自動(dòng)拖地機(jī)換抹布控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘 要：本文設(shè)計(jì)了一套基于51單片機(jī)的家用自動(dòng)拖地智能換抹布機(jī)控制系統(tǒng)。拖地機(jī)以51單片機(jī)為控制核心；使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)與轉(zhuǎn)抽相連的直流電機(jī)；用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)控制直流電機(jī)的啟動(dòng)、停止、前進(jìn)、后退、速度和轉(zhuǎn)向；通過(guò)直流電機(jī)及棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)換抹布的目的。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī) 自動(dòng)拖地 換抹布

中圖分類號(hào)：TM461文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）09（a）-0028-02

1 引言

隨著社會(huì)發(fā)展，雙薪家庭越來(lái)越普遍，家務(wù)負(fù)擔(dān)日漸突顯。吸塵器雖然好用，但仍需要花費(fèi)人力物力，減負(fù)思想體現(xiàn)的不夠完全。家用自動(dòng)拖地機(jī)成本低廉、體積小，集紅外避障、自動(dòng)更換抹布、定時(shí)噴水、自動(dòng)拖地等功能于一體，是一款非常符合中國(guó)國(guó)情的家庭小助手，并得到的廣泛使用。目前的智能小車的壁障技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，自動(dòng)灑水也很容易實(shí)現(xiàn)，文中主要研究的是拖地機(jī)的自動(dòng)換抹布控制系統(tǒng)。

2 自動(dòng)拖地機(jī)總體框架

自動(dòng)拖地機(jī)的方案有很多，其中采用CPLD/FPGA復(fù)雜可編程邏輯器件或51單片機(jī)作為控制器的方案使用較多[1][2]?？紤]到家用自動(dòng)拖地機(jī)的控制部分要求自動(dòng)化集成度高、可靠性強(qiáng)以及操作維護(hù)方面等特點(diǎn)，從經(jīng)濟(jì)型和實(shí)用性上，系統(tǒng)選用美國(guó)INTEL公司自主研發(fā)AT89S51單片機(jī)作為控制核心。圖1為智能小車的總體框架圖，自動(dòng)拖地機(jī)是一款集自動(dòng)拖地、換抹布、灑水、蔽障為一體的服務(wù)型機(jī)器。它以單片機(jī)為控制核心，通過(guò)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)

板控制電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)和速度，從而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、變速以及換布裝置的自動(dòng)換布與自鎖；通過(guò)控制繼電器的開合來(lái)控制水泵的得電與失電，從而實(shí)現(xiàn)拖地機(jī)的定時(shí)灑水功能；借助紅外模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)蔽障功能。

3 自動(dòng)換抹布機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)換抹布系統(tǒng)最大特點(diǎn)在于拖布在拖行一段時(shí)間后能夠?qū)⑴K的部分自動(dòng)卷起，用干凈的部分替換臟的部分，以實(shí)現(xiàn)一塊拖布的充分利用，提高了抹布的利用率。當(dāng)整個(gè)拖地過(guò)程結(jié)束后，拖布還能夠從軸上取下，進(jìn)行清洗，以方便下次拖地。其實(shí)現(xiàn)有兩種方案：

方案1：利用6方筒來(lái)實(shí)現(xiàn)換抹布。將6方筒與直流電機(jī)用聯(lián)軸器連接起來(lái)，把首尾縫合的抹布緊套在6方筒上，通過(guò)的直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)使6方筒旋轉(zhuǎn)，讓其不同的面與地面接觸來(lái)達(dá)到換抹布的目的。但是此種方法所占體積大，而且要精確的使電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定角度，還要在每次旋轉(zhuǎn)時(shí)都要將6方筒抬高，以避免與地面卡死，因此這種方法比較復(fù)雜。

方案2：利用直流電機(jī)和棘輪機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)更換抹布。把主動(dòng)軸和直流電機(jī)用聯(lián)軸器連接起來(lái)，從動(dòng)軸與棘輪機(jī)構(gòu)連接起來(lái)。將抹布的兩端各繞在兩根轉(zhuǎn)軸上，通過(guò)直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)帶動(dòng)轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，繼而使抹布在一根轉(zhuǎn)軸上卷進(jìn)來(lái)，在另一根轉(zhuǎn)軸上卷出達(dá)到換抹布的目的。電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)一定時(shí)間后，利用其自鎖功能和棘輪機(jī)構(gòu)達(dá)到抹布鎖定的目的。綜合考慮后我們選擇方案2，其機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)板的選型

電機(jī)驅(qū)動(dòng)板有采用H橋電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、L298N的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊或SM6235W電機(jī)遙控驅(qū)動(dòng)模塊的三種選擇方案。采用H橋電路的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路不能夠驅(qū)動(dòng)大功率電機(jī)，并且電路暴露在外部導(dǎo)致穩(wěn)定性不高[3]。采用SM6235W電機(jī)的遙控驅(qū)動(dòng)模塊其采用的是編碼輸入控制，而不是電平控制，這樣在程序中實(shí)現(xiàn)比較麻煩，且電機(jī)模塊價(jià)格比較高。采用L298N的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊具有高集成度、高功率的特點(diǎn)，可以驅(qū)動(dòng)大的負(fù)載，如大功率直流電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)等，較少的外圍電路（僅需要保護(hù)用的二極管）便可以很好地驅(qū)動(dòng)大功率的電機(jī)。其輸入端可以與單片機(jī)直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機(jī)控制。當(dāng)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)時(shí)，可以直接控制兩路電機(jī)，并可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。而且此模塊體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、散熱好、性能穩(wěn)定，并且可以使輸出動(dòng)力更強(qiáng)勁，承載能力更好。綜合上面三個(gè)方案，我們選擇L298N作為我們的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。L298N為15個(gè)管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)用L298N來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載（比如繼電器，直流和步進(jìn)馬達(dá)）和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。根據(jù)設(shè)計(jì)要求，，便可給[P_IOA_DATA]傳送數(shù)據(jù)，從而控制轉(zhuǎn)向電機(jī)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)。單片機(jī)和L298驅(qū)動(dòng)器組成的直流電機(jī)控制電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡(jiǎn)單，并且計(jì)算機(jī)（或單片機(jī)）硬件費(fèi)用大大減少。其結(jié)構(gòu)圖和連接圖圖3所示：

系統(tǒng)將圖中L289芯片的IN2取反后和IN1信號(hào)連接到一起接到單片機(jī)電機(jī)1的方向控制引腳上，EA則直接連到單片機(jī)引腳上，單片機(jī)使用PWM模塊控制電機(jī)1的啟動(dòng)、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。同理IN3、IN4、EB同理和單片機(jī)引腳相連，然后用于控制電機(jī)2。L298芯片的9號(hào)引腳VS用于輸入直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓。因?yàn)橄到y(tǒng)選用的額定電壓為12V的直流電機(jī)。因此圖中VS直接連到12V電壓。

5 自動(dòng)換抹布程序設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)拖地機(jī)的自動(dòng)換抹布功能就是要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。如上所述，系統(tǒng)選用L298作為電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，其邏輯功能如表1所示。

系統(tǒng)采用PWM控制模塊控制脈沖占空比，從而達(dá)到單位時(shí)間內(nèi)對(duì)加載在電機(jī)兩端電壓平均值大小的控制。在單位時(shí)間內(nèi)加載在電機(jī)兩端平均電壓越大，則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)速度越快，否則越慢。單片機(jī)將產(chǎn)生的PWM信號(hào)輸出到L298芯片的EA和EB引腳，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。因?yàn)閱纹瑱C(jī)的電機(jī)方向控制引腳是跟L289芯片的IN2取反后和IN0信號(hào)連接到一起實(shí)現(xiàn)電機(jī)的方向控制，因此當(dāng)單片機(jī)方向控制引腳輸出高電平，則電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。單片機(jī)的部分電機(jī)控制流程圖如4所示：

當(dāng)小車開始工作，首先小車檢測(cè)前方是否有障礙，若沒障礙，單片機(jī)控制小車前行拖地；若前方有障礙，通過(guò)紅外模塊將信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)控制小車先后退一定距離然后拐彎，實(shí)現(xiàn)蔽障的功能。在小車工作中單片機(jī)通過(guò)定時(shí)器控制小車的定時(shí)換布與灑水，在這之外小車的換布裝置處于自鎖狀態(tài)。

6 結(jié)語(yǔ)

文章從用清潔機(jī)代替人拖地的目的出發(fā)，結(jié)合單片機(jī)控制技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)，構(gòu)造了基于MCS-51單片機(jī)的家用自動(dòng)拖地機(jī)自動(dòng)換抹布系統(tǒng)，增強(qiáng)的自動(dòng)拖地機(jī)的功能。通過(guò)測(cè)試，自動(dòng)換布系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，達(dá)到了自動(dòng)拖地的目的，且系統(tǒng)穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)

[1]高俊，高向海，張力行，基于FPGA的智能小車設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.

[2]王松，李永超，鄭建飛.基于AT89S51單片機(jī)智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)制作[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2010.

[3]智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)Available via： http：//wenku.baidu.com/view/a051ec0c79563c1ec5da71f5.html.