基于STC89C52單片機(jī)控制的可分離清掃迷你機(jī)械的設(shè)計(jì)

基于STC89C52單片機(jī)控制的可分離清掃迷你機(jī)械的設(shè)計(jì)*

楊秀芝，袁斌，沈華東，肖新華，梅東，李繼伍，周志全

(湖北理工學(xué)院機(jī)電學(xué)院，湖北黃石435003)

摘要：重點(diǎn)介紹了一種可以分體的清掃機(jī)械的機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子控制部分設(shè)計(jì)。該家用清潔機(jī)械既可組合工作實(shí)現(xiàn)寬敞大面積的清掃；同時(shí)，子體分離可實(shí)現(xiàn)對(duì)家具等的矮縫和窄縫等清掃。該機(jī)械具有成本低，綜合利用率高等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞:單片機(jī)控制可分離清掃機(jī)械設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TP232文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

基金項(xiàng)目：湖北省教育廳青年項(xiàng)目 (Q20123001) 資助；湖北省自然科學(xué)基金(2014CFB177)資助。

作者簡(jiǎn)介：楊秀芝(1974-),女, 副教授/博士,主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,模具新材料的開發(fā)和設(shè)計(jì)及表面強(qiáng)化等方面的研究與教學(xué)。

收稿日期：2015-03-17

Control design of the detachable sweeping mini-machine based on STC89C52

YANG Xiuzhi,YUAN Bin,SHENG Huadong,XIAO Xinhua,MEI Dong,LI Jiwu,ZHOU Zhiquan

Abstract:The design of the mechanical structure and the electronic control part of a split sweeping mini-machine is introduced. The machine can work either in combination or separately, in order to improve work efficiency and its overall function. The low and narrow slit places under furniture and spacious ground can be cleaned by the cleaning machine automatically. This research has important guiding significance to improve the design efficiency of household machinery, reduce development cost.

Keywords:single chip microcomputer control；detachable cleaning；mechanic design

1可分離清掃機(jī)械設(shè)計(jì)思想與總體方案

1.1可分離清掃機(jī)械設(shè)計(jì)思想

目前，人們發(fā)明了各種自動(dòng)化的清掃設(shè)備，例如自動(dòng)清掃機(jī)、吸塵器等[1-5]。但這些自動(dòng)化設(shè)備普遍存在一個(gè)問(wèn)題就是對(duì)于家庭使用時(shí)還存在很大的局限性，例如對(duì)家具底下的矮縫和房間的窄縫地面無(wú)法清掃，而不得不靠人力花費(fèi)大量時(shí)間來(lái)一點(diǎn)點(diǎn)的清理。本清掃機(jī)由主體、可分離的一對(duì)前輪和一對(duì)后輪(統(tǒng)稱子體)三部分組成，三部分既可以組合工作也可以單獨(dú)工作。主體的作用一方面是清掃室內(nèi)空曠地方的垃圾以及拖地，另一方面可以為兩對(duì)子體進(jìn)行充電和儲(chǔ)存垃圾。當(dāng)主體控制部分檢測(cè)到窄縫和矮縫時(shí)，兩對(duì)子體可以同時(shí)從主體上分離出來(lái)，然后分別去工作。前子體實(shí)現(xiàn)清潔矮縫地面，并將垃圾掃到貯存裝置中，工作完后自動(dòng)回歸到主體，將儲(chǔ)存裝置中的垃圾倒到主體的儲(chǔ)存器中；后子體可以橫向收縮，清潔窄縫地面，工作完后也回到主體將垃圾轉(zhuǎn)移到主體中；當(dāng)兩個(gè)子體都回歸到主體后主體繼續(xù)清掃工作。圖1為掃地機(jī)構(gòu)示意圖，圖2為掃地軸受力簡(jiǎn)圖，圖3為機(jī)械結(jié)構(gòu)圖。

圖1　掃地機(jī)構(gòu)示意圖

圖2　掃地毛刷輪軸受力計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖3　清掃機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

1.2總體控制方案設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。整個(gè)系統(tǒng)由3個(gè)STC89C52單片機(jī)控制，其中單片機(jī)1、2通過(guò)串行通信，控制4個(gè)超聲波模塊，對(duì)外界的環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，單片機(jī)1同時(shí)控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，為小車提供動(dòng)力，單片機(jī)2控制2個(gè)步進(jìn)電機(jī)，當(dāng)判斷要分離的信號(hào)時(shí)，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，帶動(dòng)四桿機(jī)構(gòu)使子體分離，同時(shí)通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊完成與單片機(jī)3的通信。子體分離后單片機(jī)3驅(qū)動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力源，同時(shí)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)清掃機(jī)構(gòu)工作。單片機(jī)3上還裝有兩個(gè)改裝后的PS-2鼠標(biāo)，對(duì)平面的位置做定位，使分離子體完成分離和回歸。兩子體上分別配有一個(gè)超生波模塊，作避障使用。當(dāng)子體完成窄縫和矮縫清掃工作以后，按鼠標(biāo)記憶的數(shù)據(jù)，控制步進(jìn)電機(jī)回歸；當(dāng)分離子體回歸后，單片機(jī)通過(guò)NRF24L01無(wú)線通訊模塊讓單片機(jī)2控制4桿機(jī)構(gòu)把子體扣住。然后整個(gè)迷你機(jī)械繼續(xù)工作。該清掃機(jī)械避障、分離、回歸、檢測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)清掃等功能的軟件程序是通過(guò)C++語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的。圖4 分離機(jī)械的總體控制模塊。

圖4　分離機(jī)械的總體控制模塊

1.3導(dǎo)航控制部分設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)控制部分硬件部分由單片機(jī)單元、傳感器單元、電源單元、聲光報(bào)警單元、鍵盤輸入單元、電機(jī)控制單元和顯示單元組成。光電鼠標(biāo)的光學(xué)傳感器象一部DC/DV一樣，跟隨操作者的移動(dòng)連續(xù)記錄它途經(jīng)表面的“快照”，這些快照(即幀)是有一定的頻率(即掃描頻率、刷新率、幀速率等，以下我們對(duì)此不加區(qū)分)和尺寸及分辨率(即光學(xué)傳感器的CMOS晶振的有效像素?cái)?shù))，并且光學(xué)傳感器的透鏡應(yīng)具備一定的放大作用；而光電鼠標(biāo)的核心——DSP通過(guò)對(duì)比這些快照之間的差異從而識(shí)別移動(dòng)的方向和位移量，并將這些確定的信息加以封裝后通過(guò)USB接口源源不斷地輸入PC；驅(qū)動(dòng)程序則根據(jù)這些信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的轉(zhuǎn)換最終決定鼠標(biāo)指針在屏幕上的位置。通過(guò)鼠標(biāo)記錄下子體分離時(shí)的位置，當(dāng)子體工作完了以后可以知道子體現(xiàn)在的坐標(biāo)。最后通過(guò)程序計(jì)算讓子體回歸到主體。由于在平面內(nèi)定位不僅要有X，Y軸的坐標(biāo)，同時(shí)還要考慮轉(zhuǎn)動(dòng)所引起的方向變化。經(jīng)過(guò)綜合考慮，最終選用兩個(gè)鼠標(biāo)做定位。鼠標(biāo)導(dǎo)航流程圖如圖5所示。

圖5　PS導(dǎo)航流程圖

2主體與子體電路圖設(shè)計(jì)

本清掃機(jī)械控制電路分為兩個(gè)部分，其主體部分硬件電路連接如圖6所示，子體機(jī)構(gòu)部分控制電路如圖7所示。

圖6　主體部分電路圖　　　圖7　分體機(jī)構(gòu)電路圖

3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

圖8　系統(tǒng)的主體程序流程

該系統(tǒng)配套的軟件程序采用模塊結(jié)構(gòu)，由C++語(yǔ)言編寫完成。主要有初始化程序、主體調(diào)整程序、子體調(diào)整程序、聲光指示子程序、讀超聲傳感器狀態(tài)、顯示程序、中斷服務(wù)子程序。系統(tǒng)的主體流程如圖8所示。

4系統(tǒng)主要機(jī)械強(qiáng)度校核

本機(jī)械的強(qiáng)度校核內(nèi)容較多，具體包括：被掃垃圾的運(yùn)動(dòng)分析及垃圾箱斜面設(shè)計(jì)及校核；直流電機(jī)的選擇與校核；掃地機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析及強(qiáng)度校核等等。下面以掃地毛刷輪軸的校核為例(圖1和圖2為掃地機(jī)構(gòu)及其輪軸的受力分析圖)：

(1)求作用在齒輪上的力

T為電機(jī)力矩，D為電機(jī)軸上齒輪分度圓直徑。

(2)求齒輪2上產(chǎn)生的力矩

d為掃地輪軸上齒輪分度圓直徑。

(3)求毛刷上產(chǎn)生的阻力矩

f為毛刷轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中與地面的摩擦力，D1為毛刷理論直徑。

(4)畫受力簡(jiǎn)圖與扭矩圖

扭矩T=T0-T1=92.04-11=81.04N·mm

(5)校核軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度

查表得45鋼圓軸的許用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力為25MPa。

故軸的扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度符合要求。

5結(jié)束語(yǔ)

本迷你機(jī)械即可完成家庭客廳大面積的自動(dòng)清潔也可實(shí)現(xiàn)室內(nèi)窄矮縫的自動(dòng)清潔任務(wù);此設(shè)計(jì)理念可以用于廣場(chǎng)大面積的清潔機(jī)構(gòu)和街道小巷清潔機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)

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