毕业设计隧道式自动洗车控制系统.docx

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毕业设计隧道式自动洗车控制系统

摘要

国内汽车美容行业蕴含着广阔的市场前景，本文以隧道式智能洗车系统为对象，主要进行自动洗车过程控制系统的设计与研制。

首先，在进行充分调研和系统功能需求分析的基础上，完成了隧道式洗车控制系统的总体方案设计。

系统由单片机、电机、传感器、液压阀等部件组成。

为解决北方冬天气温低导致的洗车系统不能正常工作的问题，本设计特别增加了洗车房内温度检测和升温功能，以便在冬季低温时洗车房仍可运行。

其次，完成了系统的硬件设计和软件设计。

硬件设计包括所有元器件的选型和电路设计。

软件设计包括控制洗车过程的所有程序，如温度检测、键盘扫描、中断处理等。

最后，为验证设计的正确性，搭建了洗车模拟系统并进行了调试。

模拟系统包括单片机最小系统板，控制板，洗车房模拟板和折叠板。

经过软件和硬件的综合调试，模拟系统能够实现洗车过程的自动化。

关键词：

单片机隧道式智能洗车过程控制

Abstract

Nowadayscarbeautyindustryhasawidelymarketprospectindomestic,thenonthebaseoftunneltypecarwashsystem,aautomaticcarwashprocesscontrolsystemisresearchedanddevelopmentedinthispaper.

Firstly,afterfullliteraturesearchandanalysisonsystem’sfunctiondemands,theoverallschemeoftunneltypecarwashsystemisdesigned.Thesystemiscomposedofmicro-controlunit（MCU）,motors,sensors,hydraulicvalves,etc.Theproblemthatcarwashsystemcannotworkinthewinterduetothelowertempretureisconsidered,thusthespecialfunctionoftempreturetestingandincreasingisaddtothesystem.

Secondly,hardwaredesignandsoftwaredesignarefinished.Thehardwareworkincludeschoosingcomponetsanddevices,aswellasdesigningcircuits.Thesoftwareworkincludeswritingallprogramsusedtocontrolcarwashprocess,suchastempreturetesting,keyboardscanning,interrupthandling,etc.

Lastly,toverifythedesign,acarwashsimulationsytemissetupanddebugged.ThesimualtionsystemincludesaMCUleastsystemboard,acontrolboard,carwashroomsimulationboardandafoldboard.Theresultsofcombineddebuggingbetweenhardwareandsoftwareprovethesystemcanrealizeautomaticcontroloncarwashingprocess.

Keywords:

MCU,tunneltypecarwash,processcontrol

引言

我国“自动化洗车系统”制造业发展历程才20多年，还处于成长初期，众多品牌基本处于尝试阶段，网络建设的规范化程度、稳定性也不高。

众多企业管理、控制、技术、服务能力不强，非常成功且具备真正意义上的领导品牌还没有成长起来。

时至今日没有一家洗车机制造企业能够在汽车后市场行业中取得绝对的优势。

目前国内自动化洗车设备制造公司，具备一定影响力的26家（注：

上海9家，北京5家，浙江3家，江苏4家，淄博3家，西安1家，厦门1家）。

随着近年来汽车工业的高速发展，市场对于自动化洗车设备的需求量呈逐年增长趋势，据统计国内经营汽车后市场商家达到30多万家，其中经营洗车项目的就达到十几万家。

整个行业产品属性无任何差别化，产品特性主要集中在几类，隧道式、往复式、龙门式、相对而言，仿制性较强，技术壁垒弱，所以竞争角逐的范围呈现出当地性与区域性。

随着我国汽车工业的飞速发展和人民生活水平的不断提高，中国已成为全球最大的汽车市场，据专家预测，未来的5-15年中，中国汽车保有量将增长4-6倍。

汽车拥有量不断的增加就为汽车服务后市场带来了不可估量的财富。

据国家统计局显示，2010年末全国民用汽车保有量为10619万辆，比上年末增长21.8%。

现在您应该了解未来汽车服务后市场潜在的巨大商机，那么有一种产品可以让您轻松赢取汽车服务后市场所带来的巨大利润。

曾作为身份地位象征的汽车，现已成为人们的代步工具，与之相配套的汽车服务市场必将成为未来中国新的经济增长点。

投资汽车清洗及美容服务护理也日益成为一个极具潜力的新兴投资项目。

市场前景：

由于汽车数量的日益增长以及人们对汽车观念的改变，今后的驾驶者与以往相比，其观念也将从以修车为主转变为护理为主，汽车保养护理的好，将会提高汽车的工作性能并延长汽车的使用寿命；因此汽车美容行业必将因其所蕴含的巨大利润和广阔的市场前景从而成为今后的投资点之一。

市场现状：

目前我国都市的大多数洗车站都是只能简单的擦洗或用高压水龙头冲洗或是手工洗车为主（水桶加抹布），没有自动清洗和打蜡设备，没有污水和污泥设备，洗车用水不能循环使用，从而耗费了大量城市原本就紧缺的水资源，污水漫流造成的环境污染也影响了都市的良好市容。

这些洗车站点大多没有专业的汽车美容技师，无法对车辆进行科学、细致、全面的保养和护理服务，有些错误的洗车方法甚至会对汽车的漆面造成严重的损伤。

传统的手工洗车方式，时间长，耗水量大，污染严重，与城市管理规划和高速发展的洗车需求不符。

代表时代发展的高科技产品全自动电脑洗车机应运而生，将代替传统的洗车方式，该设备造型美观、用水量小、洗车速度、高效节能、环保无污染．并具有多种功能选择，是广大洗车业的最佳选择。

因此建立一个环保型的以全自动电脑洗车机为龙头的综合型汽车美容保养护理中心，将会给都市的大量车辆带来优质、专业、高效的美容保养和护理服务，同时也将促进都市汽车服务的进一步发展。

目前市场：

隧道式洗车机为龙门式洗车机的换代产品，也是目前国际市场的主流机型，其特点为：

1）全自动机清洗作业，降低企业人力资源运营成本，减少开支。

2）洗车速度快。

3）洗车成本低。

4）环保节约。

5）能耗低、噪声小和洗车快。

隧道式洗车机可以再另行增加其他配置，如烘干加温系统、高压水刀系统和底盘清洗系统等。

适用于洗车业务量大，经济实力雄厚的企业或洗车专营店。

本项目是研究隧道式智能洗车控制系统。

目前国内的洗车之类的汽车基础服务一直处于落后的人工原始状态，鉴于此，开发我们自主创新的隧道式洗车房很有市场价值。

隧道式智能洗车控制系统的控制通过单片机实现，由电机、传感器、液压阀（洗车液和洗车水）等主要执行部件完成洗车过程。

由传感器获得检测信号，通过单片机控制电机的启动、停止和正转、反转，实现洗车过程自动运行。

1隧道式智能洗车控制系统总体设计

1.1系统功能设计

隧道式洗车设备运行过程概述：

汽车进入洗车房到位，当温度检测低于5℃时，烘干机给洗车房加温后，洗车液和洗车水液压阀开启，向汽车喷射洗车液和水5s，然后洗车刷移位电机和自转电机启动，洗车刷从左向右运动，到达右侧限位开关后停止，洗车液供给阀关闭；经过延时，移位电机和自转电机的运转方向均改变，洗车刷由右向左运动，到达左侧限位开关后，移位电机和自转电机停止，此时水供给阀关闭，洗车完毕，汽车开出洗车房。

由传感器对洗车液的液位进行实时检测，当液位处于储液罐的底部时，产生报警信号。

1.2隧道式智能洗车控制系统概述

系统方案设计框图，如图1-1所示。

图1-1系统功能框图

系统功能框图介绍：

限位开关：

即行程开关，为控制移位电机和自转电机的正反转开关。

车到位传感器：

为接近传感器，用于车到位的检测。

温度传感器：

用于给洗车房加温。

当温度检测低于5℃时，烘干机给洗车房加温，主要为了解决冬季洗车的困难。

液位传感器：

为光电传感器，用于检测液位高度。

按键：

启动按钮和急停按钮，用于启停系统。

电机：

有自转电机和移位电机，为洗车刷的动力核心。

指示灯：

共4个，低液位报警灯和急停报警灯，会在报警后点亮；到位灯会指示车辆的前进和停止。

本系统的硬件由四个模块实现，包括最小系统板，洗车模拟板，控制板，折叠板，各板设计如下：

1）最小系统板：

为本系统的控制核心，市场上可直接买到。

2）洗车模拟板：

直观形象的将各执行元件布局，如：

限位开关，移位电机，自转电机，液压阀，车到位传感器，车到位指示灯，烘干机等，方便观看整个系统的运行。

3）控制板：

为连接单片机最小系统和模拟板得中间板（纽带），单片机I/O口高低电平控制控制板上光耦，最终实现控制电机的正反转等。

4）折叠板：

板上布置有按钮，指示灯，温度传感器等。

折叠板是出于缩小整体硬件而设计的，此板处于模拟板和控制板的中间层，折叠后可方便携带。

隧道式洗车房模拟板（包括主控核心板），整块板完全是由模拟现实的洗车房的执行元件组成。

核心板位于模拟板的下方，与控制板处在同一层上。

整体构架是模拟板，折叠板，控制板三层组成，除单片机最小系统板外其余板都需要手工焊接搭建。

2隧道式智能洗车控制系统的硬件设计

2.1系统元器件选型及电路设计

2.1.1单片机的选择

选择AT89s52单片机最小系统，方便直接给AT89s52下载程序及之后的调试，用8位单片机的IO端口完全可以完成整个系统的控制。

本系统电源由最小系统电源提供。

2.1.2液位检测模块的设计

液位检测有两种方案供选择：

1）液位传感器检测方式：

在电路设计中液位传感器需要加AD转换，才可实现模拟量转换为数字量，但考虑到液位检测不需精确，只需要一个脉冲告警即可，加之AD转换需要软硬件的设计和编程，增加了系统的难度。

2）光电传感器检测方式：

当液位下降到一定高度时，浮子挡住传感器的光束，立刻触发中断，报警，红色指示灯点亮。

方案对比如表2-1所示。

表2-1模拟量/数字量转换与光电传感器检测方案对比

检测方法

精确度

实物安装

成本预算

方法一：

液位传感器检测

可以很精确的显示液位的高低状况

简单固定

液位传感器+AD转换器+数码显示共80元

方法二：

光电传感器检测

可以在低液位时发出报警，

需在洗车液容器上装连通器和浮子

光电对射传感器8元

基于以上原因，液位检测选择光电传感器检测方式可以节省成本。

因此本系统选用光电对射传感器作为液位检测的检测传感器。

通电后的液位传感器的信号端为高电平，当洗车液连通器内的浮子遮挡传感器时，表明洗车液量不足，传感器发出低电平信号，此时报警灯闪烁。

液位检测电路如图2-1所示。

图2-1液位检测与指示电路

2.1.3温度检测模块的设计

温度传感器选择热敏电阻，系统选择MZ2型热敏电阻。

其优点有：

成本低，反应灵敏，体积小。

选用热敏电阻还需要选择AD转换芯片，选择目标有的ADC0809和ADC0804，以下进行对比，如表2-2所示。

表2-2ADC0809和ADC0804对比

ADC0809

ADC0804

性能参数

1.8路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2.转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）。

3.单个＋5V电源供电。

4.模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

5.工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

6.低功耗，约15mW。

1.1路输入通道，8位A／D转换器，即分辨率为8位。

2.转换时间为100μs（时钟为640kHz时），130μs（时钟为500kHz时）。

3.单个＋5V电源供电。

4.模拟输入电压范围0～＋5V，不需零点和满刻度校准。

5.工作温度范围为-40～＋85摄氏度。

6.低功耗，约15mW。

价格

22元

13元

从列表中可以明确看出ADC0809与ADC0804的区别在于AD转换的通道数，本系统用单路AD转换即可，综上ADC0804的性价比较高，所以本系统选择ADC0804做AD转换芯片。

ADC0804主要电气特性如下：

1）工作电压：

＋5V，即VCC＝＋5V。

2）模拟输入电压范围：

0～＋5V，即0≤Vin≤＋5V。

3）分辨率：

8位，即分辨率为1/28=1/256，转换值介于0～255之间。

4）转换时间：

100us（fCK＝640KHz时）。

5）转换误差：

±1LSB。

6）参考电压：

2.5V，即Vref＝2.5V。

ADC0804管脚定义如图2-2。

图2-2ADC0804硬件管脚定义

ADC0804连接电路如图2-3。

图中的可调电阻模拟半导体温度传感器。

时钟信号由RC电路提供，频率计算方式是：

f＝1/（1.1×R×C）。

若以图2-3的R＝10KΩ、C＝150PF为例，则内部的转换频率是：

f＝1/（1.1×10KΩ×150PF）＝606KHz

更换不同的R、C值，会有不同的转换频率，而且频率愈高代表速度愈快。

但是需要注意R、C的组合，务必使频率范围是在100KHz～1460KHz之间。

图2-3ADC0804连接电路

2.1.4液压阀控制电路的设计

通过控制单片机I/O口的高低电平，可以实现控制液压阀的开闭，电路原理是通过控制光耦将两侧的电源隔离，被控端接DC+5V继电器，来控制液压阀。

当P15给低电平时通过光耦使继电器吸合，+5V电流通过液压阀线圈，使液压阀打开，同时指示灯点亮。

如图2-4所示。

图2-4液压阀控制电路

2.1.5指示灯电路的设计

将LED的负极接入单片机I/O口，正极接1K的上拉电阻到+5V即可。

图2-5为指示灯电路。

图2-5指示灯电路

2.1.6车到位检测电路的设计

车到位检测使用红外线接近传感器来实现，当有车身接近时，D2发出的红外线由于物体遮挡而反射回来被红外接收管Q2接收，此时传感器信号由高电平转为低电平，并产生持续信号，传给单片机P05口，此时车到位。

原理图如图2-6所示。

图2-6车到位传感器电路

2.1.7烘干机控制电路的设计

电路选用光耦将控制端与被控端隔离，烘干机与电加温丝并联，方便给洗车间加温。

当P14给低电平时通过光耦使继电器吸合，+5V电流流入烘干机，烘干机启动。

继电器选一组常开触点的即可，风机转子相当于一个线圈，在电路设计中需要加续流二极管做电路保护。

烘干机电路如图2-7所示。

图2-7烘干机控制电路

2.1.8洗车刷电机正反转控制电路的设计

控制电机正反转的基本原理：

是控制流过电机电流的方向，当电流从红色导线流入是电机假设是正转，当电流从黑色导线流入为电机反转。

利用这一原理，本系统设计利用有两组常开触点的继电器作为控制电流流向的元件，控制正转一组电路，控制反转一组电路，如图2-8。

在编程中一定注意，决对不能给控制同一个电机正反转的I/O口同时低电平，这样会导致控制电机正反转的两个继电器同时吸合，由电路原理图知，电源短路。

图2-8洗车刷电机正反转控制电路

2.1.9急停电路的设计

本系统设有急停电路。

为保证洗车过程的安全性，当洗车设备运行时遇到特殊情况时，可直接按下紧急停止按钮使设备急停。

急停按键S0接入单片机P3.2口，此时面板上的控制灯P1点亮。

当需要启动时，按下启动按钮，洗车重新开始。

考虑到整个洗车过程仅只几分钟时间，没有必要专门还原原始状态，可直接重新开始。

如图2-9所示。

图2-9急停电路

2.2隧道式智能洗车控制系统的主要板块设计

隧道式智能洗车控制系统硬件包括四大部分：

最小系统板，控制板，洗车房模拟板，折叠板。

2.2.1最小系统板

最小系统板市场上直接买到，有下载软件可直接下载程序，并可控制I/O口，将I/O分配完后，就可直接接排线，控制执行设备。

最小系统如图2-10所示。

图2-10最小系统

2.2.2控制板

控制板为连接单片机最小系统和模拟板的中间板（纽带），上面布局有+5V继电器，TLP-2光耦，电阻，ADC0804模数转换芯片等按照原理图连接组成，单片机I\O口高低电平控制控制板上光耦，最终实现控制电机的正反转等。

控制板布局如图2-11所示。

图2-11控制板布局图

2.2.3洗车房模拟板

洗车房模拟板布置了各执行元件，包括：

自转电机，移位电机，液压阀模拟灯，行程开关，液位传感器，车到位传感器模拟开关，烘干机，电热丝模拟灯等。

运行时需要手动按下传感器和行程开关。

模拟板上的某些执行件选择用开关和LED灯模拟，如：

1）液压阀用LED灯做模拟；

2）车到位的传感器选用了带锁的开关来模拟传感器发出持续信号；

3）用LED灯代替加温丝；

4）选用电位器模拟温度传感器；

5）电加温丝用红色LED代替。

洗车房模拟板上元器件的位置仿照洗车房的实际位置进行设计，很形象直观的呈现了整个洗车房的布局，如图2-12所示。

图2-12洗车房模拟板

模拟板上接口说明如下：

1）行程开关1

2）行程开关2

3）车到位

4）液位检测

5）空

6）空

7）+5V

8）GND

9）自转电机1

10）自转电机2

11）移位电机1

12）移位电机2

13）洗车水

14）洗车液

15）烘干风机

16）车行绿灯

2.2.4折叠板

折叠板，即折叠控制板上布置了系统启动按键，急停按键，急停报警灯，低液位报警灯，和温度模拟电位器等。

设计初衷是为了在整个小型的模型上充分利用空间，减小模型体积，方便携带。

在整体布局上看似乎有些像个小孩的脸蛋。

折叠板布局如图2-13所示。

图2-13折叠板

面板上接口说明如下：

1）故障灯低液位灯

2）急停按键

3）温度传感器（电位器）

4）程序按钮

5）+5V

6）GND

2.3系统元件清单

系统元件清单如表2-3所示。

表2-3隧道式智能洗车控制系统元件清单

序号

材料/器件

型号/规格

数量

单价（元）

作用

1

单片机最小系统

AT89S52

1

60

芯片

2

芯片架子

8针

2

0.5

支撑作用

3

开关

带自锁

2

0.6

代替接近传感器

4

点动按钮

Omronb3f

2

0.5

开关

6

排线

8线

5

2

连接作用

7

直流电机

MOTMRDC5.9V

2

5

控制洗车刷电机

8

风机带风扇叶

MOTMRDC5V

1

8

烘干机

9

LED指示灯

AD16-22D/S

8

0.4

指示作用

10

铜柱

10cm

5

0.4

支撑

11

电位器

10K

1

2

调节模拟量

12

行程开关

RENEW5A250AC

2

0.5

开关量

13

光电传感器

DC5V

1

5

产生脉冲跳变

14

电阻

200

10

1

限流

15

电阻

470

10

1

限流

16

电阻

100

10

1

限流

17

二极管

4148

5

0.2

续流二极管

18

螺母和螺丝

M3

10

0.2

连接作用

19

光电耦合器

TLP521-2

3

6

传输电信号

20

插针

50pin

2

0.5

连接作用

21

电容

RAD0.230PF

5

0.3

充放电

22

继电器

12VHK19FDC

4

4

控制电机正反转

23

万能板

13*8cm

2

0.8

支撑

24

AD转换器

ADC0804

1

12

AD转换

2.4AT89S52单片机I/O端口分配

I/O端口分配如表2-4所示。

表2-4I/O端口分配

地址

执行件

功能

P0.0

B1

移位电机左限位

P0.1

B2

移位电机右限位

P0.2

B3

车到位检测

P0.3

YW

液位检测

P0.4

P1

指示车停--红灯亮

P0.5

全部悬空

P0.6

P0.7

P2.0

D0

D0

P2.1

D1

D1

P2.2

D2

D2

P2.3

D3

D3

P2.4

D4

D4

P2.5

D5

D5

P2.6

D6

D6

P2.7

D7

D7

P1.0

M1

自转电机1

P1.1

M1

自转电机2

P1.2

M2

移位电机1

P1.3

M2

移位电机2

P1.4

M3

供水液压阀

P1.5

M4

供洗车液液压阀

P1.6

M5&P5

供干燥吹风机&加温丝指示灯亮

P1.7

P2

指示车行--绿灯亮

P3.0

P3

故障急停指示灯

P3.1

P4

洗车液低位报警灯

P3.2

S2

急停按扭中断接入（INT0）

P3.3

INTR

INTR

P3.4

S1

洗车程序运行

P3.5

CS

CS

P3.6

RD

RD

P3.7

WR

WR

3隧道式智能洗车控制系统的软件设计

3.1程序总体设计

隧道式洗车设备运行过程概述：

汽车进入洗车房到位后，洗车液和水的供给阀开启，向汽车喷射洗车液和水5s；然后洗车刷驱动电机M1和M2开启，洗车刷从左向右运动，到达右侧限位开关后M2停止，洗车液供给阀M4关闭；经过延时，电机M1和M2的运转方向均改变，洗车刷由右向左运动，到达左侧限位开关后电机M1和M2停止，此时水供给阀M3关闭，洗车完毕，汽车开出洗车房。

洗车自动控制过程：

汽车进入洗车房，当光电传感器B3检测到遮挡信号，则指示灯P4点亮（红色），此时汽车停止前进，洗车过程开始；

按下启动按钮S2，温度传感器先感应温度，当气温低于5℃时，烘干机自动给车表面加温5s，阀M4和M3开始向汽车喷射洗车液和水；

经过5秒钟延时，电机M1和M2启动，洗车刷动作，当洗车刷到达限位开关B2后电机M2停止；

经过3秒钟延时，洗车液供给阀M4关闭，电机M1和M2的旋转方向均改变，直到达到限位开关B1后M1、M2停止，洗车水供给阀M3关闭，固定在洗车刷顶部的干燥机M5和加温丝开启。

经过3s延时，洗车刷M2向前向后移动，汽车表面烘干，此时洗车和干燥过程完成。

绿灯亮，表明车