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1、1、課題背景及研究的目的和意義1.1 課題背景掃地機器人是服務機器人的一種，可以代替人進行清掃房間、車間、墻壁等。提出一種應用于室內的移動清潔機器人的設計方案。其具有實用價值。室內清潔機器人的主要任務是能夠代替人進行清掃工作，因此需要有一定的智能。清潔機器人應該具備以下能力：能夠自我導航，檢測出墻壁，房間內的障礙物并且能夠避開；能夠走遍房間的大部分空間，可以檢測出電池的電量并且能夠自主返回充電，同時要求外形比較緊湊，運行穩(wěn)定，噪音??；要具有人性化的接口，便于操作和控制。結合掃地機器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設計。1.2 研究目的和意義 ?國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術研究中心邱權博士介紹說，掃地
2、機器人可以看作是一種智能吸塵器，通過其基于傳感器檢測的智能運動規(guī)劃算法使原本由人操作的吸塵器成為一個可自主運行的智能化設備。它通過各種傳感器，比如碰撞開關、紅外接近開關、超聲傳感器、攝像頭等，來感知自身的位置和狀態(tài)，通過智能算法決定當前的任務狀態(tài)。它可以根據(jù)某個傳感器檢驗地面清潔程度，根據(jù)歷史信息確定哪些區(qū)域已經(jīng)打掃過，它的充電座會發(fā)出紅外線信息，在電量低于一定值后，它開始尋找紅外信息來自動充電。防跌落是基于機器人底部所安裝的紅外傳感器檢測地面的距離，當距離發(fā)生變化時機器人將停止并改變路線。由于掃地機器人是一個智能化產(chǎn)品，1.3 工作原理掃地機器人機身為可移動裝置，機器人依托紅外識別以及超聲波
3、測距從而避障，配合芯片控制內部電機轉動以及內部真空環(huán)境吸塵，通過路線設計，在室內自由行走，由中央主刷旋轉清掃，并且輔以邊刷，沿直線或者之字形活動路徑打掃。2、設計要求與內容1）以 AT89S52 系列單片機為核心設計移動清掃機器人電機驅動與控制電路，采用紅外傳感器和超聲波傳感器完成障礙物檢測電路設計，完成充電站檢測電路設計，完成避障算法與路徑規(guī)劃算法設計。2）按鍵選擇清掃模式和充電模式。3）顯示方式 LED 顯示當前時間和機器人當前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設計3.1 設計任務1）利用 AT89S52處理器編程實現(xiàn)電機驅動。2）液晶顯示掃地機器人的內部參數(shù)。3）當掃地機器人顯示電量不足時，無線模塊
4、發(fā)送命令到充電樁，開始進行充電模式，此時紅外發(fā)射光線充電樁與掃地機器人充電接口對接，此時超聲波實時測量兩者之間的距離控制掃地機器人與充電樁之間的距離，防止速度過快損毀機器。4）按鍵實現(xiàn)充電，清掃，停止3 種模式對掃地機器人進行模式的切換。5）用 protel繪制詳細電路原理圖，標明元器件的型號、參數(shù)和引腳功能符號，電路圖應符合電氣要求。3.2 系統(tǒng)整體框圖紅外電壓控制超聲波驅動AT89S52按鍵TFT液晶 屏無線模塊3.3選擇方案論證3.3.1 單片機選擇方案論證方案一：使用公司的AT89S52作為主控制器。 AT89S52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Flas
5、h存儲器。使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè)80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8 位CPU和在系統(tǒng)可編程Flash ，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。方案二：綜上所述，選擇方案一，價格適中，可操作性強，且現(xiàn)在使用AT89S52也是一種難度適中的選擇。3.3.2驅動芯片選擇方案論證方案一： 6612 芯片？方案二： ULN2003是一個非門電路， 包含 7 個單元，各二極管的正極分別接各達林頓管的集電極。用于感性負載時，該腳接負載電源正極，起續(xù)流作用（
6、在感性負載中，電路斷開后會產(chǎn)生很大的反電動勢，為防止損壞達林頓管，接反相的二極管來構成通路，使之轉換為電流）。另外二極管的作用，驅動電流斷開時，電機內的電感產(chǎn)生很大的反電動勢，每一個單元的二極管都與三極管的集電極相連，產(chǎn)生反電動勢時就構成了放點回路，從而保護了三極管。?方案三：使用東芝半導體公司TB6612FNG驅動芯片。 TB6612FNG體積小，發(fā)熱小，不需要加散熱片，外圍電路比較簡單，只需要外接電容就可以直接驅動電機。綜上所述，選擇方案一和二，體積小，電路簡單，所以選擇 L298 作為移動驅動電路，選用 ULN2003作為清掃電機驅動電路。3.3.3 無線模塊選擇方案論證方案一：選用RF
7、903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達到500 米，兼具了低功耗和遠距離的要求、另外性能強大，增加了電源切斷模式、可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能、抗干擾能力強。方案二：選擇 NRF24l01無線模塊，此模塊的體積小，但功耗大綜上所述，選擇方案一，價格低，受環(huán)境溫度小，綜合性能更強，所以選擇。3.3.4 時鐘模塊選擇方案論證方案一：采用點陣式數(shù)碼管顯示，點陣式數(shù)碼管是由八行八列的發(fā)光二極管組成，對于顯示文字比較適合, 如采用在顯示數(shù)字顯得太浪費, 且價格也相對較高, 所以也不采用此種作為顯示 .方案二：采用 TFT液晶顯示屏 , 液晶顯示屏的顯示功能強大, 顯示尺寸小巧 , 管腳占用少，適合單片機特點
8、。3.4 硬件電路設計3.4.2 獨立式鍵盤設計綜合掃地人的無線控制，功能模塊分為清掃模式，自動充電模式，暫停三大塊，所以應該有按鍵供選擇。獨立式鍵盤設計結構簡便，設計可靠。獨立式按鍵比較簡單，它們各自與獨立的輸入線相連接，如圖所示。獨立式按鍵原理圖4 條輸入線接到單片機的IO口上，當按鍵 K1 按下時， +5V 通過電阻 R1 然后再通過按鍵 K1 最終進入 GND 形成一條通路， 那么這條線路的全部電壓都加到了R1 這個電阻上， KeyIn1 這個引腳就是個低電平。當松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通過，那么 KeyIn1 和 +5V 就應該是等電位， 是一個高電平。 我們就可以通過 K
9、eyIn1 這個 IO 口的高低電平來判斷是否有按鍵按下。3.4.3 蜂鳴器報警電路如圖所示，因 GPIO口輸出電流有限， 而蜂鳴器在蜂鳴時需要較大的電流， GPIO輸出口無法滿足要求。而 8550 最大可提供 1A 的輸出電流，足以驅動蜂鳴器。所以，我們用GPIO口來控制 8550 的導通與截止，從而來控制蜂鳴器。當向 F1 寫入邏輯 1 時， F1 輸出高電平（ +3.3V），8550 的基極電流為0，此時 Q1處于截止狀態(tài)，電源不能加到蜂鳴器的正極上，蜂鳴器不能蜂鳴；當向 F1 寫入邏輯 0 時， F1 輸入低電平（ 0V）， 8550 的發(fā)射極和基極之間產(chǎn)生電流，此時 Q1導通，蜂鳴器
10、開始蜂鳴。3.4.4 移動驅動電路L298 內部的原理圖L298 引腳符號及功能引 腳功 能SENSA、 SENSB分別為兩個 H 橋的電流反饋腳，不用時可以直接接地ENA 、ENB使能端，輸入 PWM信號IN1、 IN2、 IN3、IN4輸入端， TTL 邏輯電平信號OUT1、OUT2、 OUT3、 OUT4輸出端，與對應輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源， 4.57VVSS電機驅動電源，最小值需比輸入的低電平電壓高GND地L298 的邏輯功能IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止當使能端為高電平時， 輸入端 IN1 為 PWM信號 ,IN2 為低電平信
11、號時 , 電機正轉；輸入端 IN1 為低電平信號， IN2 為 PWM信號時 , 電機反轉 ;IN1 與 IN2 相同時 , 電機快速停止。當使能端為低電平時 , 電動機停止轉動。在對直流電動機電壓的控制和驅動中，半導體功率器件(L298) 在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅動方式和開關驅動方式在線性放大驅動方式。半導體功率器件工作在線性區(qū)優(yōu)點是控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，缺點為功率器件工作在線性區(qū)，功率低和散熱問題嚴重。開關驅動方式是使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈調制（PWM）來控制電動機的電壓，從而實現(xiàn)電動機轉速的控制。3.4.5 清掃電機驅動電路高耐壓、
12、大電流復合晶體管ICULN2003，ULN2003 是高耐壓、大電流復合晶體管陣列，由七個硅 NPN 復合晶體管組成該電路的特點如下：ULN2003 的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K 的基極電阻 , 在 5V 的工作電壓下它能與TTL 和 CMOS電路直接相連，可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器來處理的數(shù)據(jù)。ULN2003 工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。ULN2003 采用 DIP16 或 SOP16 塑料封裝。ULN2003內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅動繼電器。 它是雙列16 腳封裝 ,NP
13、N 晶體管矩陣 , 最大驅動電壓 =50V,電流 =500mA,輸入電壓 =5V,適用于 TTL、COMS，由達林頓管驅動電路。ULN 是集成達林頓管IC，內部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管。它的輸出端允許通過電流為200mA，飽和壓降 VCE 約 1V 左右，耐壓 BVCEO約為 36V。用戶輸出口的外接負載可根據(jù)以上參數(shù)估算。采用集電極開路輸出，輸出電流大，故可直接驅動繼電器或固體繼電器，也可直接驅動低壓燈泡。通常單片機驅動ULN2003時，上拉 2K的電阻較為合適，同時， COM引腳應該懸空或接電源。ULN2003是一個非門電路，包含 7 個單元，單獨每個單元驅動電流最大可達500m
14、A，9 腳可以懸空。比如1 腳輸入， 16 腳輸出，你的負載接在VCC與 16 腳之間，不用 9 腳ULN2003 是高壓大電流達林頓晶體管陣列系列產(chǎn)品, 具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點, 適應于各類要求高速大功率驅動的系統(tǒng)。3.4.6 超聲波測距模塊基于超聲波距離傳感器的避障:目前市場也有一部分掃地機器人采用超聲波傳感器實現(xiàn)避障。超聲波傳感器與紅外傳感器之間的區(qū)別在于，紅外線感應屬光學感應技術，超聲波感歸屬于聲學感應系統(tǒng)的范疇 。超聲波音頻發(fā)射頭能夠發(fā)出超過20KHz 的音頻信號，音頻信號碰到障礙物后會反彈回波，機器人的接收器可以接受障礙物反彈的回波并通過分析回波
15、信號判斷前方有無障礙物。超聲波感應技術最大的優(yōu)點是對透明類障礙物具有很高的識別率，而且可以正確識別任意顏色的障礙物，即使在全黑環(huán)境下也能正常工作。3.4.7 紅外模塊紅外線檢測技術的優(yōu)點：技術成熟、成本低廉、使用壽命長和工作可靠性高。一對優(yōu)質的紅外線對管價格低廉，而且具有工作壽命長和電氣性能穩(wěn)定等優(yōu)點。紅外線本身屬于不可見光，完全可以在黑暗環(huán)境中正常工作，在日常清潔使用中具備較高的工作可靠性。紅外線檢測技術的缺點：紅外線對透明或半透明的障礙物具備較強的穿透性，機器人將無法感應到礦泉水瓶、落地式玻璃門等物體。此外，光波具有最易被黑色物體吸收而被白色物體反射的特性。通常情況下，采用該檢測技術的掃地
16、機器人在深色障礙物前，無法正確接收到紅外反射信號。雖然紅外線檢測技術存在一些缺點，但是作為目前最成熟的障礙物檢測技術，它仍然將在相當長的一段時間內存在，縱觀目前市場上銷售的掃地機器人產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機器人采用紅外傳感器與碰撞傳感器融合方式實現(xiàn)避障。采用這種技術的產(chǎn)品特征為：在機器人的碰撞欄前端有一圈茶黑色感應窗，傳感器安裝在感應窗內部。該檢測系統(tǒng)的檢測原理為：機器人工作過程中遇到障礙物時，紅外傳感器發(fā)射的光波會因為受到阻礙而產(chǎn)生回波，機器人內部紅外接收器檢測到回波后，會認為前方存在障礙物，即命令減緩機器的前進速度以慢速碰撞障礙物，確定障礙物的位置后進行避障行為?；诩t外線與碰撞傳感器
17、障礙檢測系統(tǒng)是目前掃地機器人中最為成熟也是使用范圍最廣的障礙檢測系統(tǒng)技術3.4.8 無線通信模塊RF903模塊性能及特點：1) 433MHz開放 ISM頻段免許可證使用2) 最高工作速率 50kbps，高效 GFSK調制 , 抗干擾能力強 , 特別適合工業(yè)控制場合3) 125 頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內置硬件 CRC檢錯和點對多點通信地址控制4) 低功耗 3-3.6V 工作，待機模式下狀態(tài)僅為 2.5uA，TXMODE在+10dBm情況下，電流為40mA；RXMODE為 14mA;收發(fā)模式切換時間 650us5) 模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示 ) ，
18、可直接串接各種單片機使用，軟件編程非常方便6) 增加了電源切斷模式，可以實現(xiàn)硬件冷啟動功能7) SPI 兼容的控制接口，低功耗任務周期模式，自帶喚醒定時器，與 RF905SE編程接口類似8) 增加了 RSSI 功能，通過 SPI 接口可以獲取當前接收到的信號強度 (0-255) ，可以供當前設備做出決策，比如低于某個數(shù)值 50 可以報警，提示用戶當前信號質量比較低等9) 作為微功率模塊，傳輸距離能達到 500 米，兼具了低功耗和遠距離的要求3.4.9 電量剩余檢測電路檢測電池剩余電量使用ADC模塊，此模塊是 12 位逐次逼近型的模擬數(shù)字轉換器。逐次逼近型模數(shù)轉換器基本工作原理是轉換開始前先將所
19、有寄存器清零。開始轉換以后，時鐘脈沖首先將寄存器最高位置成1，使輸出數(shù)字為1000。這個數(shù)碼被數(shù)模轉換器轉換成相應的模擬電壓U0，送到比較器中與Ux 進行比較。若U0Ux，說明數(shù)字過大了，故將最高位的 1 清除；若 U0Ux ，說明數(shù)字還不夠大，應將最高位的 1 保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成 1，并且經(jīng)過比較以后確定這個 1 是否應該保留。 這樣逐位比較下去，一直到最低位為止。 比較完畢后，寄存器中的狀態(tài)就是所要求的數(shù)字量輸出?？梢娭鸫伪平D換過程與用天平稱量一個未知質量的物體時的操作過程一樣，只不過使用的砝碼質量一個比一個小一半。如下圖，當采用壓電阻將輸入的電壓從12V 分壓至 5
20、V 或者 3.3V 以內，然后輸入到AD轉換模塊，為了保護轉換模塊的安全。輸入的電壓經(jīng)過鉗位保護電路后進入 AD模塊。由于此轉換模塊是 10 位的 AD模塊，進入之后得到數(shù)字量，然后進過計算可以得到電池的實際電壓， 實際電壓 =數(shù)字量 *Vi*3/4096 ，vi 是當電池充滿電時， 輸入到芯片的最大電壓。通過這種方式就能夠計算出電池的剩余電量。降壓電路DF1117 系列穩(wěn)壓器可提供1A 直流輸出 , 它可運行在輸入輸出相差1V 的環(huán)境下。在最大輸出電流時，電壓差設計可提供最大為1.3V，且它隨著輸出電流的減小而減小。芯片焊接校準為參考電壓的1%。這種限流起到平衡的作用，調整器和電源電路使超負
21、載最小化。DF1117 兼容了其它三終端的系統(tǒng)接口， 并提供了 SOT-223和 TO-252兩種封裝形式。特性：三端可調整電壓或穩(wěn)壓為 1.5V 、1.8V、 2.5V 、2.85V 、3.3V 和 5.0V，輸出直流為 1A，工作在電壓差為 1V，線路調整率：最大 0.2%，負載調整率：最大0.4%，封裝形式： SOT-223和 TO-252應用范圍：高效率線性標準器、快速整流校準器、5V 到 3.3V 的線性校準器、電池充電器、現(xiàn)行小型計算機系統(tǒng)接口終端、筆記本的電源設備電池動力儀器。液晶顯示屏全新 1.8 寸串口 SPI 彩屏模塊、分辨率： 128X160、驅動 IC ：ST7735、
22、模塊接口： 4 線 SPI 接口、支持模擬 SPI 和硬件 SPI、最少只需 4 個 IO 即可驅動 .本模塊特點：1. 支持 Arduino 各種單片機直插，無需任何接線2. 集成穩(wěn)壓 IC，支持 5V 或者 3.3V 供電3. 板載電平轉換方案，真正可完美兼容 5V/3.3VIO 電平，支持各種單片機 IO 連接4. 集成 SD卡擴展電路，5. 預留 SPIFLASH字庫電路，方便擴展應用3.5 軟件設計初始化各模塊調用轉換模塊檢測電路電量是否足夠YN調用液晶顯示蜂鳴器持續(xù)報警程序顯示電量自動尋回充電清掃按鍵按下輸出 PWM波啟動移動電機調用編碼器程序控制移調用轉換模塊檢測電路動電機轉速轉速過快轉速過慢增大 PWM輸出充電按鍵按下減少 PWM脈沖輸出啟動 RF903發(fā)出充電信號是否收到信號YN調用液晶顯示調用液晶顯示調用小車自旋轉程序程序未準備好程序已準備好啟動紅外接收程序Y是否收到N紅外信號停止自旋轉，控制小車按下停止模式按鍵 繼續(xù)自旋轉運行，完成充電對接關閉清掃電機關閉移動電機關閉中斷服務程序
智能掃地機器人課程設計
