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，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)距離過遠時，指示距離過遠的紅燈點亮。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高的車身為標準，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]
[1]韓旭東.一種公交清洗小車:CN2016201871288[P].2016-03-11.
[2]佟卓遠.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.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