入口）P3.1TXD（用行输出口）P3.2INTO（外中断0）P3,3INT1（外中断1）P3.4TO（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6WR（外部数据存储器写选通）P3.7RD（外部数据存储器读选通）表3.1端口引脚第二功能表-11 -长春理工大学毕业设计3.3 看门狗IMP813L电路几乎所有
22、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。WDO 二Vcc
23、RESET IMP813L-27 -WDIGNDPFIPFO图 3.3 IMP813L 芯片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 4.6
24、5V。(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
25、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
26、。被检测的电源PFIWDIVccPFQIMP613LRESETMRGNDTOOpl, 4INTIAT89C51Pl. 9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
27、（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
28、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包括驱动器
29、、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
30、，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 生）的占空比即可，理论上可以实现 256级调速。Pll b出一 F 世J ph j 眄15 0UIUiiAL区工RIIE.71tiCZ4575*-I1LF521 让.1 R8 IKU12A.470字,L室城 （I1LB5Z1U13AIU5Z1
31、X 型IIUR N一匚DIRJ FWMA、FWMBkRE五Fai .1 KlUKU13B ：一己=ITDPWMBrU?TLDIRIVCC 12VDTR2DIRIMOTO川启 JDIR4PWMA 01a3 DIR3 W04.ISO堂弘3如M L：S8NJ-心山图3.6驱动系统电路3.6 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。 由单片机的异步用行口 TX输出的申行数据信号，送到与非门
32、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。这样就达到了用用行口TX输出的申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。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
33、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600uso TFMS5380的应用电路非常简单。实验证明， TFMS53