雨水井清掏机械手遥控器的研制

赵广义+王华东+唐义锋

摘 要：本文首先分析了雨水井清掏机械手结构与控制方案求，进而确定系统的主要动作，确定采用无线透传方式进行设备的控制，选择STC89C52单片机作为控制核心，对手持器进行研制，分析遥控器的有关功能后，设计出按键、显示、存储等硬件电路;给出了主程序流程图;分析了系统的软调试过程，系统经测试，达到了设计要求。

关键词：雨水井清掏机;STC89C52;遥控器

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

1 引言

国内雨水井的疏通一直沿用人工清掏的方式，一般应用大铁勺、铁铲等手工工具，也有采用一些较先进的手工清掏工具，如污泥铲、污泥钳等，但人工清掏工作效率低、劳动强度大。本文在清掏机械手机械设计及主控制器的基础上，进一步研究一种遥控装置，解决雨水井场地狭小，人员操作效率低和质量差等问题，提高使用的方便性。

2 机械手整体结构与控制方案

本文设计的清掏机机械结构采用铰链式方案，通过液压缸控制杆式铰链结构动作，以提高工作效率，它将清掏机安装于可转动的底座上，其转动的控制可以通过手动进行，也可使用液压缸对底座进行控制;由升降缸、伸缩缸组合控制抓斗的位置，抓斗升降缸控制抓取装置延井口上下移动，夹紧放松缸控制抓取机构动作，以实现清掏作业。因此，该设备至少需要使用5个电磁液压阀才可完成对各动作进行液动控制。控制方案中，定位、转动等采用手动助力控制，抓斗升降与抓取动作可采用手动和自动两种控制模式。

操作人员采用无线遥控方式，通过手持遥控器对机械手的动作进行控制，其中，抓取机构的上下运动和抓取动作需要配有点动或自动运行模式，其他为点动控制。遥控器上电后与主控部分进行通信对接，如果对接成功则相应的指示灯亮，遥控器的数码管上显示初始值，此时，可对设备进行相应的控制，也可对设备的相关参数进行设置。遥控器控制系统结构框图如图1所示：

3 控制器无线通信方式与协议

手持器采用带有休眠功能的JZ891微功率无线数传模块进行手持机与主机之间的数据传输，这样可有效延长工作时间;主控机采用不带休眠功能的数传模块。

JZ881数传模块是高集成度的微功率半双工的无线数传模块，其采用高性能射频芯片及高速单片机，模块提供8个频道，工作频率470-510MHz、传输距离1500米（1200bps）、GFSK 的调制方式、透明传输方式、内置看门狗，以保长期可靠运行、UART/TTL、RS232、RS485接口、方便、灵活的软件编程、超大的512bytes数据缓冲区、适合内置式的安装。本设计采用休眠模式的3V供电模块，电压为直流2.7-3.3V，通上电源，模块处于休眠状态，必须由用户控制模块的唤醒脚，模块才可进行收发数据。在软件设计时还增加校验校验检错模式，以便对错误资料重发，提高数据传输的安全性与可靠性。协议为两字节数据。

4 控制系统的硬件设计

4.1 CPU及存储器的确定

采用了STC公司生产的型号STC89LE54RD的单片机为摇控制设备的控制核心，工作电压3V。沿用了经典的MCS-51内核，较于传统的51单片机综合性能高，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。本系统选用11.0592MHz的晶体振荡器、12分频时，机器周期为1us。由于STC89C52芯片内部无能够在关电后继续存储数据的存储器，本文选用了能够在1.8V～6V范围进行擦写的存储器24C02作为设置与运行过程数据的存储。

4.2 数传模块引脚定义及硬件联接

JZ881 模块有J1 接口座，共有6 个引脚，与单片机联接关系定义如表1：

4.3 显示电路设计

选用了4位共阳LED数码管作为显示设备，采用动态显示方式驱动LED数码管。数码管的A-G引脚经过限流电阻与P0端口相连接。P0端口的功能是输出显示数据。P1端口的任务是选择数码管，具体由P1.0、P1.1、P1.2和P1.3控制。由于位控制的电流消耗较大，每位需选用一个PNP三极管驱动连接在数码管的两个公共端。当某位引脚为低电位，相对应的数码管会显示出端口的数据。

4.4 按键电路设计

遥控器按键需要有下降，上升，夹紧，放松，臂升，臂降六个操键，保存，+1，-1三个设置键和取消，设置，单周，自动四个功能键;本设计中，采用复用键模式，将电路设计为六个控制键和三个功能键共九个键，使用P3.2、P3.3、P3.4与P3.5、P3.6、P3.7组成矩阵键盘电路，用以检测，自带上拉电阻。

5 手持器的软件设计

5.1 手持器工作要求

打开电源开关，如控制板上电，测可实现与手持板握手，正常发送灯亮，否则错误发送灯亮;复位按键使程序初始化，并发出停止命令;上电后默认在控制状态，即下降，上升，夹紧，放松，臂升，臂降均处于手动点动控制状态，即按对应按键，控制板上的对应继电器动作;如在控制状态下按单周自动，则设备动作顺序为：下降-放松-下降-夹紧-提升-放松-夹紧;按设置键，设备进入单周自动运行的各时间段的时间设置模式。从1-4分别为：下降时间，上升时间，夹紧时间，移动时间依次增循环选择，按一次设置增1，到4后回1，在设置过程中，按下取消键，直接返回到控制状态;例如下降时间的设置：按设置键，尾数为7时为下降时间设置，此时读出原来的下降时间值，在此基础上，通过+1，-1键增减到所设定的值（差值为1秒）。此时，如按保存键则保存设置值并进入下一个参数，直到4个参数设置完成，即在显示6时，按下保存后进入控制状态，结束设置过程;如按取消键则不保存直接进入控制状态，结束设置过程;在设置状态下，被设置的那个参数通过数码管和下方的指示灯均有显示;开关接通后两分钟内没有操作，设备进入休眠状态，此时电源灯亮，如需操作，需先按一下复位键让设备重新开始运行。

5.2 手持器主程序流程

手持器主程序流程为上电后，首先对器件进行初始化操作，即完成寄存器初始值设定、外围部件初始化等系统配置;读取存储器的的设置数据，并配置。随后发送全停命令，以便与主机握手;随后可进行设制与控制，并将数据值转换为相应BCD码送至显示模块，在LED数码显示管上完成对数值的显示;采用查询方式对键盘进行扫描，通过按键控制向主控制器发送命令控制主机动作。

6 控制系统调试

系统调试包括硬件、软件调试两大部分，其目的是为了及时发现系统设计中的错误和不完善的地方，对其加以修改，以实现系统的正常运作。两台或多台881模块要进行通讯，则各台模块的频率和空中速率必须一致。模块与用户设备要进行通讯，则模块和用户设定的串口参数必须一致。在本设计的软件的编程过程，先使用调试助手对控制器的简单功能进行测试，完成后与主控制器联机调试，并对设备的性能进行进一步的改进，直到成功。

参考文献：

[1]梁景凯，盖玉先.机电一体化技术与设计[M].机械工业出版社，2014.

[2]李梦红，李捍东.基于STC89C52单片机的无线遥控小车设计[J].自动化与仪器仪表，2015（06）.

基金项目：江苏省淮安市科技支撑计划，公路雨水井智能清掏机器人的研究与推广，编号：HAG20120009。

作者简介：赵广义，主要从事：重机电产品设计开发与推广应工作。endprint