基于單片機(jī)的智能掃地機(jī)器人設(shè)計和實現(xiàn)論文設(shè)計

1、第一章 概述1.1 智能掃地機(jī)器人的研究背景2002年，家電公司伊萊克斯推出的三葉蟲智能掃地機(jī)器人，顛覆了人們對掃地的概念。三葉蟲掃地機(jī)器人作為世界第一款量產(chǎn)的智能掃地機(jī)器人，外形采用圓餅形設(shè)計，塑料外殼。在單片機(jī)的控制下，底部的車輪能夠進(jìn)行轉(zhuǎn)動，從而控制掃地機(jī)器人的主要運動。采用了仿生技術(shù)，按照蝙蝠的超聲波技術(shù)，使得掃地機(jī)器人能夠迅速的察覺障礙并且繞開。從2003年開始，iRobot公司和Proscenic公司推出了一系列的產(chǎn)品，主要技術(shù)集中在真空吸塵以及碰撞式運動。2004年重慶大學(xué)智能科學(xué)技術(shù)研究所與寧波波郎電器有限公司合作開發(fā)的室內(nèi)清潔機(jī)器人，能夠沿墻壁行走清掃地面。2007年至今，越

2、來越多的公司推出了一系列的產(chǎn)品，功能也隨之越來越豐富。國產(chǎn)智能掃地機(jī)器人方面，有蘇州怡凱電器的科沃斯、益節(jié)等公司生產(chǎn)的機(jī)器人功能豐富，包括非接觸式、超聲波式、紅外線技術(shù)、無線遙控等技術(shù)。國產(chǎn)品牌的掃地機(jī)器人如浦桑尼克藍(lán)天S、科沃斯DT85G等比較受歡迎。小米公司生產(chǎn)的米家掃地機(jī)器人具有地圖生成、路徑規(guī)劃、自動回充、斷點續(xù)掃等先進(jìn)技術(shù)。目前掃地機(jī)器人有幾大關(guān)鍵技術(shù)支撐，掃地機(jī)器人完成掃地任務(wù)分為幾個步驟，即定位、構(gòu)圖、規(guī)劃、清掃?，F(xiàn)在的掃地機(jī)器人不僅能夠適應(yīng)復(fù)雜的家庭環(huán)境，在清潔效果上也是有巨大的提高。首先是傳感器技術(shù)，掃地機(jī)器人能夠在自身傳感器的測控下，進(jìn)行距離的前進(jìn)以及移動由此可以獨自完成清

3、掃任務(wù)；室內(nèi)定位功能，主流的定位系統(tǒng)則是RPS激光定位系統(tǒng)，能夠?qū)崟r定位變化坐標(biāo)；路徑規(guī)劃技術(shù)，掃地機(jī)器人根據(jù)環(huán)境的變化信息，按照自身優(yōu)化算法，進(jìn)行合理的路徑規(guī)劃引導(dǎo)；吸塵技術(shù)則是通過機(jī)械裝置進(jìn)行真空吸塵，形成巨大氣流旋渦，進(jìn)行除塵動作。1.2 研究的目的與意義智能掃地機(jī)器人將移動機(jī)器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機(jī)地結(jié)合起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境的全自動清潔，能夠代替?zhèn)鹘y(tǒng)的繁重的人工清潔工作，近幾年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機(jī)器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能掃地機(jī)器人比較具體地體現(xiàn)了移動機(jī)器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強(qiáng)的代表性。從市場前景角度講，智能掃地機(jī)器人將大大降低勞動強(qiáng)度、提高勞動效

4、率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機(jī)器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便宜，全區(qū)域蓋, 能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機(jī)器人。使它可以替代傳統(tǒng)的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化、使科技更好地為人類服務(wù)。 1.3 研究的內(nèi)容1.3.1 功能 （1）全自動清掃 （2）防撞、防摔 （3）自動充電1.3.2 性能指標(biāo)（1）輸入電流：1A（2）輸入電壓：13-15V（3）運行速度：12m/min（4）最長工作時間：25min第二章 電路設(shè)計2.1 電源電路本電源采用兩塊LM7805作為

5、穩(wěn)壓電源，一塊為控制電路和傳感器電路供電，另一塊單獨為電機(jī)供電。分開供電這樣做的好處，有利于減小干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。LM7805是常用的三端穩(wěn)壓器件，顧名思義05就是輸出電壓為5v，還可以微調(diào)，7805輸出波紋很小。使用方便，用很簡單的電路即可以輸入一個直流穩(wěn)壓電源。它的輸出電壓恰好為5v，剛好是51系列單片機(jī)運行所需的電壓，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差別，用的最多的還是LM7805。外形如圖2-1所示。1管 腳為輸入端，2管腳為地，3管腳為輸出.圖2-1 外形圖及引腳排列2.1.1 電路原理由于后級電路需要1A左右的大電流用于驅(qū)動各類電機(jī)，查

6、找后發(fā)現(xiàn)E13003完全滿足這要求集電極最大允許電流ICM可以到達(dá)1.5A。由于13003開關(guān)管需要較大的驅(qū)動電流，因此增加了一個Q1三極管與其構(gòu)成達(dá)林頓驅(qū)動管，Q3為控制管，當(dāng)DY引腳為低電平同時總開關(guān)K1閉合時電源部分才能正常供電。DY為高電平時電機(jī)供電部分停止工作。U4單獨為兩個減速電機(jī)和邊刷提供5V電源，由于需要輸出較大的電流，輸入壓降又比較大，因此在輸入端加了一個分壓電阻，降低U4上的電壓，從而降低管耗。U5為MCU和傳感器電路提供穩(wěn)定的5V工作電壓。在正常開機(jī)后連續(xù)保持輸出。電源電路如圖2-2所示。圖2-2 電源電路2.2 總控制電路2.2.1 STC89C52單片機(jī)簡介STC89

7、C52是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能:（1）8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，32位I/O口線，看門狗定時器，內(nèi)置4KBEEPROM，MAX810復(fù)位電路，三個16位定時器/計數(shù)器，一個6向量2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。（2）另外STC89X52可降至0Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。（3）空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。（4）掉電保護(hù)方

8、式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。（5）最高運作頻率35Mhz，6T/12T可選。（6）和atmel的對比 STC89C52RC單片機(jī): 8K字節(jié)程序存儲空間; 512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間; 內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間; 可直接使用串口下載; at89s52單片機(jī): 8K字節(jié)程序存儲空間; 256字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間; 沒有內(nèi)帶EEPROM存儲空間;引腳介紹：1.主電源引腳VCC和VSS電源VCC接+5V，VSS接地端，即公共參考地2.時鐘電路引腳XTAL1和XTAL2STC89C52芯片內(nèi)部設(shè)置了一個反相放大器，XTAL1為放大器輸入端；X

9、TAL2為放大器的輸出端，也是內(nèi)部時鐘發(fā)生器的輸入端。使用自激震蕩方式時，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，內(nèi)部振蕩器按照晶振頻率振蕩，產(chǎn)生時鐘信號。3.控制信號引腳(1)RST復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時，RST引腳出現(xiàn)兩個機(jī)器周期以上高電平將是單片機(jī)復(fù)位。(2)ALE/PROG當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。一般情況下，ALE仍以時鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的脈沖信號，因此它可對外輸出時鐘或用于定時目的。要注意的是：每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時將跳過一個ALE脈沖。（一般不使用）(3)PSEN程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器

10、的讀選通信號，當(dāng)STC89C52由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時，每個機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個脈沖，在此期間，當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，將跳過兩次PSEN信號。(4)EA/VPP外部訪問允許，欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為0000H-FFFFH)，EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平(接Vcc端)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器的指令。FLASH存儲器編程時，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。(5)并行I/O口P0P3端引腳P0口(P0.0P0.7) 8位

11、漏極開關(guān)型雙向I/O端口?？梢宰鳛橥ㄓ肐/O口使用，但必須加上拉電阻。P1口(P1.0P1.7) 內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P2口(P2.0P2.7) 內(nèi)部帶上拉電阻的8位準(zhǔn)雙向I/O端口。P3口(P3.0P3.7) 內(nèi)部帶上拉電阻的8位多功能雙向I/O端口。上面就是STC89C52單片機(jī)引腳的簡單介紹，其它51系列家族的單片機(jī)8031、8051、 89C51等引腳和89S51兼容，只是個別引腳功能定義不同。如圖2-3為51單片機(jī)的引腳分布圖。圖2-3 51單片機(jī)引腳圖2.2.2 總控制電路設(shè)計（1）I/O口定義POO、P01、P02、P12、P13、P14為掃地機(jī)器人防撞信號輸入

12、引腳；P03、P04、P05為防跌落信號引腳；P10為電機(jī)電源控制型號(低電平有效)；P11、P12為電池電壓檢測信號輸入引腳，P11為過放檢測，P12為過充檢測；P23、P24、P24、P26為充電時位置檢測信號輸入引腳；P34、P35、P35、P35為電機(jī)驅(qū)動信號，P34、P35控制左電機(jī)正反轉(zhuǎn)，P35、P35 控制左電機(jī)正反轉(zhuǎn)；P20為兩邊刷電機(jī)控制信號；P21為吸塵器電機(jī)控制信號；P36、P37為晶振信號輸入引腳REST引腳為復(fù)位信號輸入引腳（2） 復(fù)位電路設(shè)計51單片機(jī)高電平復(fù)位。以當(dāng)前使用較多的STC89系列單片機(jī)來說，在復(fù)位腳加高 電平2個機(jī)器周期（即24個振蕩周期）可使單片機(jī)復(fù)

13、位。復(fù)位后，主要特征是各IO口呈現(xiàn)高電平，程序計數(shù)器從零開始執(zhí)行程序。（3） 復(fù)位方式 手動復(fù)位：按鈕按下，復(fù)位引腳得到VCC的高電平，單片機(jī)復(fù)位，按鈕松開后， 單片機(jī)開始工作。上電復(fù)位：上電后，電容電壓不能突變，VCC通過復(fù)位電容給單片機(jī)復(fù)位腳施加高電平5V,同時,通過電阻向電容器反向充電，使復(fù)位腳電壓逐漸降低。經(jīng)一定時間后復(fù)位腳變?yōu)?V,單片機(jī)開始工作。本復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位電路，電阻和電容的阻值根據(jù)時間常熟t=RC求出電 阻和電容的阻值分別為10K與10uF。復(fù)位電路如圖2-4。（4） I/O口電路設(shè)計P0口是雙向指的是它被用作地址/數(shù)據(jù)端口時，只有在這個時候，P0口才處于兩個 開關(guān)

14、管推挽狀態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)管都關(guān)閉時，才會出現(xiàn)高阻狀態(tài)。當(dāng)P0口用于一般I/O口時，內(nèi)部接VCC的那個開關(guān)管是與引腳（端口）脫離聯(lián)系的，這個時候，只有拉地的 那個開關(guān)管起作用，P0口作為輸出，是必須外接上拉電阻的，不然就無法輸出高電平。 因此在P0口上加上一個10K說的排阻。I/0口如圖2-4。圖2-4 總控制電路2.3 防撞電路防撞電路作為掃地機(jī)器人的眼睛，用于檢測前方是否有障礙物，當(dāng)前方有障礙物時, 相應(yīng)的探頭所連接的電路會發(fā)出一個低電平信號給CPU, CPU做出相應(yīng)的動作來控制兩 個輪子的電機(jī)，使機(jī)身始終不撞向障礙物。當(dāng)紅外線對管前方無障礙時，紅外線接收管上的阻值加大，此時R27上的電壓低于

15、 基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓高于同向輸入端，因此輸出高電平。當(dāng)紅外線對管處于有障礙時，紅外線接收管上的阻值降低，此時R28上的電壓高于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓低于同向輸入端，因此輸出低電平。調(diào)節(jié)電位器R33、R35、R36、R7、R8、R9改變參考電壓，可探測距離。防撞電路如圖2-5。圖2-5 防撞電路2.4 電源充電電路電池充電電路用于檢測充電座的位置和充電提示。當(dāng)掃地機(jī)器人上的紅外線接收頭接收到充電座發(fā)出的紅外信號后，向CPU發(fā)出信號, CPU控制電機(jī)，調(diào)節(jié)機(jī)身位置，進(jìn)入充電區(qū)。當(dāng)掃地機(jī)器人與充電座連接后，會產(chǎn)生一個信號提示CPU以開始充電。2.5 驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動電路用

16、于驅(qū)動兩路減速電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、兩路邊刷和一個吸塵器風(fēng)機(jī)。2.5.1 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計L9110 是為控制和驅(qū)動電機(jī)設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個 TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機(jī)的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過 750800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá) 1.5 2.0A； 同時它具有較低的輸出飽和壓降； 內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110 被廣

17、泛應(yīng)用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。表2.1 管腳定義表2.2 電氣特性表2.3 邏輯關(guān)系當(dāng)Q3、Q4、Q5的基級接收到CPU的發(fā)出的高電平后，Q3、Q4、Q5飽和導(dǎo)通，邊刷 和吸塵器電機(jī)開始工作。給低電平時，三極管所控制的電機(jī)就停止工作。J4、J5接邊刷 電機(jī)，J6接吸塵器電機(jī)。當(dāng)1A與1B輸入引腳為10時，電機(jī)正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入為01時電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入為11 或00時電機(jī)停止運行。C5、C6為高頻濾波電容，過濾掉電機(jī)工作時對芯片的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。J3 接左輪電機(jī)，J7接右輪電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動電路如圖2-6。圖2-6 電機(jī)驅(qū)動電路第3章 PCB板的設(shè)計與制作3.1 PCB

18、板的設(shè)計Protel99SE是應(yīng)用于Windows9X/2000/NT操作系統(tǒng)下的EDA設(shè)計軟件，采用設(shè)計庫管理模式，可以進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)設(shè)計，具有很強(qiáng)的數(shù)據(jù)交換能力和開放性及3D模擬功能，是一個32位的設(shè)計軟件，可以完成電路原理圖設(shè)計，印制電路板設(shè)計和可編程邏輯器件設(shè)計等工作，可以設(shè)計32個信號層，16個電源-地層和16個機(jī)加工層3。主電路板包含電源電路、電源充電電路、電機(jī)驅(qū)動電路和防撞電路（如圖3-1）圖3-1 主板電路紅外線充電位置檢測電路如圖3-2。圖3-2 紅外線檢測電路紅外線充電檢測電路圖與光電對管電路如圖3-3。圖3-3 紅外線檢測頭電路3.2 PCB板的制作1、在覆銅板上畫好電路，或把

19、電路畫在透明紙上2、把需要拿掉的銅皮暴露出來，需要留在電路板的銅皮保護(hù)起來，去教學(xué)用品商店里買，有蝕刻用的感光膜和感光藥水。3、將處理好的覆銅板放在腐蝕溶液里，腐蝕時間按說明書。4、沖洗、晾干。第4章 電路焊接電路焊接依據(jù)從小到大，從低到高的原則進(jìn)行焊接。在焊接的時候每個焊點焊接時間應(yīng)該在23秒之間，不得超過4秒，在焊接芯片的時候應(yīng)該增加一個IC坐，先焊IC坐在裝IC,同時得用防靜電烙鐵，以防靜電擊穿芯片。焊點要求圓潤飽滿，成倒錐型，無毛刺、虛焊、假焊。第5章 程序設(shè)計5.1 C語言與匯編語言的優(yōu)缺點C語言編屬于高級語言，具有可移植性，能夠結(jié)構(gòu)化編程。使用標(biāo)準(zhǔn)C語言的程序，幾乎都可以不作改變移

20、植到不同的微機(jī)平臺上，對于嵌入式等的微控制芯片，屬于標(biāo)準(zhǔn)C語言的部分也很少需要修改，而且程序很容易讀懂。 C語言編寫程序結(jié)構(gòu)清晰，移植性好，容易維護(hù)和修改。 匯編語言針對不同的操作系統(tǒng)平臺，不同的微控制器，指令都是完全不同的，即使指令相似，也不具有可移植性。但是匯編語言是針對專門的控制器的，所以運行速度可以精確到一個指令周期。匯編語言的程序讀懂需要借助微控制器的指令手冊以及各個寄存器的說明，所以很難讀懂。 匯編語言編寫代碼實時性強(qiáng)，能夠直接控制硬件的工作狀態(tài)，但是不具有可移植性，維護(hù)和修改困難。5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計該掃地機(jī)器人選用C語言來進(jìn)行編程。由主要程序、防撞程序、自動充電程序等子程序構(gòu)成

21、。5.2.1 主程序系統(tǒng)初始化后就執(zhí)行主程序，進(jìn)入主程序先執(zhí)行電壓檢測程序，如發(fā)現(xiàn)電池電壓不 足，就執(zhí)行充電尋找程序，找到充電座后執(zhí)行充電程序，待電池充滿后返回執(zhí)行主程序。 再進(jìn)行清掃程序，如發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，則執(zhí)行避障程序，避開障礙物后繼續(xù)執(zhí)行清掃程序。程序流程圖如圖5-1。圖5-1 主程序流程圖5.2.2 防撞程序防撞程序用于控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)從而確保機(jī)身不會撞到障礙物，從障礙物的旁邊繞開, 當(dāng)探頭1前方有障礙物時，機(jī)身右轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序；探頭2前方有障礙物時， 機(jī)身右轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序；當(dāng)探頭3前方有障礙物時，機(jī)身反轉(zhuǎn)100ms后左轉(zhuǎn) 100ms壁障程序；當(dāng)探頭4前方有障礙

22、物時，機(jī)身左轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序；當(dāng)探頭 5前方有障礙物時，機(jī)身左轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序。程序流程如圖5-2。圖5-2 防撞程序流程圖5.2.3 充電尋找程序當(dāng)電池電壓處于欠壓時，掃地機(jī)器人關(guān)閉吸塵器與邊刷的電機(jī)啟用充電尋找程序， 在紅外線接收頭沒有收到充電座的紅外發(fā)射信號時，執(zhí)行防撞程序。當(dāng)接受到信號后立馬執(zhí)行充電尋找程序。此時關(guān)閉防撞功能，充電座必須要放在放在沒有障礙物的墻邊。程序流程圖，如圖5-3所示。圖5-3 充電尋找程序流程圖第6章 外殼制作6.1 有機(jī)玻璃有機(jī)玻璃特性：高度透明性。有機(jī)玻璃是目前最優(yōu)良的高分子透明材料，透光率達(dá)到92，比玻璃的透光度高。稱為人造小太陽的太陽

23、燈的燈管是石英做的，這是因為石英能完全透過紫外線。普通玻璃只能透過0.6的紫外線，但有機(jī)玻璃卻能透過73。 機(jī)械強(qiáng)度高。有機(jī)玻璃的相對分子質(zhì)量大約為200萬，是長鏈的高分子化合物，而且形成分子的鏈很柔軟，因此，有機(jī)玻璃的強(qiáng)度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高718倍。有一種經(jīng)過加熱和拉伸處理過的有機(jī)玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進(jìn)這種有機(jī)玻璃，即使釘子穿透了，有機(jī)玻璃上也不產(chǎn)生裂紋。這種有機(jī)玻璃被子彈擊穿后同樣不會破成碎片。因此，拉伸處理的有機(jī)玻璃可用作防彈玻璃，也用作軍用飛機(jī)上的座艙蓋。 重量輕。有機(jī)玻璃的密度為1.18kg/dm3，同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金屬鋁（屬于輕金屬）的43。 易于加工。有機(jī)玻璃不但能用車床進(jìn)行切削，鉆床進(jìn)行鉆孔