談垂直滾筒式公交車清洗嵌入式系統(tǒng)設(shè)計
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摘要：為解決公交車的高效便捷清洗問題，基于青島理工大學(xué)韓旭東教授的團隊設(shè)計的一款“垂直滾筒式公交清洗小車”，利用AT89C51單片機配合其他元器件，設(shè)計了相關(guān)的嵌入式系統(tǒng)，包括超聲波測距系統(tǒng)和手動/自動雙模平臺升降控制系統(tǒng)，完善了原產(chǎn)品的設(shè)計。采用KeilC51軟件編寫了相應(yīng)的控制程序，使用Proteus軟件繪制了電路原理圖，并進(jìn)行了仿真模擬。
關(guān)鍵詞：公交清洗小車；嵌入式系統(tǒng)；超聲波測距；平臺升降控制
0引言
為解決公交車的高效便捷清洗問題，青島理工大學(xué)韓旭東教授的團隊設(shè)計了一款“垂直滾筒式公交清洗小車”[1]。但在該設(shè)計中，僅對機械結(jié)構(gòu)與工作原理做了介紹，缺少相關(guān)的控制電路與控制程序的設(shè)計，給清洗小車的使用帶來了極大的不便。本文在原產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，針對小車與公交車之間距離的控制不準(zhǔn)確的問題，設(shè)計了超聲波測距系統(tǒng)；針對平臺升降控制不方便的問題，設(shè)計了手動/自動雙模平臺升降控制系統(tǒng)。有效地提高了該產(chǎn)品的實用性，完善了該產(chǎn)品的設(shè)計。
1超聲波測距系統(tǒng)
1.1設(shè)計目的
清洗小車由人力推動并控制方向，但由于路面不平，人力控制精度有限，會使小車與公交車車體間的距離發(fā)生改變，距離過近會使?jié)L筒擠壓車體表面，阻礙滾筒旋轉(zhuǎn)；距離過遠(yuǎn)，則會使?jié)L筒毛刷與車體表面間間隙過大，影響清洗效果。需要一套測距系統(tǒng)使小車與公交車車體間的距離始終保持在一個合理范圍之內(nèi)。
1.2測距方式的選擇
超聲波測距是利用機械波反射來測量距離，適用于短距離測距，原理簡單，成本低，遠(yuǎn)距離測量精度較低。公交清洗小車的使用環(huán)境比較復(fù)雜，對測距系統(tǒng)的精度要求不高，測量的距離在1～2m，且要求結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定。根據(jù)需要和集中測距方式的特點，本文選擇超聲波測距方式.
1.3超聲波測距原理
超聲波在均勻介質(zhì)中的傳輸速度為一恒定值，由發(fā)生器發(fā)射超聲波，在遇到測量目標(biāo)后反射回來，由接收器接收并記錄由發(fā)射到接收經(jīng)歷的時間，便可以計算出發(fā)生器與測量目標(biāo)之間的距離[2]。
1.4設(shè)計內(nèi)容
本文利用AT89C51單片機、HC-SR04超聲波測距模塊、LED燈組成了一個超聲波測距警報系統(tǒng)。當(dāng)距離過近時，指示距離過近的紅燈點亮；距離適中時，指示距離適中的綠燈點亮；當(dāng)距離過遠(yuǎn)時，指示距離過遠(yuǎn)的紅燈點亮。工作人員可以根據(jù)燈光指示調(diào)整小車位置，使之與車體表面間的距離保持在一個合理范圍。
1.4.1HC-SR04超聲波測距模塊工作原理
本文所采用的HC-SR04超聲波測距模塊，具有成本低、體積小、精度高、使用簡單方便等優(yōu)點，其基本工作原采用I/O口TRIG觸發(fā)測距，提供至少10μs的高電平信號;2)模塊自動發(fā)送8個40kHz的方波，自動檢測是否有信號返回；3)有信號返回，通過I/O口ECHO輸出一個高電平，高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間[3]。
1.4.2程序控制過程
利用AT89C51單片機自帶的定時計數(shù)器資源，通過I/O口給超聲波模塊一個發(fā)射信號并開始計時，當(dāng)收到超聲波模塊的反饋信號時，結(jié)束計時并計算距離。
2手動/自動雙模平臺升降控制系統(tǒng)
2.1設(shè)計目的
現(xiàn)行大多數(shù)公交車的高度在3m左右，為能夠確保清洗整個車體表面，原產(chǎn)品采用雙絲杠旋轉(zhuǎn)驅(qū)動平臺升降的設(shè)計，并利用直流電動機產(chǎn)生動力。為方便用戶使用，能夠快捷高效操作平臺升降，提高清洗效率，本文設(shè)計了一套手動/自動雙模平臺升降控制系統(tǒng)。
2.2設(shè)計內(nèi)容
根據(jù)計算，清洗平臺需調(diào)整2次高度才可將車體表面清洗完畢，為了方便工作人員操作，本文設(shè)計了手動/自動雙?？刂葡到y(tǒng)。該系統(tǒng)采用AT89C51單片機，配合L289直流電動機驅(qū)動模塊，通過控制電動機的正反轉(zhuǎn)實現(xiàn)平臺的升降，設(shè)計原理圖見圖4[5]。操作過程為：啟動系統(tǒng)后，在自動模式下，按UP鍵，平臺會上升一個固定高度；按DOWN鍵，平臺會下降一個固定高度。該高度值是為實現(xiàn)最高清洗效率，以3m高的車身為標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)優(yōu)化計算得出的最適高度。因為公交車的型號差異，車身高度也各不相同，所以為滿足實際使用要求，我們又設(shè)計了手動控制模式。在手動模式下，按住UP鍵，平臺會上升，松開立即停止；按住DOWN鍵，平臺會下降，松開立即停止。為防止工作人員誤操作，本文增加了按鍵防抖動延遲，防止工作人員誤觸按鍵；如果UP和DOWN鍵同時按下，則電動機停轉(zhuǎn)，直至其中一個按鍵松開。
3結(jié)語
本文是在韓旭東教授設(shè)計的“垂直滾筒式公交清洗小車”的基礎(chǔ)上，利用單片機配合其它元器件完成了相關(guān)嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計，有效地解決了小車與公交車之間距離的控制不準(zhǔn)確和平臺升降控制不方便的問題，并設(shè)計了防止誤操作的保護程序，提高了原產(chǎn)品的實用性與安全性。本文所采用的單片機與相關(guān)的控制模塊都是技術(shù)成熟、結(jié)構(gòu)簡單且成本低廉的器件，在實現(xiàn)所需功能的同時，并不會大幅提高原產(chǎn)品的設(shè)計復(fù)雜性與生產(chǎn)成本，具有一定的應(yīng)用價值。
[參考文獻(xiàn)]
[1]韓旭東.一種公交清洗小車:CN2016201871288[P].2016-03-11.
[2]佟卓遠(yuǎn).基于機器視覺的前方車輛檢測與測距系統(tǒng)設(shè)計[D].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2015.
[3]蘇琳.基于HC-SR04的超聲波測距器的設(shè)計[J].科技信息,2012(9):124-125.
[4]張琛,耿標(biāo).超聲波測距的原理及設(shè)計[J].信息科技,2010(13):222-223.
作者:馮云劍 韓旭東 陳旭陽 倪福鵬 韓桐 高建東 單位:青島理工大學(xué)汽車與交通學(xué)院