毕业设计基于51单片机的简易家用智能拖地机

简易家用智能拖地机PAGEPAGE16目录TOC\o"1-4"\h\z\u目录 1一绪论 2简易家用智能拖地机 2一方案设计与论证 41.1． 总体设计方案与比较： 4二模块电路设计及比较 42．1电源模块 42.1.1电源原理 42.2电机驱动模块： 62.2.1电机的选择与论证 62.2.2电机驱动方案的选择与论证 62.2.2.1驱动方案选择 62.2.2.2PWM产生方案论证 102.3传感器模块： 14三软件设计 153.1程序清单 15四致谢 16参考文献 16仪器仪表 17附录 18单片机程序： 18本设计总体电路图： 26一绪论

用单片机控制电机是市场上科技产品的一个运用很广的技术,而把单片机控制电机运用在生活用品中还是刚刚起步.单片机控制小车在包括玩具、家用电器等方面都有广泛的应用。另外，家用电器都向智能化发展。而家庭中，各种家务又在忙碌一天想回到家休息的人们，特别是过几天就发黑的地板。一般情况下都是选择用拖把人工打扫。现在室内扫地，拖地手工操作的非常多，有的用吸尘器吸尘，难把地板搞干净，费工费时，而且劳动强度非常大，劳动效率也很低，在室内清洗上需要大量的人力、物力。而我的设想是能有一台智能化的机器，只要一通电源，它就会自动把家里打扫的干干净净！目前市场上还没有这类智能家用电器，但是一般情况下，基本上每个家庭都会有这方面的要求，如果开发出来的话，会有广阔的市场前景。

简易家用智能拖地机摘要:本设计分六个模块：单片机控制及显示模块、电机驱动模块、传感器模块、音乐片模块、电源模块、拖地模块。单片机控制及显示模块以单片机AT89s51为核心，对传感器模块送过来的信号进行控制同时串行口输出时间显示；电机模块是以L298N为核心的常用电机驱动电路；传感器模块是以LM358为核心及光电三极管和微动开关组成的电压比较器电路；音乐片模块是型号为的音乐片构成的；电源模块包括两种：一种是以7805为核心的+5V稳压电路，其主要为单片机控制及显示模块、电机驱动模块的逻辑电源、传感器模块供电；另一种是六节AAA电池组成，主要用于电机驱动的VS和音乐片。关键字：传感器电机驱动传感器电源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一方案设计与论证1.1． 总体设计方案与比较：本设计以单片机AT89S51为核心根据传感器模块送过来的信号经过处理向驱动模块输出控制信号，同时单片机串行口输出工作时间，及给音乐片输出控制信号。传感器模块根据外界具体情况判别是否遇到障碍，当遇到障碍时，送单片机相应的信号，单片机根据接受到的信号进行数据处理，输出相应处理后的信号到电机驱动模块，从而控制小车的行进方向，实现小车在拖地过程中的避障，在整个运行过程中，单片机将显示运行时间，同时音乐片发出声响提示小车运行状态。其整个功能模块如图1.1所示。TOC\o"1-3"\h\z图1.1总体设计方框图二模块电路设计及比较系统硬件以AT89s51单片机为核心，外围包括电源模块、显示模块、电机驱动模块、传感器模块、音乐片模块。2．1电源模块本设计共用到电源有两种：即+5V+9V2.1.1电源原理本设计稳压电源由滤波电路和稳压电路组成，如图2.1图2.1电源方框及波形图a滤波电路：滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压U1中的大部分纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压U2。b稳压电路：由于得到的输出电压U2受负载、输入电压和温度的影响不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压U3。图2.2中电路提供+5V的电源，主要为单片机控制及显示模块、电机驱动模块的逻辑电源、传感器模块供电。该电路中采用三端稳压芯片78**系列的7805其能够输出稳定的+5V,保证单片机能够正常工作。图2.3中提供的+9V的电源由六节AAA电池组成，主要用于电机驱动的VS和音乐片。图2.2+5V电源原理图图2.3Vs电源原理图2.2电机驱动模块：2.2.1电机的选择与论证方案一:采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力,如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点：是转换精度高,正转反转控制灵活。方案二:采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广；过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转;能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买,并且电路相对简单,所以采用直流电机作为动力源。2.2.2电机驱动方案的选择与论证2.2.2.1驱动方案选择方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速目的。电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵,且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小,但电流很大,分压不仅会降低效率,而且实现很困难。方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间长,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案三:采用由达林顿管组成的H型PWM电路。PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成,四个晶体管分为两组,交替导通和截止,用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态,根据调整输入控制脉冲的占空比,精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作只在饱和和截止状态下,效率非常高。H型电路使实现转速和方向的控制简单化,且电子开关的速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。但是在实际制作过程中在具体调试过程中三极管的发热较严重（即使加了散热片）特别是前轮转向的时候尤为严重。方案三采用四个达林顿管，它们轮流导通即实现正反转，其结构简单，控制方便。其控制逻辑如表2.3.1所示。表2.3.1AB状态10正转01反转11停止00停止其电路如图2.4所示。图2.4方案一电机驱动电路但在具体调试过程中三极管的发热太严重（即使加了散热片）特别是前轮转向的时候尤为严重。方案四：采用L298N构成的PWM电路。用L298N（如图2.5所示）对电机进行驱动，用单片机控制L298使之工作在开关状态,根据调整输入控制脉冲的占空比,精确调整电动机转速。这种电路由于管子工作只在饱和和截止状态下,效率非常高。它在原理上和方案三中的三极管对管很相似，但是他有很多对管所没有的优点比如：它的最大工作电压高达50V；最大电流值为3A；工作温度范围宽-40度到150度等等图2.5图2.6故本设计采用以L298N为核心的电机驱动电路，由于拖地机在工作中要躲避障碍物，因此在行进过程中要前进、后退、左转、右转；在制作过程中为了便于调试和检查本设计定义L298N的5、7脚为后轮电机的控制信号同时与之对应的2、3脚接前轮的电机；10、12脚接前轮的控制信号同时与之对应的13、14脚接后轮的电机。其控制逻辑如表2.3.2所示。表2.3.25，107，12状态10正转01反转11停止00停止具体的电路如图2.7所示。图2.7方案二电机驱动电路在测试时为了便于调节与检测，本设计令p1.0p1.3作为拖地机的电机的控制端，分别接上图的5、7；10、12；即实现了P1.0P1.1对后轮的控制；P1.2、p1.3对前轮转向的控制。具体逻辑见表2.3.3表2.3.3P1.0，p1.2P1.1，p1.3状态10前进/左转01后退/右转11停止00停止程序的设计思路是：当传感器模块输出端对应的管脚(单片机的外部中断口一或外部中断口二)出现低电平时（说明前方有障碍）；则小车右转弯后退5S来躲避障碍.其具体流程图(如图2.8所示)及源子程序如下:图2.8电机控制流程图INTEX0:LCALLSTOP

LCALLDELAY5S

LCALLHT

LCALLRZ

LCALLDELAY5S

LCALLSTOP

LCALLFRZ

LCALLQJ

RETI

INTEX1:LCALLSTOP

LCALLDELAY5S

LCALLHT

LCALLRZ

LCALLDELAY5S

LCALLSTOP

LCALLFRZ

LCALLQJ

RETI

2.2.2.2PWM产生方案论证方案一：用触发器接成振荡器电路，通过调节电位器R1来改变占空比，即产生PWM信号。其原理图如图2.9所示。VVS高速VVS低速图2.9方案一PWM方案论证方案二：采用单片机定时器1定时中断产生占空比可调的PWM信号，此方案利用软件实现，具有操作容易，硬件电路简洁的优点，故本设计采用方案二。该部分的流程图（如图2.10所示）及子程序如下:图2.10PWM信号产生流程图定时器1中断程序产生PWM脉冲流程框图

ORG00H

LJMPSTART

ORG001BH;放在主程序开始

AJMPINTT1

ORG30H

START:CLRP1.3

MOVTMOD,#20H;T1方式2定时

MOVTH1,#0C8H;计数初值200

MOVTL1,#0C8H

MOVIE,#88H;CPU开中断，定时器1中断开

MOV60H,#05H;高电平计数周期

MOV61H,#05H;低电平计数周期

MOV62H,60H

MOV63H,61H

CLRP1.7

CLR03H;软件标志位

SETBTR1

HERE:JMPHERE

INTT1:JB03H,HP;低电平计时到，跳转输出高电平。

LP:DJNZ62H,RETURN;计数周期未到，中断返回。

CPLP1.7

MOV62H,60H

SETB03H;低电平延时结束，置软件标志位。

JMPRETURN

HP:DJNZ63H,RETURN

CPLP1.7

MOV63H,61H

CLR03H

RETURN:RETI

2.2.2.3PWM信号输入方案方案一：将L298N的8脚接三极管的集电极，发射集接地，同时将PWM信号从基极输入，通过三极管的饱和导通与截止，来控制电机的功率进而实现对车速的控制。其电路图如图2.9所示。图2.9方案一的PWM信号输入电路图方案二：将单片机产生的PWM信号直接输入到L298N的控制端即5，7脚，当电机正转时，5脚送入PWM信号7脚接低电平；反转时7脚接PWM信号5脚接低电平；该方案虽然原理正确，电路简单但是实际中单片机产生PWM信号难以实现选择发送，所以该方案不宜采用。方案三：为了解决方案二的选择发送的难题，在外部电路中采用继电器来实现选择发送。由于实际中小车多数情况下是前进状态，所以继电器默认情况下，将PWM信号送入298的5脚，后退时单片机送高电平给继电器让其吸合及实现将PWM信号送入298的7脚，从而实现PWM信号选择发送。其原理图如图2.10所示。图2.10继电器实现选择发送端原理图方案四：虽然方案三解决了选择发送但是却无法实现停车，为了能实现停车及方案三的功能，同时为了减小电路的功耗（因为继电器工作的最小电流是40mA），降低成本及优化设计，故本设计采用方案四。可以将上面的电路做以下改变如图2.11所示。图2.11与门实现选择发送端原理图2.3传感器模块：方案一：采用超声波测距技术。超声波测距控制器的工作原理是超声波数字测距是利用超声波发射,通过被测物体的反射回波接收后的时差来测量被测距离的,是一种非接触式测量仪器，单片机根据超声波碰到障碍物反射过来的信号来判断是否前放有障碍物，从而作出相应的处理。单片机根据采集的数据进行判断最后采取最优的行走路线，在精度上比较高，但是造价太大不宜商品化，此外电路较复杂，不易调试所以不宜采用。方案二：采用光电三极管和微动开关结合的方法来取代方案一中的超声波测距，光电三极管是根据外界的光照强度不同其对应的阻值不同，光照强度越大，其阻值越小。根据其阻值的变化，送到比较电路与参考电压进行比较，从而得到相应的电平信号。本系统采用的另外一种传感器是微动开关，微动开关是接触式传感器，其接触到障碍物开关将闭合，从而得到相应的电平信号。该方案的优点是硬件电路比较简单、易于调试、成本低易于商品化，虽然在精度上略逊于方案一中的超声波测距，但是，在实际中该方案还是可行的。所以电路设计和制作采用方案二。其电路方框图如图2.12所示图2.12传感器模块电路三软件设计该部分见王强的设计3.1程序清单程序清单见附录。四致谢本设计从题目的确定、功能模块的选定以及论文的最后定稿都得到了指导老师xx老师的大力支持，特别是在论文的初稿阶段能一针见血地指出该论文的最大缺陷使我及时修改同时也使我收获颇丰，在此表示衷心的感谢。此外，在具体的电路模块设计和测试过程中得到了xx同学的许多帮助，以及本设计的软件设计部分也得到了xx同学的鼎力相助，在此一并表示感谢！！参考文献[1]童诗白，华成英模拟电子技术基础高等教育出版社2003年[2]陈明荧8051单片机设计实训教材清华大学出版社2004年[3]全国大学生电子设计竞赛组委会第四届全国电子设计竞赛获奖作品选编北京理工大学出版社2001年[4]张友德赵志英途时亮单片微型机原理应用与实验复旦大学出版社2004年[5]阎石数字电子技术基础高教出版社2004年仪器仪表[1]YB1731A2A[2]YB54100双通道数字存储示波器江苏绿扬电子仪器集团有限公司[3]YB43020A双综示波器江苏绿扬电子仪器集团有限公司[4]伟福E6000/L仿真器南京伟福实业有限公司[5]51/PIC单片机实验仪北京革新科技有限公司[6]SUPREPRO/GH读写器北京革新科技有限公司附录单片机程序：;=======================定义伪指令==============LED1EQU021HLED2EQU022HLED3EQU023HLED4EQU024HJS1EQU025H;25MS(0-99)JS2EQU026H;1S(0-39)TimeSEQU027H;(0-59)秒TimeMEQU028H;(0-59)分钟;========================主程序============ORG0000HLJMPSTARTORG000BHAJMPINTT0;定时器T0产生计时中断ORG001BHAJMPINTT1;定时器T1产生pwm脉冲信号ORG0040HSTART:MOVSP,#50HMOVIP,#08H;定时器T1为高优先级CLRAMOVJS1,AMOVJS2,AMOVTimeS,AMOVTimeM,A;js1js2timestimem清零;======================设定T0为工作方式2========MOVTMOD,#22H;设定T0为工作方式2，八位自动重载，定时器T1为工作方式2MOVTH0,#025;MOVTL0,#025;256-(250*11.0592/12)=256-230.4=25.6250us(11.0592);用25时，中断时间为250.6510417usCLR7FHMOVTH1,#0C8H;计数初值200MOVTL1,#0C8HMOV60H,#05H;高电平计数周期MOV61H,#05H;低电平计数周期MOV62H,60HMOV63H,61HCLRP1.7CLR03H;软件标志位SETBTR1;开定时器1SETBTR0;开定时器0;=================设定IE==========================SETBET0;致能定时0中断SETBET1CLRTF0;清定时0中断标志SETBEA;开总中断MOVDPTR,#TABLEMOVSCON,#00H;设置串行口控制寄存器;===================以下控制小车转向及前进后退==========LCALLQJLCALLDELAY5SLCALLLZLCALLDELAY5SLCALLFRZLCALLDELAY04SLCALLRZLCALLDELAY5SLCALLFRZLCALLHTLCALLDELAY5SLCALLLZLCALLDELAY5SLCALLFRZLCALLDELAY04SLCALLRZHERE:JMPHERE;===========================定时器0中断入口==============INTT0:PUSHPSWPUSHACC;=============================时钟INCJS1MOVA,JS1CJNEA,#100,INT_TIME;A与100相比较，不等则跳转到INT_TIME；相等则执行下一条指令MOVJS1,#00INCJS2MOVA,JS2CJNEA,#40,INT_TIME;A与40相比较，不等则跳转到INT_TIME；相等则执行下一条指令MOVJS2,#00;===========================================;（11.0592MHz补偿)提高精度。;(250.6510417-250)*4000/250=10.4166672MOVJS1,#10;===========================================;秒数加1INCTimeSMOVA,TimeSCJNEA,#60,INT_TIMEMOVTimeS,#00;分钟加1INCTimeMMOVA,TimeMCJNEA,#60,INT_TIMEMOVTimeM,#00INT_TIME:MOVA,TimeMCALLHEXtoBCDMOVLED1,AMOVLED2,BMOVA,TimeSCALLHEXtoBCDMOVLED3,AMOVLED4,B;=============================显示DISP:MOVA,24HMOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIMOVA,23HMOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLRTIMOVA,22HMOVCA,@A+DPTRMOVSBUF,AJNBTI,$CLR