单片机串行通信在排水管道清淤机器人中的应用
排水管道自动清淤机器人由行走机构、清淤机构及压紧力调节机构组成,三个机构模块采用分别驱动方式。出于对嵌入性及成本的考虑,采用MCS-51单片机作为清淤机器人的控制器。
一、控制过程及控制系统的功能组成
管道清淤机器人的控制过程为:首先利用提吊装置将清淤机器人下放到排水管道的检查井中。按下启动按钮,起动行走机构电机和清淤机构电机。当清淤机器人进入管道时,压紧力调节机构电机起动,并在压紧力检测值等于设定值时自动停止。当清淤机器人到达下一个检查井口时,清淤电机停止转动,行走电机反向驱动清淤机器人返回。当行至原井口时,压紧电机反转直至调节机构回到原位。延时一段时间、待清淤机器人完全退出管道后,行走电机停止转动。至此,该段管道的清淤工作结束。
为了实现上述控制,管道清淤机器人控制系统需要两个单片机:一个是位于地上电气控制柜中的控制单片机,另一个是嵌入在清淤机器人内的作业单片机,它们之间采用全双工串行通信来完成信息传递。控制单片机接收操作人员的手动控制信号,并通过串行通信口传送给作业单片机。作业单片机接受压力传感器和光电编码器的信号,并输出信号分别控制三个电机的运转。清淤机器人的运行状态信号经由串行通信口传递给控制单片机,并在操作面板上予以显示。
二、MCS-51单片机的串行通信
2.1 串行通信的物理基础
MCS-51单片机具有一个功能很强的全双工串行通信接口,它可以通过软件设定来选择工作方式及通信波特率,串行接收和发送均可触发中断系统,可方便灵活地实现单片机间的数据通信,其连接方式如图1所示。
MCS-51单片机间的串行通信连接
如图1所示,利用RXD/TXD串行口实现两个单片机之间的串行通信,二者之间仅需连接3根线,这样可以大大降低传输成本,非常适合远距离数据通信。
2.2 串行通信的控制
MCS-51单片机串行通信的控制由SCON和PCON两个特殊功能寄存器完成,在用户程序中首先要对其进行初始化以满足通信要求。对于PCON来说,串行通信仅占用其最高位(PCON.7),为波特率选择位。控制寄存器SCON的各位定义如表1所示。
2.3 串行通信的工作方式
MCS-51单片机串行通信有4种工作方式,由SCON控制寄存器的SM0和SM1组合定义。
1．方式0
当软件设置SM0和SM1均为0时,MCS-51串行通信以方式0工作。此方式为外接移位寄存器方式。当工作在方式0时,数据由RXD端口串行地输入/输出,TXD端口输出同步移位脉冲,使外部的移位寄存器移位。波特率固定为 。
2．方式1
当SM0=0、SM1=1时,工作方式为方式1。此方式为8位UART方式,一帧信息为10位,包括1位起始位、8位数据位及1位停止位,由TXD端发送、RXD端接收,为全双工通信模式。波特率可根据通信需要设置。
3．方式2和方式3
当SM0=1时,如果SM1=0为方式2；如果SM1=1为方式3。这两种方式均为9位UART方式,通过TXD发送、RXD接收的都是一帧11位信息,比方式1的串行帧多了一个可编程位(第9位)。方式2和方式3的区别仅在于:方式2的波特率为 (PCON.7=1)或 (PCON.7=0),而方式3的波特率是可变的。
三、利用单片机串行通信实现排水管道清淤机器人控制
3.1 硬件结构及端口功能分配
管道清淤机器人单片机控制系统构成及端口分配如图2所示。其中,“启动”、“急停”和“手动返回”是地面上的操作人员向在地下管道中工作的清淤机器人发出的控制信号,同时清淤机器人也需要将“遇障报警”、“紧急停止”、“到达原井口”及“到达下一个井口”等状态显示给操作人员。清淤机器人一次最长工作距离为
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