嵌入式系统设计研究

2019-08-12 版权声明 举报文章

嵌入式系统设计研究

摘要:

为解决公交车的高效便捷清洗问题,基于青岛理工大学韩旭东教授的团队设计的一款“垂直滚筒式公交清洗小车”,利用AT89C51单片机配合其他元器件,设计了相关的嵌入式系统,包括超声波测距系统和手动/自动双模平台升降控制系统,完善了原产品的设计。采用KeilC51软件编写了相应的控制程序,使用Proteus软件绘制了电路原理图,并进行了仿真模拟。

关键词:

公交清洗小车;嵌入式系统;超声波测距;平台升降控制

0引言

为解决公交车的高效便捷清洗问题,青岛理工大学韩旭东教授的团队设计了一款“垂直滚筒式公交清洗小车”[1]。但在该设计中,仅对机械结构与工作原理做了介绍,缺少相关的控制电路与控制程序的设计,给清洗小车的使用带来了极大的不便。本文在原产品的基础上,针对小车与公交车之间距离的控制不准确的问题,设计了超声波测距系统;针对平台升降控制不方便的问题,设计了手动/自动双模平台升降控制系统。有效地提高了该产品的实用性,完善了该产品的设计。

1超声波测距系统

1.1设计目的

清洗小车由人力推动并控制方向,但由于路面不平,人力控制精度有限,会使小车与公交车车体间的距离发生改变,距离过近会使滚筒挤压车体表面,阻碍滚筒旋转;距离过远,则会使滚筒毛刷与车体表面间间隙过大,影响清洗效果。需要一套测距系统使小车与公交车车体间的距离始终保持在一个合理范围之内。

1.2测距方式的选择

超声波测距是利用机械波反射来测量距离,适用于短距离测距,原理简单,成本低,远距离测量精度较低。公交清洗小车的使用环境比较复杂,对测距系统的精度要求不高,测量的距离在1~2m,且要求结构简单、成本低廉、性能稳定。根据需要和集中测距方式的特点,本文选择超声波测距方式。

1.3超声波测距原理

超声波在均匀介质中的传输速度为一恒定值,由发生器发射超声波,在遇到测量目标后反射回来,由接收器接收并记录由发射到接收经历的时间,便可以计算出发生器与测量目标之间的距离[2]。公式如下:L=12C•Δt。式中:L为测量距离;C为超声波在当前介质中的传输速度(空气中常温下速度为340m/s);Δt为从发射到接收经历的时间。

1.4设计内容

本文利用AT89C51单片机、HC-SR04超声波测距模块、LED灯组成了一个超声波测距警报系统。当距离过近时,指示距离过近的红灯点亮;距离适中时,指示距离适中的绿灯点亮;当距离过远时,指示距离过远的红灯点亮。工作人员可以根据灯光指示调整小车位置,使之与车体表面间的距离保持在一个合理范围。1.4.1HC-SR04超声波测距模块工作原理本文所采用的HC-SR04超声波测距模块,具有成本低、体积小、精度高、使用简单方便等优点,其基本工作原理为:1)采用I/O口TRIG触发测距,提供至少10μs的高电平信号;2)模块自动发送8个40kHz的方波,自动检测是否有信号返回;3)有信号返回,通过I/O口ECHO输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间[3]。1.4.2程序控制过程利用AT89C51单片机自带的定时计数器资源,通过I/O口给超声波模块一个发射信号并开始计时,当收到超声波模块的反馈信号时,结束计时并计算距离。

2手动/自动双模平台升降控制系统

2.1设计目的

现行大多数公交车的高度在3m左右,为能够确保清洗整个车体表面,原产品采用双丝杠旋转驱动平台升降的设计,并利用直流电动机产生动力。为方便用户使用,能够快捷高效操作平台升降,提高清洗效率,本文设计了一套手动/自动双模平台升降控制系统。

2.2设计内容

根据计算,清洗平台需调整2次高度才可将车体表面清洗完毕,为了方便工作人员操作,本文设计了手动/自动双模控制系统。该系统采用AT89C51单片机,配合L289直流电动机驱动模块,通过控制电动机的正反转实现平台的升降,设计原理图见图4[5]。操作过程为:启动系统后,在自动模式下,按UP键,平台会上升一个固定高度;按DOWN键,平台会下降一个固定高度。该高度值是为实现最高清洗效率,以3m高的车身为标准,经优化计算得出的最适高度。因为公交车的型号差异,车身高度也各不相同,所以为满足实际使用要求,我们又设计了手动控制模式。在手动模式下,按住UP键,平台会上升,松开立即停止;按住DOWN键,平台会下降,松开立即停止。为防止工作人员误操作,本文增加了按键防抖动延迟,防止工作人员误触按键;如果UP和DOWN键同时按下,则电动机停转,直至其中一个按键松开。

3结语

本文是在韩旭东教授设计的“垂直滚筒式公交清洗小车”的基础上,利用单片机配合其它元器件完成了相关嵌入式系统的设计,有效地解决了小车与公交车之间距离的控制不准确和平台升降控制不方便的问题,并设计了防止误操作的保护程序,提高了原产品的实用性与安全性。本文所采用的单片机与相关的控制模块都是技术成熟、结构简单且成本低廉的器件,在实现所需功能的同时,并不会大幅提高原产品的设计复杂性与生产成本,具有一定的应用价值。

作者:冯云剑 韩旭东 陈旭阳 倪福鹏 韩桐 高建东 单位:青岛理工大学

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