基于AT89S52的电动清扫车随速清扫控制系统的研究

马建伟，鲁民巧

（邢台职业技术学院汽车工程系，河北 邢台 054000）

引言

电动路面清扫车是环卫设备之一，是一种集路面清扫、垃圾回收和运输为一体的新型高效清扫设备，能够提高劳动效率，降低工人的劳动强度，它在保证城市卫生质量中发挥着不可或缺的作用，然而针对目前空气污染的加剧，采用电驱动是降低清扫车对环境污染的主要途径[1]。电动清扫车清扫刷是依靠电动机来带动的，然而目前的电动清扫车清扫刷的转速是固定不变的，由于转速不能够调节，当车速快时，就会出现转速慢而引起的清扫不彻底，当车速慢时，会出现过度的扬尘。因此设计一套能够根据车速调节清扫刷转速的控制系统十分必要。

1 清扫车随速清扫控制系统的组成和原理

道路清扫车随速清扫控制系统，包括主控芯片，带动清扫刷旋转的清扫直流串励电动机，用于检测汽车行驶速度的测速模块、控制直流串励电机转速的脉宽调制调速模块，驱动电路和电源模块。如图1所示。测速模块采集车速传感器发出的车速信号将将车速信号转化为主控芯片所需的信号并传递给主控芯片，主控芯片根据测速模块提供的信号输出给脉宽调制调速模块信号，脉宽调制调速模块接收主控芯片的信号，并输出给驱动电路，驱动电路接收脉宽调制模块的信号，并根据脉宽调制模块的信号改变输入清扫直流串励电动机的平均电流，以控制清扫电机的转速。该系统可以自动的根据电动道路清洁车的行驶速度，改变清扫直流串励电动机的转速，从而改变清扫刷的旋转速度，实现对道路的有效清扫。

图1 道路清扫车随速清扫控制系统结构框图

2 系统硬件设计

整个系统采用模块化设计，硬件结构由主控芯片、直流串励电动机、测速模块、脉宽调制调速模块、驱动电路等模块组成。

2.1 电源模块设计

道路清扫车的电源系统为传统的12V直流电源，而系统所需要的电压为＋5V，因而需要通过DC-DC电源模块将12V电源变为5V。DC/DC转换器分为三类：升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM 控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用，尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制，且在重负载时自动转换到PWM控制[2]。由于道路清扫车的清扫系统是一种长时间工作的，因此本系统中选用降压、PFM 控制型 DC/DC转换器。型号为 ACT4088，ACT4088是一个电流模式降压型DC/DC转换器，可提供高达1.5A的成从5V至 12V输入。1.4MHz的开关频率允许使用小型外部元件，内部循环补偿提供简单，稳定的电力电力供应用最少的外部元件供应用最少的外部元件。ACT4088接线原理图如图2所示。

图2 ACT4088接线原理图

2.2 主控芯片设计

系统主控芯片选用单片机AT89S52为中心控制器[3]，控制系统采用5V 电源供电，单片机核心控制模块主要实现以下功能：①获取测速模块输入的车速信号；②给脉宽调制调速模块提供调速信号。AT89S52单片机的引脚如图3所示。

图3 AT89S52单片机引脚

2.3 脉宽调制调速模块

本设计采用集成芯片 L293D 及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。通过单片机的接口，利用PWM控制电机的转速及其加减速[4]。电路原理如图4 所示。

图4 PWM调速模块设计原理

2.4 电机驱动电路

由于清扫车的清扫电机是大功率的直流串励电机，因此，需要加入驱动电路以承受大的电流，驱动电路如图5所示，Q1、Q2为 NPN 型三极管，Q3、Q4、为 PN P 型三极管。POLE1连接脉宽调制调速模块，当 POLE1 输入高电平，Q1、Q2、Q3、Q4同时导通，此时直流串励电机工作，电机的转速由POLE1输入的高电平占空比决定[5]。

2.5 测速模块设计

测速模块将车速传感器发出的连续的模拟信号变成单片机芯片所需要的离散的数字信号，并且进行相应的处理，将经处理的信号准确及时的传递给单片机。该测速模块采用A/D转换模块主芯片为LM331[6]。电路原理图如图6所示。

图6 测速模块电路原理图

3 系统软件设计

为节省微处理器程序存储器空间, 本系统采用多层嵌入、多层相互使用精简程系统，程序设计主要采用C 语言编程。整个程序设计包括：主程序设计、速度采集子程序设计、转速控制子程序设计。速度采集子程序保证每秒测速一次。其主程序设计流程框图如图7所示。

图7 主程序流程

4 系统测试

根据设计的软硬件，搭建测试平台，模拟不同的车速，对系统进行测试，测试结果如表1所示。

表1 不同车速下的电机转速

通过以上的实验数可知，当车速增加时，对应清扫电机也相应的转速提高，基本实现了清扫刷的随速控制。

5 结束语

本系统用单片机 AT89S52 作为直流电机调速系统的控制核心，来实现对道路清扫车清扫电机的随速智能控制，利用A/D转换模块实现车速采集，用PWM 调速方式控制直流电机转动的速度，并可以自动调节速度至程序预先设定的速度，可以通过不同车速进行道路试验，修改程序参数，实现高效彻底的道路清扫，方便实用。整个系统的电路逻辑结构简单，可靠性能高，实现功能强。

[1] 刘姣娣.清洁车研究的技术难点与对策分析[J].机械管理开发.2012(2).

[2] 王兆安.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.

[3] 鲁伦文,孟凤果.单片机原理与应用[ M] .北京:北京科学技术出版社,2010.

[4] 许晓峰.电机及拖动[ M].北京:高等教育出版社,2005.

[5] 刘桂兰,蔡翰志.基于 ST C12C2052 的直流电机调速及控制系统的设计与应用[J].甘肃联合大学学报.2011,( 25)2.

[6] 何献忠,凌云.基于 LM331和单片机的数据采集控制[J].机电产品开发与创新.2006(6).