摘 要：本文設計了一套基于51單片機的家用自動拖地智能換抹布機控制系統(tǒng)。拖地機以51單片機為控制核心；使用L298N芯片驅(qū)動與轉(zhuǎn)抽相連的直流電機；用單片機產(chǎn)生的PWM信號控制直流電機的啟動、停止、前進、后退、速度和轉(zhuǎn)向；通過直流電機及棘輪機構(gòu)實現(xiàn)自動換抹布的目的。

關(guān)鍵詞：單片機 自動拖地 換抹布

中圖分類號：TM461文獻標識碼：A文章編號：1674-098X（2012）09（a）-0028-02

1 引言

隨著社會發(fā)展，雙薪家庭越來越普遍，家務負擔日漸突顯。吸塵器雖然好用，但仍需要花費人力物力，減負思想體現(xiàn)的不夠完全。家用自動拖地機成本低廉、體積小，集紅外避障、自動更換抹布、定時噴水、自動拖地等功能于一體，是一款非常符合中國國情的家庭小助手，并得到的廣泛使用。目前的智能小車的壁障技術(shù)已經(jīng)趨近成熟，自動灑水也很容易實現(xiàn)，文中主要研究的是拖地機的自動換抹布控制系統(tǒng)。

2 自動拖地機總體框架

自動拖地機的方案有很多，其中采用CPLD/FPGA復雜可編程邏輯器件或51單片機作為控制器的方案使用較多[1][2]?？紤]到家用自動拖地機的控制部分要求自動化集成度高、可靠性強以及操作維護方面等特點，從經(jīng)濟型和實用性上，系統(tǒng)選用美國INTEL公司自主研發(fā)AT89S51單片機作為控制核心。圖1為智能小車的總體框架圖，自動拖地機是一款集自動拖地、換抹布、灑水、蔽障為一體的服務型機器。它以單片機為控制核心，通過直流電機驅(qū)動

板控制電機的正、反轉(zhuǎn)和速度，從而實現(xiàn)小車的前進、后退、轉(zhuǎn)彎、變速以及換布裝置的自動換布與自鎖；通過控制繼電器的開合來控制水泵的得電與失電，從而實現(xiàn)拖地機的定時灑水功能；借助紅外模塊來實現(xiàn)自動蔽障功能。

3 自動換抹布機械結(jié)構(gòu)設計

自動換抹布系統(tǒng)最大特點在于拖布在拖行一段時間后能夠?qū)⑴K的部分自動卷起，用干凈的部分替換臟的部分，以實現(xiàn)一塊拖布的充分利用，提高了抹布的利用率。當整個拖地過程結(jié)束后，拖布還能夠從軸上取下，進行清洗，以方便下次拖地。其實現(xiàn)有兩種方案：

方案1：利用6方筒來實現(xiàn)換抹布。將6方筒與直流電機用聯(lián)軸器連接起來，把首尾縫合的抹布緊套在6方筒上，通過的直流電機的運轉(zhuǎn)使6方筒旋轉(zhuǎn)，讓其不同的面與地面接觸來達到換抹布的目的。但是此種方法所占體積大，而且要精確的使電機轉(zhuǎn)過一定角度，還要在每次旋轉(zhuǎn)時都要將6方筒抬高，以避免與地面卡死，因此這種方法比較復雜。

方案2：利用直流電機和棘輪機構(gòu)實現(xiàn)更換抹布。把主動軸和直流電機用聯(lián)軸器連接起來，從動軸與棘輪機構(gòu)連接起來。將抹布的兩端各繞在兩根轉(zhuǎn)軸上，通過直流電機的運轉(zhuǎn)帶動轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，繼而使抹布在一根轉(zhuǎn)軸上卷進來，在另一根轉(zhuǎn)軸上卷出達到換抹布的目的。電機在轉(zhuǎn)動一定時間后，利用其自鎖功能和棘輪機構(gòu)達到抹布鎖定的目的。綜合考慮后我們選擇方案2，其機械結(jié)構(gòu)如圖2所示。

4 電機驅(qū)動板的選型

電機驅(qū)動板有采用H橋電路的電機驅(qū)動模塊、L298N的電機驅(qū)動模塊或SM6235W電機遙控驅(qū)動模塊的三種選擇方案。采用H橋電路的電機驅(qū)動模塊電路不能夠驅(qū)動大功率電機，并且電路暴露在外部導致穩(wěn)定性不高[3]。采用SM6235W電機的遙控驅(qū)動模塊其采用的是編碼輸入控制，而不是電平控制，這樣在程序中實現(xiàn)比較麻煩，且電機模塊價格比較高。采用L298N的電機驅(qū)動模塊具有高集成度、高功率的特點，可以驅(qū)動大的負載，如大功率直流電機，步進電機等，較少的外圍電路（僅需要保護用的二極管）便可以很好地驅(qū)動大功率的電機。其輸入端可以與單片機直接相聯(lián)，從而很方便地受單片機控制。當驅(qū)動直流電機時，可以直接控制兩路電機，并可以實現(xiàn)電機正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，實現(xiàn)此功能只需改變輸入端的邏輯電平。而且此模塊體積小、驅(qū)動能力強、散熱好、性能穩(wěn)定，并且可以使輸出動力更強勁，承載能力更好。綜合上面三個方案，我們選擇L298N作為我們的電機驅(qū)動板。L298N為15個管角的單塊集成電路，高電壓，高電流，四通道驅(qū)動，設計用L298N來接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動感性負載（比如繼電器，直流和步進馬達）和開關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。根據(jù)設計要求，，便可給[P_IOA_DATA]傳送數(shù)據(jù)，從而控制轉(zhuǎn)向電機和驅(qū)動電機。單片機和L298驅(qū)動器組成的直流電機控制電路具有以下優(yōu)點：使用元件少，組件的損耗低，可靠性高體積小，軟件開發(fā)簡單，并且計算機（或單片機）硬件費用大大減少。其結(jié)構(gòu)圖和連接圖圖3所示：

系統(tǒng)將圖中L289芯片的IN2取反后和IN1信號連接到一起接到單片機電機1的方向控制引腳上，EA則直接連到單片機引腳上，單片機使用PWM模塊控制電機1的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)等。同理IN3、IN4、EB同理和單片機引腳相連，然后用于控制電機2。L298芯片的9號引腳VS用于輸入直流電機的驅(qū)動電壓。因為系統(tǒng)選用的額定電壓為12V的直流電機。因此圖中VS直接連到12V電壓。

5 自動換抹布程序設計

要實現(xiàn)自動拖地機的自動換抹布功能就是要實現(xiàn)直流電機的驅(qū)動。如上所述，系統(tǒng)選用L298作為電機的驅(qū)動芯片，其邏輯功能如表1所示。

系統(tǒng)采用PWM控制模塊控制脈沖占空比，從而達到單位時間內(nèi)對加載在電機兩端電壓平均值大小的控制。在單位時間內(nèi)加載在電機兩端平均電壓越大，則電機轉(zhuǎn)動速度越快，否則越慢。單片機將產(chǎn)生的PWM信號輸出到L298芯片的EA和EB引腳，達到控制電機速度的目的。因為單片機的電機方向控制引腳是跟L289芯片的IN2取反后和IN0信號連接到一起實現(xiàn)電機的方向控制，因此當單片機方向控制引腳輸出高電平，則電機正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。單片機的部分電機控制流程圖如4所示：

當小車開始工作，首先小車檢測前方是否有障礙，若沒障礙，單片機控制小車前行拖地；若前方有障礙，通過紅外模塊將信息反饋給單片機，單片機控制小車先后退一定距離然后拐彎，實現(xiàn)蔽障的功能。在小車工作中單片機通過定時器控制小車的定時換布與灑水，在這之外小車的換布裝置處于自鎖狀態(tài)。

6 結(jié)語

文章從用清潔機代替人拖地的目的出發(fā)，結(jié)合單片機控制技術(shù)、機械制造技術(shù)，構(gòu)造了基于MCS-51單片機的家用自動拖地機自動換抹布系統(tǒng)，增強的自動拖地機的功能。通過測試，自動換布系統(tǒng)達到了設計要求，達到了自動拖地的目的，且系統(tǒng)穩(wěn)定。

參考文獻

[1]高俊，高向海，張力行，基于FPGA的智能小車設計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011.

[2]王松，李永超，鄭建飛.基于AT89S51單片機智能小車系統(tǒng)設計制作[J].高科技產(chǎn)品研發(fā)，2010.

[3]智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)Available via： http：//wenku.baidu.com/view/a051ec0c79563c1ec5da71f5.html.