雨水井清掏機(jī)械手遙控器的研制

趙廣義+王華東+唐義鋒

摘 要：本文首先分析了雨水井清掏機(jī)械手結(jié)構(gòu)與控制方案求，進(jìn)而確定系統(tǒng)的主要?jiǎng)幼?，確定采用無線透傳方式進(jìn)行設(shè)備的控制，選擇STC89C52單片機(jī)作為控制核心，對(duì)手持器進(jìn)行研制，分析遙控器的有關(guān)功能后，設(shè)計(jì)出按鍵、顯示、存儲(chǔ)等硬件電路;給出了主程序流程圖;分析了系統(tǒng)的軟調(diào)試過程，系統(tǒng)經(jīng)測(cè)試，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：雨水井清掏機(jī);STC89C52;遙控器

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.21.101

1 引言

國內(nèi)雨水井的疏通一直沿用人工清掏的方式，一般應(yīng)用大鐵勺、鐵鏟等手工工具，也有采用一些較先進(jìn)的手工清掏工具，如污泥鏟、污泥鉗等，但人工清掏工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度大。本文在清掏機(jī)械手機(jī)械設(shè)計(jì)及主控制器的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步研究一種遙控裝置，解決雨水井場地狹小，人員操作效率低和質(zhì)量差等問題，提高使用的方便性。

2 機(jī)械手整體結(jié)構(gòu)與控制方案

本文設(shè)計(jì)的清掏機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)采用鉸鏈?zhǔn)椒桨?，通過液壓缸控制桿式鉸鏈結(jié)構(gòu)動(dòng)作，以提高工作效率，它將清掏機(jī)安裝于可轉(zhuǎn)動(dòng)的底座上，其轉(zhuǎn)動(dòng)的控制可以通過手動(dòng)進(jìn)行，也可使用液壓缸對(duì)底座進(jìn)行控制;由升降缸、伸縮缸組合控制抓斗的位置，抓斗升降缸控制抓取裝置延井口上下移動(dòng)，夾緊放松缸控制抓取機(jī)構(gòu)動(dòng)作，以實(shí)現(xiàn)清掏作業(yè)。因此，該設(shè)備至少需要使用5個(gè)電磁液壓閥才可完成對(duì)各動(dòng)作進(jìn)行液動(dòng)控制。控制方案中，定位、轉(zhuǎn)動(dòng)等采用手動(dòng)助力控制，抓斗升降與抓取動(dòng)作可采用手動(dòng)和自動(dòng)兩種控制模式。

操作人員采用無線遙控方式，通過手持遙控器對(duì)機(jī)械手的動(dòng)作進(jìn)行控制，其中，抓取機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)和抓取動(dòng)作需要配有點(diǎn)動(dòng)或自動(dòng)運(yùn)行模式，其他為點(diǎn)動(dòng)控制。遙控器上電后與主控部分進(jìn)行通信對(duì)接，如果對(duì)接成功則相應(yīng)的指示燈亮，遙控器的數(shù)碼管上顯示初始值，此時(shí)，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的控制，也可對(duì)設(shè)備的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。遙控器控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示：

3 控制器無線通信方式與協(xié)議

手持器采用帶有休眠功能的JZ891微功率無線數(shù)傳模塊進(jìn)行手持機(jī)與主機(jī)之間的數(shù)據(jù)傳輸，這樣可有效延長工作時(shí)間;主控機(jī)采用不帶休眠功能的數(shù)傳模塊。

JZ881數(shù)傳模塊是高集成度的微功率半雙工的無線數(shù)傳模塊，其采用高性能射頻芯片及高速單片機(jī)，模塊提供8個(gè)頻道，工作頻率470-510MHz、傳輸距離1500米（1200bps）、GFSK 的調(diào)制方式、透明傳輸方式、內(nèi)置看門狗，以保長期可靠運(yùn)行、UART/TTL、RS232、RS485接口、方便、靈活的軟件編程、超大的512bytes數(shù)據(jù)緩沖區(qū)、適合內(nèi)置式的安裝。本設(shè)計(jì)采用休眠模式的3V供電模塊，電壓為直流2.7-3.3V，通上電源，模塊處于休眠狀態(tài)，必須由用戶控制模塊的喚醒腳，模塊才可進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)還增加校驗(yàn)校驗(yàn)檢錯(cuò)模式，以便對(duì)錯(cuò)誤資料重發(fā)，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。協(xié)議為兩字節(jié)數(shù)據(jù)。

4 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

4.1 CPU及存儲(chǔ)器的確定

采用了STC公司生產(chǎn)的型號(hào)STC89LE54RD的單片機(jī)為搖控制設(shè)備的控制核心，工作電壓3V。沿用了經(jīng)典的MCS-51內(nèi)核，較于傳統(tǒng)的51單片機(jī)綜合性能高，12時(shí)鐘/機(jī)器周期和6時(shí)鐘/機(jī)器周期可以任意選擇。本系統(tǒng)選用11.0592MHz的晶體振蕩器、12分頻時(shí)，機(jī)器周期為1us。由于STC89C52芯片內(nèi)部無能夠在關(guān)電后繼續(xù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，本文選用了能夠在1.8V～6V范圍進(jìn)行擦寫的存儲(chǔ)器24C02作為設(shè)置與運(yùn)行過程數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

4.2 數(shù)傳模塊引腳定義及硬件聯(lián)接

JZ881 模塊有J1 接口座，共有6 個(gè)引腳，與單片機(jī)聯(lián)接關(guān)系定義如表1：

4.3 顯示電路設(shè)計(jì)

選用了4位共陽LED數(shù)碼管作為顯示設(shè)備，采用動(dòng)態(tài)顯示方式驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼管。數(shù)碼管的A-G引腳經(jīng)過限流電阻與P0端口相連接。P0端口的功能是輸出顯示數(shù)據(jù)。P1端口的任務(wù)是選擇數(shù)碼管，具體由P1.0、P1.1、P1.2和P1.3控制。由于位控制的電流消耗較大，每位需選用一個(gè)PNP三極管驅(qū)動(dòng)連接在數(shù)碼管的兩個(gè)公共端。當(dāng)某位引腳為低電位，相對(duì)應(yīng)的數(shù)碼管會(huì)顯示出端口的數(shù)據(jù)。

4.4 按鍵電路設(shè)計(jì)

遙控器按鍵需要有下降，上升，夾緊，放松，臂升，臂降六個(gè)操鍵，保存，+1，-1三個(gè)設(shè)置鍵和取消，設(shè)置，單周，自動(dòng)四個(gè)功能鍵;本設(shè)計(jì)中，采用復(fù)用鍵模式，將電路設(shè)計(jì)為六個(gè)控制鍵和三個(gè)功能鍵共九個(gè)鍵，使用P3.2、P3.3、P3.4與P3.5、P3.6、P3.7組成矩陣鍵盤電路，用以檢測(cè)，自帶上拉電阻。

5 手持器的軟件設(shè)計(jì)

5.1 手持器工作要求

打開電源開關(guān)，如控制板上電，測(cè)可實(shí)現(xiàn)與手持板握手，正常發(fā)送燈亮，否則錯(cuò)誤發(fā)送燈亮;復(fù)位按鍵使程序初始化，并發(fā)出停止命令;上電后默認(rèn)在控制狀態(tài)，即下降，上升，夾緊，放松，臂升，臂降均處于手動(dòng)點(diǎn)動(dòng)控制狀態(tài)，即按對(duì)應(yīng)按鍵，控制板上的對(duì)應(yīng)繼電器動(dòng)作;如在控制狀態(tài)下按單周自動(dòng)，則設(shè)備動(dòng)作順序?yàn)椋合陆?放松-下降-夾緊-提升-放松-夾緊;按設(shè)置鍵，設(shè)備進(jìn)入單周自動(dòng)運(yùn)行的各時(shí)間段的時(shí)間設(shè)置模式。從1-4分別為：下降時(shí)間，上升時(shí)間，夾緊時(shí)間，移動(dòng)時(shí)間依次增循環(huán)選擇，按一次設(shè)置增1，到4后回1，在設(shè)置過程中，按下取消鍵，直接返回到控制狀態(tài);例如下降時(shí)間的設(shè)置：按設(shè)置鍵，尾數(shù)為7時(shí)為下降時(shí)間設(shè)置，此時(shí)讀出原來的下降時(shí)間值，在此基礎(chǔ)上，通過+1，-1鍵增減到所設(shè)定的值（差值為1秒）。此時(shí)，如按保存鍵則保存設(shè)置值并進(jìn)入下一個(gè)參數(shù)，直到4個(gè)參數(shù)設(shè)置完成，即在顯示6時(shí)，按下保存后進(jìn)入控制狀態(tài)，結(jié)束設(shè)置過程;如按取消鍵則不保存直接進(jìn)入控制狀態(tài)，結(jié)束設(shè)置過程;在設(shè)置狀態(tài)下，被設(shè)置的那個(gè)參數(shù)通過數(shù)碼管和下方的指示燈均有顯示;開關(guān)接通后兩分鐘內(nèi)沒有操作，設(shè)備進(jìn)入休眠狀態(tài)，此時(shí)電源燈亮，如需操作，需先按一下復(fù)位鍵讓設(shè)備重新開始運(yùn)行。

5.2 手持器主程序流程

手持器主程序流程為上電后，首先對(duì)器件進(jìn)行初始化操作，即完成寄存器初始值設(shè)定、外圍部件初始化等系統(tǒng)配置;讀取存儲(chǔ)器的的設(shè)置數(shù)據(jù)，并配置。隨后發(fā)送全停命令，以便與主機(jī)握手;隨后可進(jìn)行設(shè)制與控制，并將數(shù)據(jù)值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)BCD碼送至顯示模塊，在LED數(shù)碼顯示管上完成對(duì)數(shù)值的顯示;采用查詢方式對(duì)鍵盤進(jìn)行掃描，通過按鍵控制向主控制器發(fā)送命令控制主機(jī)動(dòng)作。

6 控制系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試包括硬件、軟件調(diào)試兩大部分，其目的是為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的錯(cuò)誤和不完善的地方，對(duì)其加以修改，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常運(yùn)作。兩臺(tái)或多臺(tái)881模塊要進(jìn)行通訊，則各臺(tái)模塊的頻率和空中速率必須一致。模塊與用戶設(shè)備要進(jìn)行通訊，則模塊和用戶設(shè)定的串口參數(shù)必須一致。在本設(shè)計(jì)的軟件的編程過程，先使用調(diào)試助手對(duì)控制器的簡單功能進(jìn)行測(cè)試，完成后與主控制器聯(lián)機(jī)調(diào)試，并對(duì)設(shè)備的性能進(jìn)行進(jìn)一步的改進(jìn)，直到成功。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：江蘇省淮安市科技支撐計(jì)劃，公路雨水井智能清掏機(jī)器人的研究與推廣，編號(hào)：HAG20120009。

作者簡介：趙廣義，主要從事：重機(jī)電產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)與推廣應(yīng)工作。endprint