单片机串行通信在排水管道清淤机器人中的应用

随着我国国民经济的迅速发展，人们的环保意识日益增强，市政环卫工作也日益受到关注。目前，我国城市排水管道清淤工作仍普遍处于人工作业的落后状况，不但体力繁重、环境恶劣，而且管道中的腐烂物释放出来的硫化氢、甲烷、二氧化碳等有害气体给从事清淤作业的工人的身体带来极大的损害；某些生产污水还会析出石油、汽油或苯等气体，当气体浓度过大时，如遇到火花即可引发爆炸事故，这将给工人的人身安全带来极大的威胁。基于这一背景，并在河北省教育厅的大力支持下，我们研制了排水管道自动清淤机器人。 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。 表1 SCON位格式定义 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50m，因此连接电缆的长度应大于50m。 图2 排水管道清淤机器人控制系统组成 很显然，利用RXD(P3.0)和TXD(P3.1)在两个单片机之间实现串行通信的优点在于：一是可以大大降低传输成本。如果通过电缆在单片机和控制面板之间直接传送上述信号的话，需要七芯电缆，而采用串行通信方案仅需三芯电缆，其成本优势显而易见；二是由于电缆芯数减少使得电缆拖动力大大降低，这对于电动机的选择十分有利。 3.2 串行通信的设计与实现 管道清淤机器人的控制需要两个单片机，即位于地面的控制单片机及嵌入机器人内部的工作单片机，二者之间有相互传递信息的需要，因此应采用全双工数据传送方式。 根据串行工作方式的特点分析，方式1、2、3均可以建立两个MCS-51单片机之间的全双工串行通信。因此，清淤机器人单片机控制的设计为设置串行口工作于方式1，以中断方式完成接收和发送数据工作。这一功能通过检测SCON的RI和TI位来实现。 四、结束语 该课题所设计的清淤机器人用于完成φ300~500mm排水管道的自动清淤工作。由于机器人的作业空间局促，加之工作环境十分恶劣，因此必须采用可靠性高、运行稳定、体积小的控制器，MCS-51单片机正具备了这些特点。另外，MCS-51串行通信仅需一对物理传输线，满足了降低传输成本、减少电缆拖动力影响的要求，这对于一次作业最长距离为50m的管道清淤机器人来说非常有利。 参考文献： [1] 谢宜仁. 单片机实用技术问答. 北京:人民邮电出版社. 2003. [2] 张国勋，孙海. 单片机原理及应用. 北京:中国电力出版社.2004.