基于AT89S52的電動清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)的研究

馬建偉，魯民巧

（邢臺職業(yè)技術學院汽車工程系，河北 邢臺 054000）

引言

電動路面清掃車是環(huán)衛(wèi)設備之一，是一種集路面清掃、垃圾回收和運輸為一體的新型高效清掃設備，能夠提高勞動效率，降低工人的勞動強度，它在保證城市衛(wèi)生質量中發(fā)揮著不可或缺的作用，然而針對目前空氣污染的加劇，采用電驅動是降低清掃車對環(huán)境污染的主要途徑[1]。電動清掃車清掃刷是依靠電動機來帶動的，然而目前的電動清掃車清掃刷的轉速是固定不變的，由于轉速不能夠調節(jié)，當車速快時，就會出現轉速慢而引起的清掃不徹底，當車速慢時，會出現過度的揚塵。因此設計一套能夠根據車速調節(jié)清掃刷轉速的控制系統(tǒng)十分必要。

1 清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)的組成和原理

道路清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)，包括主控芯片，帶動清掃刷旋轉的清掃直流串勵電動機，用于檢測汽車行駛速度的測速模塊、控制直流串勵電機轉速的脈寬調制調速模塊，驅動電路和電源模塊。如圖1所示。測速模塊采集車速傳感器發(fā)出的車速信號將將車速信號轉化為主控芯片所需的信號并傳遞給主控芯片，主控芯片根據測速模塊提供的信號輸出給脈寬調制調速模塊信號，脈寬調制調速模塊接收主控芯片的信號，并輸出給驅動電路，驅動電路接收脈寬調制模塊的信號，并根據脈寬調制模塊的信號改變輸入清掃直流串勵電動機的平均電流，以控制清掃電機的轉速。該系統(tǒng)可以自動的根據電動道路清潔車的行駛速度，改變清掃直流串勵電動機的轉速，從而改變清掃刷的旋轉速度，實現對道路的有效清掃。

圖1 道路清掃車隨速清掃控制系統(tǒng)結構框圖

2 系統(tǒng)硬件設計

整個系統(tǒng)采用模塊化設計，硬件結構由主控芯片、直流串勵電動機、測速模塊、脈寬調制調速模塊、驅動電路等模塊組成。

2.1 電源模塊設計

道路清掃車的電源系統(tǒng)為傳統(tǒng)的12V直流電源，而系統(tǒng)所需要的電壓為＋5V，因而需要通過DC-DC電源模塊將12V電源變?yōu)?V。DC/DC轉換器分為三類：升壓型DC/DC轉換器、降壓型DC/DC轉換器以及升降壓型DC/DC轉換器。根據需求可采用三類控制。PWM 控制型效率高并具有良好的輸出電壓紋波和噪聲。PFM控制型即使長時間使用，尤其小負載時具有耗電小的優(yōu)點。PWM/PFM轉換型小負載時實行PFM控制，且在重負載時自動轉換到PWM控制[2]。由于道路清掃車的清掃系統(tǒng)是一種長時間工作的，因此本系統(tǒng)中選用降壓、PFM 控制型 DC/DC轉換器。型號為 ACT4088，ACT4088是一個電流模式降壓型DC/DC轉換器，可提供高達1.5A的成從5V至 12V輸入。1.4MHz的開關頻率允許使用小型外部元件，內部循環(huán)補償提供簡單，穩(wěn)定的電力電力供應用最少的外部元件供應用最少的外部元件。ACT4088接線原理圖如圖2所示。

圖2 ACT4088接線原理圖

2.2 主控芯片設計

系統(tǒng)主控芯片選用單片機AT89S52為中心控制器[3]，控制系統(tǒng)采用5V 電源供電，單片機核心控制模塊主要實現以下功能：①獲取測速模塊輸入的車速信號；②給脈寬調制調速模塊提供調速信號。AT89S52單片機的引腳如圖3所示。

圖3 AT89S52單片機引腳

2.3 脈寬調制調速模塊

本設計采用集成芯片 L293D 及其外部輔助電路和電機構成驅動電路。通過單片機的接口，利用PWM控制電機的轉速及其加減速[4]。電路原理如圖4 所示。

圖4 PWM調速模塊設計原理

2.4 電機驅動電路

由于清掃車的清掃電機是大功率的直流串勵電機，因此，需要加入驅動電路以承受大的電流，驅動電路如圖5所示，Q1、Q2為 NPN 型三極管，Q3、Q4、為 PN P 型三極管。POLE1連接脈寬調制調速模塊，當 POLE1 輸入高電平，Q1、Q2、Q3、Q4同時導通，此時直流串勵電機工作，電機的轉速由POLE1輸入的高電平占空比決定[5]。

2.5 測速模塊設計

測速模塊將車速傳感器發(fā)出的連續(xù)的模擬信號變成單片機芯片所需要的離散的數字信號，并且進行相應的處理，將經處理的信號準確及時的傳遞給單片機。該測速模塊采用A/D轉換模塊主芯片為LM331[6]。電路原理圖如圖6所示。

圖6 測速模塊電路原理圖

3 系統(tǒng)軟件設計

為節(jié)省微處理器程序存儲器空間, 本系統(tǒng)采用多層嵌入、多層相互使用精簡程系統(tǒng)，程序設計主要采用C 語言編程。整個程序設計包括：主程序設計、速度采集子程序設計、轉速控制子程序設計。速度采集子程序保證每秒測速一次。其主程序設計流程框圖如圖7所示。

圖7 主程序流程

4 系統(tǒng)測試

根據設計的軟硬件，搭建測試平臺，模擬不同的車速，對系統(tǒng)進行測試，測試結果如表1所示。

表1 不同車速下的電機轉速

通過以上的實驗數可知，當車速增加時，對應清掃電機也相應的轉速提高，基本實現了清掃刷的隨速控制。

5 結束語

本系統(tǒng)用單片機 AT89S52 作為直流電機調速系統(tǒng)的控制核心，來實現對道路清掃車清掃電機的隨速智能控制，利用A/D轉換模塊實現車速采集，用PWM 調速方式控制直流電機轉動的速度，并可以自動調節(jié)速度至程序預先設定的速度，可以通過不同車速進行道路試驗，修改程序參數，實現高效徹底的道路清掃，方便實用。整個系統(tǒng)的電路邏輯結構簡單，可靠性能高，實現功能強。

[1] 劉姣娣.清潔車研究的技術難點與對策分析[J].機械管理開發(fā).2012(2).

[2] 王兆安.電力電子技術[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.

[3] 魯倫文,孟鳳果.單片機原理與應用[ M] .北京:北京科學技術出版社,2010.

[4] 許曉峰.電機及拖動[ M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 劉桂蘭,蔡翰志.基于 ST C12C2052 的直流電機調速及控制系統(tǒng)的設計與應用[J].甘肅聯合大學學報.2011,( 25)2.

[6] 何獻忠,凌云.基于 LM331和單片機的數據采集控制[J].機電產品開發(fā)與創(chuàng)新.2006(6).