基于单片机的智能清洁小车设计控制系统设计.docx
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基于单片机的智能清洁小车设计控制系统设计
基于单片机的智能清洁小车设计—控制系统设计
摘要
直到2020年，中国的城镇化进度已经超过60%，环境治理与保护一直是一座城市绕不开的话题。
那么，如何让居民拥有一个干净整洁的街道？
十年前的中国给出的答案是招聘大量道路清洁工。
于是，在每天早上5点钟，路上就会响起“刷刷刷”的扫地声，完整地扫完一条街道，往往需要花费10-15名清洁人员一早上的时间。
同时，使用人力清扫，会出现大量扬尘的问题，这对环境又将造成二次污染，这些污染会使清洁人员出现尘肺病，露天作业也更容易导致清洁人员在一些季节中出现中暑和冻伤,并且随着人力成本的不断上升，招聘大量清洁工也将给市镇环卫企业带来不小的经济负担。
如何让道路清洁更加高效，清洁效果更好，清洁成本更低，安全性更好，清洁更加环保，各大新能源汽车企业给出的答案是电动道路清洁车，这种最高时速平均在20-30km/h的小车完美地解决了以上的大部分问题。
本论文将介绍如何设计一款拥有市面上新能源清洁扫地机大部分功能的智能小车，论文一共分为三部分，是以单片机为开发基础，详细描述了我进行硬件电路设计、软件程序编写及小车关键功能部分结构设计的过程及结果。
关键词：
智能小车；单片机；电机控制；扫地机；红外遥控
Intelligentcleaningcardesignbasedonsinglechipmicrocomputer
--controlsystemdesign
Abstract
By2020,China'surbanizationprogresshasexceeded60%,andenvironmentalgovernanceandprotectionhasbeenaninseparabletopicinacity.So,howtomaketheresidentshaveacleanandtidystreet?
AdecadeagoChina'sanswerwastohirelotsofroadcleaners.Asaresult,at5o'clockeverymorning,theroadwillring"brushbrushbrush"sweepingsound,acompletesweepofastreet,oftenneedtospend10-15cleaningstaffamorningtime.Atthesametime,theuseofhumancleaning,therewillbealotofdust,itwillcausesecondarypollutiontotheenvironment,thepollutioncancauseapneumoconiosiscleaner,open-airoperationswerealsomorelikelytoresultincleanerappearinsomeseasonsheatstrokeandfrostbite,andwiththerisingoflaborcosts,torecruitalargenumberofcleaneralsobringconsiderableeconomicburdentownsanitationenterprise.
Howtomaketheroadcleaningmoreefficient,bettercleaningeffect,lowercleaningcost,bettersafety,andcleanerenvironment,theanswergivenbythemajornewenergyautomobileenterprisesiselectricroadcleaningcar,whichhasamaximumspeedof20-30km/honaverageandsolvesmostoftheaboveproblemsperfectly.
Thispaperwillintroducehowtodesignanewenergycleansweeperonthemarketwithmostofthefunctionsoftheintelligentcar,thepaperisdividedintothreeparts,isbasedonthedevelopmentofsingle-chipmicrocomputer,detaileddescriptionofmyhardwarecircuitdesign,softwareprogrammingandcarkeyfunctionpartofthestructuraldesignprocessandresults.
Keyword:
Smartcar;Singlechipmicrocomputer;Motorcontrol;Sweepthefloormachine;Infraredremotecontrol
1绪论
1.1研究背景及意义
1.1.1研究背景
道路清洁一直都是一些发达地区十分重视的问题，而随着经济发展和城镇化进程的推进，我国对道路清洁问题也愈发重视。
据调查，我国2006年道路清扫保洁面积约为32.48亿平方米，而2015年道路清扫保洁面积约为73.03亿平方米，每年复合增长率接近百分之10，从2020年后未来五年清扫保洁面积将保持在5%左右的增长率，面对如此旺盛的环卫需求，必然会使得道路清扫成本大幅提高，而人力成本作为道路清扫保洁最主要的支出，占据了其直接成本的60%。
同时，近几年环卫工人的平均年龄越来越大，而环卫工这个岗位因为其劳动量大，工资低，工作环境恶劣等特点，导致愿意从事此岗位的年轻人越来越少，结构老龄化带来的低效率，高风险等问题也成为我国市容环卫的大麻烦。
那么，如何更加高效，更加便宜地完成道路清洁工作，扫地车就是这些问题最好的解决方案。
相较于传统的人力清扫，使用纯机械清扫可能会损失一部分灵活性和适应性，所以，我们也不应该盲目追求机械化，应当使机械和人工结合，在出现扫地车无法清扫垃圾的情况时使用人工清洁。
未来的市容环卫行业，需要的应该是懂得如何操作和管理设备的从业人员，而智能化，清洁化，也应该是扫地车未来的发展方向。
1.1.2本设计的目的、意义
随着中国城镇化进程的不断提升，道路清扫保洁的需求一定会稳步增长，而环卫行业如今仍然是劳动密集型行业，为了提高效率，降低成本，清扫工作机械化，智能化将会是一个必然趋势。
而我国的新能源清洁车企业大部分由于技术不稳定，工艺不完善，在很多方面相较于国外企业还是有很大的发展空间，所以我希望通过这个设计，以小见大，发现一些行业中存在的问题，并通过自己所学知识给出一些解决办法，技术，不是一蹴而就的，只有通过慢慢的积累，发现并改变问题，才能让中国的智能清洁车行业越来越好。
1.2国内外研究现状
2018年7月3日，国务院公开发布了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》，对于道路清扫保洁工作往机械化，智能化方向发展表示大力支持，据了解，我国计划在2020年底前，地级市以上的城市机械化清扫率达70%以上，县城达60%以上，加快推进新能源设备的投入使用，由此可见，我国新能源环卫扫地车的市场前景十分广阔。
目前，国内新能源扫地车做的比较好的企业有中联，宇通，海德，国外做的比较好的企业是哈高，哈高的城市管家600多功能清洁车可实现主干道、自行车道，人行道及商业广场，公园绿地的清洁，甚至可以通过更换不同的配置，来实现扫地，扫雪，铲雪，扬雪，剪草等功能，整车携带水循环控尘系统，可以通过雾化喷水来实现控尘效果。
由于近几年国家大力扶持新能源汽车企业，新能源扫地车企业也如雨后春笋般出现了，相较于国外更加成熟的汽车制造技术，我国企业自主研发的新能源扫地车在智能化，操控性和可靠性上还是有一定的进步空间。
1.3智能清扫车的发展趋势
世界上第一台扫地车诞生于1849年，当时的扫地车只是圆盘上覆盖了一圈钢丝毛刷，而后这种扫地车被广泛的应用于大街上，直到1911年，美国塔罐公司一名叫约翰.M.墨菲的人有了研发电机驱动扫地车的想法，于是塔罐公司招募了合伙人丹尼尔·托德，和墨菲一起研发电机驱动扫地车，后来经过不断的研究实验，1913年，诞生了世界上第一台真正的电机驱动扫地车。
经过了这么多年，扫地车行业也在不断发展和进步，扫地，吸尘，洗地等功能层出不穷，近几年还发展了新能源扫地车和无人驾驶扫地车等，但是，虽然科技在不断进步，但是扫地车行业还是有着一些比较棘手的问题，比如：
（1）由于扫刷和地面摩擦的原因，导致扫地车在作业时噪声非常大，因为扫地车工作的时间有一部分是在居民休息的时候，所以在城市中这种噪声污染很容易影响到居民的日常生活，所以我想，未来是否有可能发现一种材料，在扫地时既能提供足够的摩擦力，又能减少摩擦时产生的噪声。
（2）目前带有抑尘系统的扫地车都需要全程喷水来压尘除尘，而在缺水地区和北方的冬天这种扫地车将无法工作，特别是北方冬天，就算水箱不结冰，水雾喷出也会结成冰晶，就无法起到抑尘效果了。
（3）现在市面上的扫地车很少同时集成多种功能的，而功能单一也导致了工作流程无法简化，尽管像哈高这样的企业，也只能做到将功能模块化，在需要的时候切换模块来实现多功能使用，集成多功能的扫地车肯定会是未来的趋势（4）国内研发制造的智能扫地车可靠性普遍不如国外产品，主要原因是国产的基础零配件质量参差不齐，齐次是制造工艺达不到要求，还有技术不完善也是其中一个原因。
因此，我认为智能扫地车行业想要发展进步，以上的问题必然需要得到解决，这也将会是智能扫地车行业的发展趋势，更加环保化，智能化，多功能化，同时具备更成熟的工艺和技术，以及更强的可靠性。
1.4研究的主要内容和目标
本文研究的主要内容是设计一款可以通过遥控器操控的拥有扫地吸尘洒水功能的清洁小车，我采用STC89C52芯片作整车控制的主控芯片，RZ7899作为驱动电机的驱动芯片，通过设计，小车可以做到红外遥控，控制扫刷清扫地面，控制水泵洒水并雾化控尘，控制风机高速旋转吸尘，控制舵机进行垃圾箱举升。
设计过程大致为：
（1）电机选型，估算电机需要带多少负载以及合适的电机转速，根据电机型号选择合适的驱动芯片。
（2）电路硬件设计，根据所需要的功能选择合适的芯片，然后从网上下载该芯片的芯片手册，根据芯片手册的提示和典型应用电路设计电路图并进行元器件选型并在Altiumdesigner软件中绘制出电路原理图和PCB图。
（3）软件设计，通过KEIL软件编写程序实现对所需要功能的控制
（4）结构设计，使用Catia三维建模软件对小车底盘，扫刷，垃圾箱等关键部位进行设计。
设计目标是通过所学知识设计出一台拥有市面上出现的智能扫地车大部分功能的智能清洁小车。
1.5本章小结
本章节主要是分析了国内道路清扫保洁的机械化需求和发展趋势，以及对智能清洁车的发展现状和出现的问题进行了一定的讨论，同时列出了我完成设计所需要进行的工作及其过程。
2总体方案设计
2.1智能清洁小车的硬件系统组成
本文设计的智能清洁小车硬件电路部分主要由以下几个部分构成：
（1）基于STC89C52的单片机最小系统
（2）行走电机驱动模块（3）扫刷电机驱动模块（4）
水泵电机驱动模块（5）吸尘风机驱动模块（6）垃圾箱举升舵机驱动模块（7）红外接收模块（8）红外遥控发射模块。
这8个部分构成了小车的硬件电路，我可以通过遥控器上的按键控制小车的工作模式，来完成清扫，吸尘，倒垃圾等任务。
2.2智能清洁小车的硬件结构图
表2-2-1清洁小车硬件结构图
2.3智能清洁小车的电机选型
行走电机：
行走电机主要负责小车的移动，那么在选择电机上，我主要考虑以下几个因素：
（1）电机的转速，如果选择转速过快的电机，那么可能会造成扫刷还没有将垃圾清理完，小车就已经开走了的情况，同时也为了避免漏掉垃圾，我没有给小车赋予PWM调速的功能。
（2）电机的扭矩，因为小车在加上水箱、电池和之后可能会很重，同时扫刷如果开始工作摩擦力会很大，所以电机的带负载能力非常重要。
一个成年人的走路速度大约为1M/S，我觉得小车的行走速度大约为成年人走路速度的十分之一比较合适，即0.1M/S，经过测量，小车轮子的周长为22CM，那么，电机要每秒旋转约4.5圈，才能满足行进速度，换算一下，为270转/分钟，所以这里我选择的电机为空载转速300转/分钟的N20直流减速电机，减速比为1/50，负载转速为240转/分钟，堵转力矩为1.6KG/CM，堵转电流为100MA，经过估算，小车的负载肯定是远不到6.4KG的，所以这款电机符合要求。
扫刷电机：
扫刷电机主要负责将车前的垃圾清扫到吸尘器前方，扫刷电机主要承受的力为电机转动时和地面的摩擦力，小车前进时给扫刷的向后的摩擦力，还有扫到的垃圾的与地面的摩擦力，而扫刷需要的转速大约为行走电机转速的2倍，这样才不会使垃圾漏过去，所以我选择了空载转速500转/分钟的N20直流减速电机，减速比为1/30，堵转力矩为1.2KG/CM，堵转电流为100MA。
水泵电机：
小车的洒水系统主要是由水泵电机的一根硅胶管将水从水箱里抽出，然后另一根硅胶管连接两个雾化喷头后回到水箱，原理和草地上的喷灌器差不多，这个水泵我选择的是365隔膜微型直流抽水机，该电机工作电压4-6V，工作电流为1A，功率5-8W，流量为1.2-1.4升/分钟，极限扬程为3米，我设计的水箱储水量大概为0.5L左右，扬程大概为0.4米，相较于本设计来说该水泵性能略微过剩。
吸尘风机：
吸尘风机是通过旋转带动风扇转动，形成气压差，从而吸走垃圾，这种真空吸尘器对电机转速要求很高，同时也会非常耗电，所以我单独接了两节锂电池供电。
电机我选择的是N30微型直流电机，这款电机在5V电压下的转速为31000转/分钟，堵转电流为4.2A，带两个散热孔，加宽碳刷，高速大扭矩，加风扇降速非常小，非常适合做吸尘用的风机。
举升舵机：
举升舵机的作用是举起垃圾箱倾倒垃圾，因为垃圾箱装载垃圾之后会很重，所以舵机的扭矩需要大一点，我选择的舵机是MG995，这款舵机工作电压为3-7.2V,工作电流为100MA，工作扭矩为13KG/CM，最大转动角度为180°，非常适合需要大扭矩的场合。
2.4本章小结
本章主要对小车的硬件电路组成和结构做了简单的概述，同时完成了小车的电机选型。
3硬件电路设计
3.1单片机最小系统板设计
为了防止干扰，我在最小系统板上加了一个电源模块，所以最小系统板由两部分组成，一个是由ME6212稳压芯片组成的电源部分，一部分是由STC89C52组成的单片机最小系统。
电路设计：
稳压芯片我选择的是ME6212C50M5G，这个芯片的最大输入电压为6V，所以我选择用一个稳压供电板来提供5V的电源输入，输出电压为5V，输出电流为350MA。
通过芯片手册我得知了ME6212的引脚功能：
VIN
（1）
电压输入端
VSS
（2）
接地引脚
CE（3）
使能端，高电平ON，低电平OFF
NC（4）
空
VOUT（5）
电压输出端
表3-1-1ME6212引脚功能表
VIN引脚连接一个拨码开关接正极排针引脚，VVS接地端排针引脚，VOUT引出3.3V电源，CE端因为要接高电平，将它与VIN引脚连接，靠近芯片处再并联两个去耦电容，稳压电源电路就设计完成了。
我还接了一个电源指示灯判断电路是否导通。
单片机我选择的是STC89C52DIP—40，将P0-P3口接出排针，P0口接10K的上拉电阻，根据芯片手册上说，P1口尽量不要接到5V系统，所以在使用接口时，我不使用P1口输出，EA管脚接电源上拉，从内部执行程序。
晶振电路使用11.0592MHZ的晶振，该芯片在XTAL1管脚不建议接电容，因为不利于起振，所以我在XTAL1管脚接了一个140Ω的电阻，这样就可以在该管脚接电容了。
复位电路因为单片机RESET管脚内部没有下拉电阻，所有接了一个10K的电阻下拉。
电路原理图：
图3-1-1最小系统电路原理图
硬件选型：
参考ME6212给出的典型应用电路，C1、C2的取值为1uF，参考STC89C52的典型电路，C3取10uF，晶振在11.0592MHZ下，推荐电容值为47PF，所以C4和C5选47PF的电容，滤波电容选择一个0.1uF的贴片电容和一个10uF的电解电容。
硬件BOM表：
名称
规格
数量
LED
LED_RED
1
电阻
10K（0603封装）
10
电阻
140Ω（0603封装）
1
电容
1uF（0603封装）
2
电容
10uF（0603封装）
2
电容
47uF（0603封装）
2
电容
104（0603封装）
1
拨码开关
SK12D07VG5
1
按键
SW
1
稳压芯片
ME6212C50M5G
1
单片机
STC89C52（DIP-40）
1
晶振
11.0592MHZ/7PF
1
排针
2P
1
排针
16P
2
表3-1-2最小系统板硬件BOM表
PCB设计：
PCB板的线宽与铜厚会影响到整个板子的过电流能力，经过咨询，我了解到大部分的PCB制板厂家设计的铜厚为35um，而我的的板子有的电流达到了5A，所以为了确保电流不受影响，我将所有板子的铜箔宽度设置为了2.5mm。
图3-1-2最小系统板PCB二维图
图3-13最小系统板PCB三维图
3.2锂电池平衡充电电路
本设计采用两节锂离子电池供电，受限于材料性质，锂电池单节电压不得超过4.2V，给没有充电电路的锂电池充电，如果单节电池电压达到4.2V还未中断充电，电池就会膨胀或燃烧放毒气，这在日常使用中是非常危险的。
同时，因为是两节锂电池，如果只设计普通的过充保护电路，可能会出现虽然总体电压是8.4V，但内部一节电池是4.4V，一节是4V的情况，所以，我设计了一个平衡充电电路，来保证电池在充电时，每一节锂电池的电压均不超过4.2V。
电路设计：
平衡充电模块由两部分组成，第一部分是TP5100芯片组成的充电电路，他的作用是输出8.4V提供给锂电池充电，第二个电路是HY2213芯片组成的电压平衡电路，他负责连接电池并控制单节电池电压不超过4.2V。
TP5100是一款可以给8.4V或4.2V锂电池充电的充电管理芯片，其内置了输入过流、欠压保护、芯片过温保护、短路保护、电池温度监控、电池反接保护等功能，输入最小电压为4.5V，最大为18V，充电截止电压最大为8.484V，非常适合作为本电路的主控芯片。
通过芯片手册我得知了TP5100芯片的引脚功能：
VIN（1、4、5、16）
输入电压正输入端
LX（2、3）
内置PMOSFET功率管漏极连接点
PWE_ON（6）
电源切换控制引脚
GND（7）
电源地
VS（8）
输出电流检测的正极输入端
BAT（9）
电池电压检测端
VREG（10）
内部电源
TS（11）
电池温度检测输入端
RTRICK（12）
涓流预充电流设置端
CS（13）
锂离子状态片选输入端
STDBY（14）
绿灯电池充电完成指示端
CHRG（15）
红灯充电中状态指示端
表3-2-1TP5100引脚功能
（1）VIN是电源的输入引脚，将芯片的1、4、5、16引脚接入电源输入端，同时并联一个10uF和一个0.1uF的旁路电容用来去除高频噪声。
（2）LX是电流输出引脚，将芯片的2、3引脚连接一个电感和一个限流电阻RS，这个电阻的作用主要是用于外部电流检测，通过调节该电阻的阻值，就可以设定我需要的充电电流大小，该电路在恒流状态下RS两端的电压是0.1V，而我需要的充电电流大小为1.5A，通过公式RS=VS/IBAT，得出RS=0.067Ω，但由于淘宝上并没有0.067Ω的电阻出售，所以我选择了一个0.068Ω的电阻代替。
（3）PWE_ON这个引脚的作用是在充电的同时使用电源放电，考虑到我的设计并不需要一边充电一边放电，所以它对应的6号引脚悬空。
（4）GND对应的7号引脚接地。
（5）VS的作用是检测输出电流，对应的8号引脚接电流输出端。
（6）BAT对应的9号引脚接电源正极。
（7）VREG是一个内部电源，它对应的10号引脚接一个0.1uF旁路电容到地
（8）TS的作用是检测电池温度，如果它接一个热敏电阻传感器，就可以通过判断电池温度是否过高或过低来暂停充电，这里我不需要这个功能，所以我将它对应的11号引脚接地，取消温度检测功能。
（9）RTRICK的功能是涓流预充，当锂电池电压低于5.8V时，芯片会进行涓流预充电，如果该引脚直接接地，它会把预充电电流输出调整为设置好的电流的10%，如果悬空，则预充电电流等于恒流电流，所以对应的12号引脚接地。
（10）CS引脚接VREG是8.4V锂电池充电，悬空是4.2V锂电池充电，所以我将它对应的13引脚和VREG对应的10引脚相连。
（11）STDBY是充电完成指示绿灯，CHRG是充电中指示红灯，接一个10K限流电阻然后接电源。
HY2213是一个用于锂电池充电平衡控制的电平监视芯片，内置了防静电保护电路，一个芯片对应一节锂电池进行充电平衡控制，所以本电路选用了两节HY2213芯片控制单节电池电压不超过4.2V。
通过芯片手册我得知该芯片引脚功能：
NC
（1）
无连接
VDD
（2）
电源端，正电源输入端子
VSS（3）
接地端，负电源输入端子
NC（4）
无连接
NC（5）
无连接
OUT（6）
充电平衡，控制MOSFET门极连接端子
表3-2-2HY2213引脚功能
该芯片电路比较简单，NC对应的1、4、5引脚悬空，VDD对应的3号引脚串联一个电阻限流，并联一个电容滤波，然后OUT对应的6号引脚连接一个控制充电平衡的MOS管，再连接一个电阻作为负载泄流,当VDD引脚检测到电池电压达到4.2V时，OUT引脚就会导通MOS管，这个电阻就需要起到耗电的功能。
电路原理图：
图3-2-1平衡充电电路原理图
硬件选型：
R1电阻根据上面电路设计时的计算选择了0.068Ω，根据公式P=I2R,得出此电阻功率应大于0.153W，所以我选择了1206封装的电阻，因为1206封装的功率是0.25W。
电阻R2我选择了10K，，这个限流电阻的大小只决定LED灯的亮度，所以无关紧要。
电阻R5和R6官方给出的取值范围为100Ω-200Ω，这里我选择典型值100Ω。
电阻R3和R4是负载电阻，该电路的放电电流为68MA，根据公式R=U/I，所以这里R3和R4的阻值为62Ω，根据公式P=I2R，该电阻的最小功率为0.28W，所以我选择了功率为1W的2512封装电阻。
电感L1的选值范围为4.7uH-22uH，这里我选择典型值22uF。
用于防倒灌的肖基特二极管D1我选择的是SMAF封装。
电容C8、C9的选值范围为0.01uF-1.0uF，我选择的是典型值0.1uF。
MOS管Q1、Q2我选择的是20/2.8A的SI2302N-MOS，因为该电路电压4.2A，电流68MA，所以选
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