雨水井清掏機械手遙控器的研制

趙廣義+王華東+唐義鋒

摘 要：本文首先分析了雨水井清掏機械手結構與控制方案求，進而確定系統的主要動作，確定采用無線透傳方式進行設備的控制，選擇STC89C52單片機作為控制核心，對手持器進行研制，分析遙控器的有關功能后，設計出按鍵、顯示、存儲等硬件電路;給出了主程序流程圖;分析了系統的軟調試過程，系統經測試，達到了設計要求。

關鍵詞：雨水井清掏機;STC89C52;遙控器

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

1 引言

國內雨水井的疏通一直沿用人工清掏的方式，一般應用大鐵勺、鐵鏟等手工工具，也有采用一些較先進的手工清掏工具，如污泥鏟、污泥鉗等，但人工清掏工作效率低、勞動強度大。本文在清掏機械手機械設計及主控制器的基礎上，進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量差等問題，提高使用的方便性。

2 機械手整體結構與控制方案

本文設計的清掏機機械結構采用鉸鏈式方案，通過液壓缸控制桿式鉸鏈結構動作，以提高工作效率，它將清掏機安裝于可轉動的底座上，其轉動的控制可以通過手動進行，也可使用液壓缸對底座進行控制;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，夾緊放松缸控制抓取機構動作，以實現清掏作業。因此，該設備至少需要使用5個電磁液壓閥才可完成對各動作進行液動控制。控制方案中，定位、轉動等采用手動助力控制，抓斗升降與抓取動作可采用手動和自動兩種控制模式。

操作人員采用無線遙控方式，通過手持遙控器對機械手的動作進行控制，其中，抓取機構的上下運動和抓取動作需要配有點動或自動運行模式，其他為點動控制。遙控器上電后與主控部分進行通信對接，如果對接成功則相應的指示燈亮，遙控器的數碼管上顯示初始值，此時，可對設備進行相應的控制，也可對設備的相關參數進行設置。遙控器控制系統結構框圖如圖1所示：

3 控制器無線通信方式與協議

手持器采用帶有休眠功能的JZ891微功率無線數傳模塊進行手持機與主機之間的數據傳輸，這樣可有效延長工作時間;主控機采用不帶休眠功能的數傳模塊。

JZ881數傳模塊是高集成度的微功率半雙工的無線數傳模塊，其采用高性能射頻芯片及高速單片機，模塊提供8個頻道，工作頻率470-510MHz、傳輸距離1500米（1200bps）、GFSK 的調制方式、透明傳輸方式、內置看門狗，以保長期可靠運行、UART/TTL、RS232、RS485接口、方便、靈活的軟件編程、超大的512bytes數據緩沖區、適合內置式的安裝。本設計采用休眠模式的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，必須由用戶控制模塊的喚醒腳，模塊才可進行收發數據。在軟件設計時還增加校驗校驗檢錯模式，以便對錯誤資料重發，提高數據傳輸的安全性與可靠性。協議為兩字節數據。

4 控制系統的硬件設計

4.1 CPU及存儲器的確定

采用了STC公司生產的型號STC89LE54RD的單片機為搖控制設備的控制核心，工作電壓3V。沿用了經典的MCS-51內核，較于傳統的51單片機綜合性能高，12時鐘/機器周期和6時鐘/機器周期可以任意選擇。本系統選用11.0592MHz的晶體振蕩器、12分頻時，機器周期為1us。由于STC89C52芯片內部無能夠在關電后繼續存儲數據的存儲器，本文選用了能夠在1.8V～6V范圍進行擦寫的存儲器24C02作為設置與運行過程數據的存儲。

4.2 數傳模塊引腳定義及硬件聯接

JZ881 模塊有J1 接口座，共有6 個引腳，與單片機聯接關系定義如表1：

4.3 顯示電路設計

選用了4位共陽LED數碼管作為顯示設備，采用動態顯示方式驅動LED數碼管。數碼管的A-G引腳經過限流電阻與P0端口相連接。P0端口的功能是輸出顯示數據。P1端口的任務是選擇數碼管，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PNP三極管驅動連接在數碼管的兩個公共端。當某位引腳為低電位，相對應的數碼管會顯示出端口的數據。

4.4 按鍵電路設計

遙控器按鍵需要有下降，上升，夾緊，放松，臂升，臂降六個操鍵，保存，+1，-1三個設置鍵和取消，設置，單周，自動四個功能鍵;本設計中，采用復用鍵模式，將電路設計為六個控制鍵和三個功能鍵共九個鍵，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，自帶上拉電阻。

5 手持器的軟件設計

5.1 手持器工作要求

打開電源開關，如控制板上電，測可實現與手持板握手，正常發送燈亮，否則錯誤發送燈亮;復位按鍵使程序初始化，并發出停止命令;上電后默認在控制狀態，即下降，上升，夾緊，放松，臂升，臂降均處于手動點動控制狀態，即按對應按鍵，控制板上的對應繼電器動作;如在控制狀態下按單周自動，則設備動作順序為：下降-放松-下降-夾緊-提升-放松-夾緊;按設置鍵，設備進入單周自動運行的各時間段的時間設置模式。從1-4分別為：下降時間，上升時間，夾緊時間，移動時間依次增循環選擇，按一次設置增1，到4后回1，在設置過程中，按下取消鍵，直接返回到控制狀態;例如下降時間的設置：按設置鍵，尾數為7時為下降時間設置，此時讀出原來的下降時間值，在此基礎上，通過+1，-1鍵增減到所設定的值（差值為1秒）。此時，如按保存鍵則保存設置值并進入下一個參數，直到4個參數設置完成，即在顯示6時，按下保存后進入控制狀態，結束設置過程;如按取消鍵則不保存直接進入控制狀態，結束設置過程;在設置狀態下，被設置的那個參數通過數碼管和下方的指示燈均有顯示;開關接通后兩分鐘內沒有操作，設備進入休眠狀態，此時電源燈亮，如需操作，需先按一下復位鍵讓設備重新開始運行。

5.2 手持器主程序流程

手持器主程序流程為上電后，首先對器件進行初始化操作，即完成寄存器初始值設定、外圍部件初始化等系統配置;讀取存儲器的的設置數據，并配置。隨后發送全停命令，以便與主機握手;隨后可進行設制與控制，并將數據值轉換為相應BCD碼送至顯示模塊，在LED數碼顯示管上完成對數值的顯示;采用查詢方式對鍵盤進行掃描，通過按鍵控制向主控制器發送命令控制主機動作。

6 控制系統調試

系統調試包括硬件、軟件調試兩大部分，其目的是為了及時發現系統設計中的錯誤和不完善的地方，對其加以修改，以實現系統的正常運作。兩臺或多臺881模塊要進行通訊，則各臺模塊的頻率和空中速率必須一致。模塊與用戶設備要進行通訊，則模塊和用戶設定的串口參數必須一致。在本設計的軟件的編程過程，先使用調試助手對控制器的簡單功能進行測試，完成后與主控制器聯機調試，并對設備的性能進行進一步的改進，直到成功。

參考文獻：

[1]梁景凱，蓋玉先.機電一體化技術與設計[M].機械工業出版社，2014.

[2]李夢紅，李捍東.基于STC89C52單片機的無線遙控小車設計[J].自動化與儀器儀表，2015（06）.

基金項目：江蘇省淮安市科技支撐計劃，公路雨水井智能清掏機器人的研究與推廣，編號：HAG20120009。

作者簡介：趙廣義，主要從事：重機電產品設計開發與推廣應工作。endprint