喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 喜歡就充值下載吧。。資源目錄里展示的文件全都有，，請(qǐng)放心下載，，有疑問(wèn)咨詢QQ:414951605或者1304139763 ======================== 機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)系統(tǒng) 機(jī)器人在近海石油和天然氣工業(yè)中的應(yīng)用 第二部分回顧 Amit Shukla ?, Hamad Karki 石油學(xué)院,阿布扎比,阿拉伯聯(lián)合酋長(zhǎng)國(guó) 亮點(diǎn) l 我們報(bào)告技術(shù)審查的機(jī)器人用于近海石油和天然氣工業(yè)。 l 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、生產(chǎn)結(jié)構(gòu)和檢驗(yàn)等需要來(lái)自的遙控操作裝置幫助。 l 對(duì)于水下檢驗(yàn)、焊接和操縱離岸地區(qū)至關(guān)重要。 l 遙感,預(yù)防和清理漏油事件需要機(jī)器人監(jiān)控。 l 安全和生產(chǎn)率傳送機(jī)器人是這個(gè)行業(yè)的未來(lái)。 文章歷史：網(wǎng)上2015年9月25日 摘要 隨著城市化和工業(yè)化的世界日益增長(zhǎng)的人口，石油和天然氣需求也在不斷增長(zhǎng)。全球巨型油田的產(chǎn)量在不斷下降,而這種情況正創(chuàng)造對(duì)尋找新的常規(guī)和非常規(guī)化石儲(chǔ)備的需要。隨著主要陸上和淺灘離岸的陡峭損耗，化石燃料的油田新搜索向深水和超深海上油田邁進(jìn)。 顯然，新的資源位于極端的難以達(dá)到環(huán)境條件中。艱難的海上石油勘探、開發(fā)和生產(chǎn)對(duì)人類健康、安全與自然環(huán)境有著許多嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，因此,需要復(fù)雜的技術(shù)創(chuàng)新來(lái)支持日益增長(zhǎng)的能源需求。 在海上石油平臺(tái)上爆發(fā)的最大深水地平線石油泄漏事故是個(gè)明顯的例子，人類不能冒險(xiǎn)讓類似事件再次發(fā)生。因此,推進(jìn)鉆井系統(tǒng)的開發(fā),更準(zhǔn)確、智能的檢查機(jī)制,快速響應(yīng)不幸事故和有效的損害控制系統(tǒng)是使未來(lái)更安全所需要的。機(jī)器人成功地在太空和制造行業(yè)實(shí)現(xiàn),是一個(gè)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)援助的重要例子。在可預(yù)見的未來(lái)自動(dòng)化是實(shí)現(xiàn)石油安全采集和安全生產(chǎn)的唯一選擇。操控?zé)o人鉆井和生產(chǎn)平臺(tái)、遠(yuǎn)程操作車輛機(jī)械,智能水下機(jī)器人，水下焊接、焊接機(jī)器人等雙脫殼船舶和水下機(jī)械手是機(jī)器人技術(shù)了的關(guān)鍵所在，在現(xiàn)代這種技術(shù)平穩(wěn)地使近海鉆井平臺(tái)從淺水到深海?？紤]產(chǎn)品的敏感性和環(huán)境中的苦難, 大部分的這些技術(shù)屬于半自治的范疇，人類操作員在整個(gè)操作過(guò)程中不斷地提供認(rèn)知援助以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的安全執(zhí)行。本文總結(jié)了目前在海上石油和天然氣設(shè)施中使用的關(guān)鍵機(jī)器人技術(shù) 關(guān)鍵詞：機(jī)器人；自動(dòng)化；水下機(jī)械手；水下焊接；生產(chǎn)結(jié)構(gòu)；無(wú)損檢測(cè)；遙控操作裝置；自主水下載具；無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 2015年愛思唯爾保留所有權(quán) 1介紹 為緊跟工業(yè)化的步伐，能源的需求量在不斷增加，就需要新型化工燃料。為了滿足現(xiàn)在的能源挑戰(zhàn)，非常規(guī)能源的效率低下或是無(wú)關(guān)緊要的,因此我們目前能源需求的80%左右是由化石燃料其中50% - -60%是來(lái)自石油和天然氣[1,2]。交通運(yùn)輸行業(yè)消耗最多的化石燃料,因?yàn)槟軌虼婺茉慈剂系碾姵亍⑻?yáng)能電池能量密度相比非常低。隨著單一資源快速枯竭,在更多的極端條件下如深水,炎熱的沙漠和北極區(qū)等發(fā)現(xiàn)了新油田石油產(chǎn)品[3]。隨著陸上生產(chǎn)的減少、海上原油生產(chǎn)已從1940年的每天1百萬(wàn)桶石油當(dāng)量到2009年的每天24百萬(wàn)桶石油當(dāng)量 [4]。隨著供應(yīng)的減少和要求的增加,現(xiàn)在石油和天然氣公司也嘗試新的非常規(guī)石油儲(chǔ)備如重油、致密氣、頁(yè)巖氣、煤層氣等?，F(xiàn)代經(jīng)濟(jì)對(duì)原油的成本、質(zhì)量和數(shù)量高度敏感，因?yàn)樗梢郧宄磻?yīng)原油價(jià)格下跌導(dǎo)致世界其他非石油商品價(jià)格下降[5 - 7]。這原油價(jià)格下跌是由于主要通過(guò)水力壓裂法汽油產(chǎn)量的增加,主要發(fā)生在美國(guó)[7]。盡管水力壓裂法會(huì)造成嚴(yán)重的地下水污染，,噪聲污染,空氣質(zhì)量退化和未來(lái)地震等的潛在危險(xiǎn)。但是相對(duì)的論點(diǎn)是水力壓裂技術(shù)能夠迅速得到發(fā)展并成熟應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)?？傮w本質(zhì)是要求更高的能量不能被忽略,因此促進(jìn)更好地管理現(xiàn)有資源和安全技術(shù)的探索未來(lái)困難的資源是成功的關(guān)鍵。 大量報(bào)道表明墨西哥灣漏油事件[8]導(dǎo)致了無(wú)數(shù)的海洋物種的嚴(yán)重危機(jī),許多公司員工失去了生命,當(dāng)?shù)貪O民的生活被永久破壞和操作公司英國(guó)石油(BP)卷入了許多法律訴訟[9]。調(diào)查人員發(fā)現(xiàn),有一個(gè)無(wú)視警告信號(hào)的循環(huán)模式,未能分享信息,普遍缺乏對(duì)其中涉及的風(fēng)險(xiǎn)[10]。這事故對(duì)石油和天然氣工業(yè)是一個(gè)巨大的挫折，同時(shí)時(shí)人類已知?dú)v史上最大的環(huán)境危機(jī)而幾十年來(lái)嚴(yán)重影響無(wú)數(shù)的物種。但這一不幸事件不僅在政府、學(xué)術(shù)界和環(huán)保人士也在對(duì)未來(lái)戰(zhàn)略安全勘探和生產(chǎn)化石燃料的石油和天然氣行業(yè)的主要參與者間引發(fā)了非常嚴(yán)重的爭(zhēng)論[11]。深水鉆井勘探鉆井非常具有挑戰(zhàn)性,因?yàn)殂@孔工作是在冷,深而極高壓環(huán)境之下。在深地平線石油泄漏的情況下,海底天然氣的極限壓力在剛建成的混泥土中心產(chǎn)生了一條裂縫。天然氣通過(guò)縫隙進(jìn)入氣體鉆井立管,然后進(jìn)入工作區(qū)并點(diǎn)燃,導(dǎo)致11人死亡,17人受傷。工人們?cè)谂せ钽@井防噴器(防噴器)時(shí)試圖關(guān)閉礦井但不幸失敗了。這種安全機(jī)制被設(shè)計(jì)來(lái)在失敗的情況下關(guān)閉中石油，但在最后一分鐘的危機(jī)時(shí)刻并沒有成功。在這次事故中大約2億加侖的石油泄漏在深水區(qū)，這對(duì)海洋生命造成了可怕的污染[12]。將近290萬(wàn)公升海水化學(xué)分散劑被倒進(jìn)被石油和天然氣污染的海水中 (13、14)。這起石油泄漏事件變得更加嚴(yán)重,因?yàn)樾孤┌l(fā)生在1511米深的深水區(qū)域，而且,沒有現(xiàn)成的技術(shù)能夠立即控制這樣一個(gè)深地下水平的泄漏。先進(jìn)的工業(yè)遙控車（ROV）從希林機(jī)器人、水下機(jī)器人（AUV）和UAV（無(wú)人機(jī)）被用來(lái)做海底調(diào)查和遙感地下潛油，為石油泄漏[13,15]污染做出精確分析。在他們的內(nèi)部報(bào)告本身BP了傷害和巨大的努力參與整體清洗操作說(shuō)明'' 2010最高程度的一瞥，救災(zāi)工作涉及約48000人的動(dòng)員，約6500艘，約2500英里的部署協(xié)調(diào)（1350萬(wàn)英尺）的繁榮包含或吸收油。截至2014年12月底,英國(guó)石油已經(jīng)花費(fèi)了超過(guò)140億美元和人員投入7000萬(wàn)多名人員小時(shí)響應(yīng)和清理活動(dòng)。2014年4月美國(guó)海岸警衛(wèi)隊(duì)結(jié)束剩余的活躍在“深水地平線”地區(qū)清理行動(dòng)(16、17)。繼歐洲的幾個(gè)可怕石油泄漏危機(jī)后,歐洲委員會(huì)已經(jīng)資助幾個(gè)研究項(xiàng)目，主要研究智能機(jī)器人技術(shù)以創(chuàng)新石油泄漏管理(18、19)。 從那之后,大多數(shù)大型陸上油田產(chǎn)量下降,總體供應(yīng)的原油從陸上儲(chǔ)備現(xiàn)在趨于平穩(wěn)(4,21), 現(xiàn)在所需的推力與供應(yīng)鏈的飆升需求來(lái)自離岸產(chǎn)品。目前幾乎世界上30%的石油產(chǎn)量是來(lái)自開發(fā)海上油田和深水儲(chǔ)量也貢獻(xiàn)了9%左右,如圖1所示(4,20)。自2002年以來(lái), 現(xiàn)在由于飽和淺水油井連近海石油產(chǎn)量也在下降。石油儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)深度d≤400 mfrom海平面稱為淺水,400 < d≤1500米時(shí)成為深水, 1500 < d m時(shí)稱為下層深海。目前境外生產(chǎn)總數(shù)的近80%來(lái)自于淺水石油儲(chǔ)備。第一個(gè)海上鉆井可以追溯到1869年,海上鉆井裝置設(shè)計(jì)的第一個(gè)專利是T.F.羅蘭，但首個(gè)商業(yè)開發(fā)油田從1896年加州海岸開始。這些早期的海上油田非常淺，距離海平面只有幾英尺深。深水生產(chǎn)從1990年開始成為商業(yè)上可施行的生產(chǎn)，其產(chǎn)量為1.5 Mboe / d,現(xiàn)在產(chǎn)量擴(kuò)大到三倍。本著同樣的精神尋找新的石油儲(chǔ)量,從2005年起石油公司也開始探索深海地區(qū)的海洋水。境外生產(chǎn)對(duì)世界經(jīng)濟(jì)至關(guān)重要的作用，但總體離岸生產(chǎn)也顯示從2002年開始平約23Moeb / d,主要是由于收縮淺水儲(chǔ)備和近期無(wú)法找到新的大離岸外匯儲(chǔ)備。同時(shí)在像深處和冰凍的北極區(qū)極端環(huán)境條件處發(fā)現(xiàn)了許多新近海油氣田。 敏感的產(chǎn)品加上嚴(yán)酷的工作環(huán)境對(duì)目前的安全管理體系造成了嚴(yán)酷挑戰(zhàn),因此,連續(xù)的石油和天然氣設(shè)施檢查和維護(hù)是至關(guān)重要的。雖然從深水區(qū)域中提取石油和天然氣是一個(gè)令人印象深刻的工程壯舉,但同樣也需要足夠的技術(shù),以防止事故發(fā)生,確保人類和海洋生活的安全。而通過(guò)先進(jìn)技術(shù)采集的石油和天然氣的需求量使得油田采集的經(jīng)濟(jì)可行性變的更加困難，但為了防止事故的發(fā)生，技術(shù)成本似乎變得已經(jīng)很難承擔(dān)，深水地平線漏油案已經(jīng)證明了這一點(diǎn)。人類的局限性及其在極端環(huán)境中的操作能力是糟糕的,因此,機(jī)器人援助在這種情況下將會(huì)非常有價(jià)值[22]。在這種人機(jī)合作模型中,大多數(shù)的認(rèn)知能力決定將來(lái)自人類操作員而訪問(wèn)關(guān)鍵對(duì)象,數(shù)據(jù)收集、檢查、處理和反饋則來(lái)自機(jī)器人裝置配備合適的傳感器。因此,可以說(shuō),石油和天然氣設(shè)施的整體自動(dòng)化可以進(jìn)一步劃分為許多具體的子問(wèn)題，例如人機(jī)界面等(1、8、第23 - 25),數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸(每股26到29),資源分配和任務(wù)調(diào)度[30-33],[34-36]導(dǎo)航技術(shù),移動(dòng)機(jī)器人的定位（37-41）, 在水下環(huán)境的本地化的水下機(jī)器人（42-51),檢驗(yàn)技術(shù)(52-58)和遙操作[59]等?？焖僭鲩L(zhǎng)的石油和天然氣工業(yè)面臨的挑戰(zhàn),如較低的回收率,探索非傳統(tǒng)的儲(chǔ)備,在極端環(huán)境條件下的操作,以及最后的整體商業(yè)模式盈利能力將提高自動(dòng)化水平高提上議程[61]。成功處理上述挑戰(zhàn)，需要最好使用來(lái)自從其他行業(yè)解決方案的已經(jīng)可用的機(jī)器人解決方案, 這種方案混合了新的激進(jìn)的創(chuàng)新，特別是在石油和天然氣行業(yè)，如智能鉆井平臺(tái)，智能檢查和操作技術(shù)和生產(chǎn)自動(dòng)化操作。有幾個(gè)正在進(jìn)行的項(xiàng)目已經(jīng)表明了在這個(gè)方向上的進(jìn)展，例如一個(gè)挪威的公司命名的機(jī)器人鉆井系統(tǒng)，已經(jīng)簽署了一項(xiàng)聯(lián)合研究計(jì)劃與美國(guó)航空航天局開發(fā)的智能鉆井技術(shù)（11）。艾波比集團(tuán)還開發(fā)了一個(gè)基于遙操作跟蹤從一個(gè)單一的平臺(tái)，是一個(gè)集成所有生產(chǎn)設(shè)備關(guān)鍵參數(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。他分布在植物的不同部位上。考慮到產(chǎn)品的敏感性和他們的生產(chǎn)環(huán)境，目前大多數(shù)被建議或者使用的的機(jī)器人技術(shù)在不久的將來(lái)仍在業(yè)務(wù)助理的過(guò)程中進(jìn)行檢查、操作、維修(IMR)和救援任務(wù)。基于這樣的遙操作技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域產(chǎn)生令人振奮的結(jié)果，如海上石油和天然氣的勘探22,63–[ 65 ]，[ 66，68 ]–太空探索、軍事[ 69 ]，[水]下70,71勘探，醫(yī)療應(yīng)用[72,73]，娛樂(lè)[ 74 ]，和[ 75,76危險(xiǎn)環(huán)境。 2. 海上機(jī)器人技術(shù) 四分之三的地球表面覆蓋著水，海洋占主要部分，這儲(chǔ)藏這大量的石油，也被稱為海上油田。首先在海上石油和天然氣的商業(yè)勘探開始在墨西哥灣成功安裝--淺海水域的路易斯安那 [79]。然后，隨著在陸上和淺海油田上使用改進(jìn)的技術(shù)和消耗的化石燃料資源，石油和天然氣的搜索已經(jīng)從淺水（小于1000英尺深的水從海平面）到深水（超過(guò)1000英尺）[80]。 淺水中最初的油氣勘探系統(tǒng)是由陸上設(shè)施同一種設(shè)備組成的。這些設(shè)備的區(qū)別在于密封的容器中絕緣性不同。從手工操作的油田的淺水區(qū)的遠(yuǎn)程操作到深水油田的操作主要有兩個(gè)主要的障礙，一是推進(jìn)技術(shù)支持和二是整個(gè)項(xiàng)目的經(jīng)濟(jì)可行性。但隨著石油產(chǎn)品價(jià)格的增加，目前機(jī)器人技術(shù)的改善在這一歷史性的轉(zhuǎn)變成為可能?，F(xiàn)在有兩種主要的動(dòng)機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)石油和天然氣領(lǐng)域的自動(dòng)化;第一個(gè)動(dòng)機(jī)是提高工作效率的同時(shí)提高成本效率,第二也是最重要的動(dòng)機(jī)是有效地應(yīng)對(duì)安全挑戰(zhàn)的必要性[80、81]。新的深水油田超出了常規(guī)潛水員所能到達(dá)的范圍，現(xiàn)在各國(guó)政府實(shí)施了更嚴(yán)格的法律法規(guī)，為實(shí)現(xiàn)海上設(shè)施的連續(xù)檢查和維護(hù)，減少災(zāi)難性故障提供了可能性[82]。因此，使用遠(yuǎn)程控制的機(jī)器能夠有效地執(zhí)行在深水中潛水員的工作。這種危急情況下使用這種方法是強(qiáng)制性的 [59]。遙控?zé)o人操控海上油氣設(shè)施是降低運(yùn)營(yíng)資本非常有吸引力的解決方案。 智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作 DESIGN AND MANUFACTURE OF INTELLIGENT SWEEPING ROBOT 摘要 目前，越來(lái)越多種類的機(jī)器人被應(yīng)用于人類的生活當(dāng)中，從事著和人們的生活有著密切聯(lián)系的服務(wù)類工作，這不僅可以提高了人類的生活水平和生活質(zhì)量，還可以減少勞動(dòng)力，解放人們的雙手。室內(nèi)智能掃地機(jī)便是從在這背景下產(chǎn)生的一款家用型機(jī)器人。本任務(wù)主要是設(shè)計(jì)與制作一款功能簡(jiǎn)單的清潔機(jī)器人，使其能夠?qū)崿F(xiàn)自主工作、可遙控工作以及自主返回充電與紅外避障等功能。本論文將具體介紹智能掃地機(jī)的整體設(shè)計(jì)，主要由以STC51單片機(jī)主控的控制部分、以L298n為主的驅(qū)動(dòng)部分、以紅外傳感器為主的避障部分等組成，通過(guò)運(yùn)用c語(yǔ)言編程對(duì)硬件進(jìn)行控制以實(shí)現(xiàn)各功能。本制作的掃地機(jī)器人采用吸掃式，其主要通過(guò)邊刷電機(jī)帶動(dòng)邊刷將雜物掃到抽風(fēng)機(jī)的吸風(fēng)口處，以此將灰塵等雜物吸存到儲(chǔ)灰盒，以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的清掃。 關(guān)鍵詞 智能掃地機(jī)器人；STC51單片機(jī)；紅外避障 Abstract At present, more and more kinds of robot is applied in human life, and it is engaged in the service class which has the close relation with people's life. The development of the robot can not only improve the living standard and living quality of human being, but also can reduce the labor force, and come to the liberation of people's hand. Indoor intelligent cleaning robot is generated from the background of a home service robot model. This task is mainly to design and produce a simple cleaning robot, which can achieve autonomous work, can be remote control, as well as possess the ability to return to charge and infrared obstacle avoidance and other functions. Besides, the intelligent indoor sweeping robot's overall design schemes are introduced in this paper. The robot mainly can be controlled by stc51 MCU master, and can be dominated by L298N driving part and etc. We can achieve those functions by the C language programming of the hardware. The sweeping robot uses absorber and sweeper type. The side brushes which are driven by the motor side brushes will take the sundries to exhaust fan ceiling outlet, in order to suck dust and debris into the dust storage box and achieve on the ground cleaning. Keywords Intelligent sweeping robot STC51 MCU Infrared barrie II 目 錄 摘要 I Abstract II 1緒論 1 1.1 發(fā)展背景 1 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 1.3 研究的目的和意義 2 1.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 3 2 智能掃地機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì) 4 2.1 機(jī)械部分方案設(shè)計(jì) 4 2.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5 2.2.1 主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 5 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì) 6 2.2.3 傳感器方案設(shè)計(jì) 6 2.2.4 電源電路方案設(shè)計(jì) 7 2.3 軟件方案設(shè)計(jì) 7 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 8 3.1 行走機(jī)構(gòu) 8 3.2 吸掃機(jī)構(gòu) 9 3.3 底盤設(shè)計(jì) 10 3.4 充電座設(shè)計(jì) 11 4 硬件部分設(shè)計(jì) 13 4.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 13 4.1.1 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介 13 4.1.2 單片機(jī)引腳介紹 13 4.1.3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) 15 4.1.4 藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì) 16 4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 18 4.2.1 L289N驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介 18 4.2.2 引腳及其運(yùn)用 18 4.2.3 風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 19 4.3 傳感器部分設(shè)計(jì) 21 4.3.1 測(cè)速裝置模塊 21 4.3.2 紅外避障裝置模塊 21 4.3.3 防跌落開關(guān) 22 4.4 電源電路設(shè)計(jì) 22 4.4.1 變壓電路設(shè)計(jì) 22 4.4.2 檢測(cè)電壓電路設(shè)計(jì) 24 4.4.3 充電控制路設(shè)計(jì) 25 5 智能掃地機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì) 27 5.1 軟件總體設(shè)計(jì) 27 5.2 初始化程序 27 5.3 主程序設(shè)計(jì) 27 5.4 紅外避障程序設(shè)計(jì) 28 5.5 防跌落程序設(shè)計(jì) 29 5.6 藍(lán)牙遙控程序設(shè)計(jì) 30 5.7 自動(dòng)充電程序設(shè)計(jì) 31 結(jié)論 33 致謝 34 參考文獻(xiàn) 35 1緒論 1.1 發(fā)展背景 目前，智能掃地機(jī)成為機(jī)器人技術(shù)研究的熱門。從科學(xué)理論與技術(shù)角度來(lái)講，智能掃地機(jī)器人在服務(wù)型移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的代表性，體現(xiàn)了較多關(guān)鍵性技術(shù)；從目前的市場(chǎng)發(fā)展前景講，智能掃地機(jī)器人的誕生可以使人們從繁瑣的家務(wù)中解放雙手，降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)大大提高了勞動(dòng)效率；家用智能掃地機(jī)器人一般用于對(duì)室內(nèi)大面的清潔，適用于家庭、圖書館、候車室以及酒店等等場(chǎng)合；綜上，對(duì)智能掃地機(jī)的研究不但有極大的挑戰(zhàn)，還有非常寬廣的市場(chǎng)發(fā)展空間。 此外，對(duì)吸掃式機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)后期，因此智能掃地機(jī)器人是服務(wù)類移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的先行者。隨著研究的深入，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前市場(chǎng)上已經(jīng)生產(chǎn)了一些類似的服務(wù)型機(jī)器人產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品促進(jìn)了智能掃地機(jī)器人的發(fā)展，如吸塵器的誕生等。 1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前掃地機(jī)器人在海內(nèi)外發(fā)展十分迅速，飽受廣大顧客歡迎；國(guó)外的品牌有美國(guó)的IROBOT、NEATO，德國(guó)的凱馳、斐納，荷蘭的飛利浦等，其中美國(guó)iRobot和Neato掃地機(jī)器人服務(wù)類機(jī)器人的代表產(chǎn)品；國(guó)內(nèi)的品牌有科沃斯、海爾、TCL等，其中臺(tái)灣Proscenic也是比較熱門的品牌。各品牌產(chǎn)品如圖1-1和1-2所示； 圖1-1 RC300 和充電站 圖 1-2 iRobot 公司的 Roomba 和 dirt dog 從20世紀(jì)后期至今，智能掃地機(jī)器人作為服務(wù)類機(jī)器人的新一代產(chǎn)品已經(jīng)取得了一定的成果，但仍然存在一些關(guān)鍵的技術(shù)尚未成熟，如掃地機(jī)器人的行走路線設(shè)計(jì)便是其中的一項(xiàng)非常重要且尚未成熟的技術(shù)。目前市場(chǎng)上的不同品牌的掃地機(jī)器人所具有的功能也各不同，如有的機(jī)器人可以在地面上隨意行走，有的品牌機(jī)器人則可以在有限的小范圍內(nèi)按照一定的路徑行走(不能全部覆蓋)。通過(guò)市場(chǎng)反饋發(fā)現(xiàn)，雖然有些公司推出了一些樣機(jī)或產(chǎn)品，但效果卻不能令人滿意，如清掃效率低，遍歷時(shí)間長(zhǎng)等。 隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越希望有效降低勞動(dòng)力并從繁瑣的日常事務(wù)中擺脫出來(lái)，這就使得自主性高的智能掃地機(jī)器人進(jìn)入各家各戶成為可能。如若智能掃地機(jī)具有較好的性價(jià)比智能掃地機(jī)的前景自然將會(huì)被認(rèn)可。目前市場(chǎng)上智能掃地機(jī)主要為吸掃式，這種方式掃地機(jī)具有效率高，功耗低，運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前世界市場(chǎng)上使用最多的一款清掃機(jī)種類；這種吸掃式掃地機(jī)器人的清掃部分通常由邊刷和邊刷電機(jī)、風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)灰盒等部分組成，其中使用邊刷清掃有效增大了清掃范圍以及有利于對(duì)角落的清掃；邊刷將側(cè)面的雜物帶動(dòng)到風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域內(nèi)，然后再通過(guò)風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力將雜物吸到儲(chǔ)灰盒內(nèi)，從而完成清掃工作。這種類型智能掃地機(jī)的主要工作是對(duì)室內(nèi)地面的清潔，特別是對(duì)雜物、灰塵、毛發(fā)等清掃且其清掃效果非常好。智能掃地機(jī)的誕生不但帶動(dòng)了社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還為社會(huì)帶來(lái)了十分明顯的社會(huì)效益。 1.3 研究的目的和意義 人類在機(jī)器人方面的研究已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，打開了時(shí)代的大門。中國(guó)的發(fā)展如雨后春筍，相信在未來(lái)的10幾年內(nèi)機(jī)器人將融進(jìn)人類的日常生活中，機(jī)器人將會(huì)像電腦和手機(jī)一樣成為人們生活的必須品。從實(shí)用角度來(lái)看，機(jī)器人大致可分為娛樂(lè)型、服務(wù)型以及制造型機(jī)器人等等。本文要研究的智能掃地機(jī)便屬于服務(wù)型。 智能掃地機(jī)具有省時(shí)、省力，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；整個(gè)工作過(guò)程中不需要人們的干預(yù)，從而降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外智能掃地機(jī)比普通吸塵器的噪音要小，工作過(guò)程能夠有效避免噪音的滋擾；高端的掃地機(jī)還具有清潔空氣等功能，內(nèi)部放置的活性炭能夠吸收空氣中污染氣體，清潔效率極高；智能掃地體積小，質(zhì)量輕且功率小，能夠從容地清掃一般吸塵器無(wú)法清潔的邊角。綜上所述，智能掃地機(jī)具有使用方便，自主性高、性能穩(wěn)定、工作效率高等特點(diǎn)。 1.4 本課題的主要研究?jī)?nèi)容 本課題設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)包括方案總體設(shè)計(jì)、機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)、硬件部分方案設(shè)計(jì)以及軟件部分方案設(shè)計(jì)。主要工作如下： （1）根據(jù)任務(wù)書對(duì)智能掃地機(jī)器人的要求，對(duì)所應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定本設(shè)計(jì)總體方案。 （2）智能掃地機(jī)的機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)，其中包括掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和吸掃機(jī)構(gòu)； （3）硬件電路方案設(shè)計(jì)，包括掃地機(jī)的主控電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)，遙控電路設(shè)計(jì)等； （4）根據(jù)對(duì)應(yīng)的硬件電路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序；畫出整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序綜框圖，包括主程序、初始化程序、延時(shí)程序、藍(lán)牙遙控程序、紅外避障程序、防跌落程序、自動(dòng)清掃模式程序以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序 （5）將編寫好的軟件程序進(jìn)行調(diào)試；根據(jù)實(shí)物現(xiàn)象，調(diào)試程序，直到實(shí)現(xiàn)所需要的功能。 2 智能掃地機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì) 本課題設(shè)計(jì)的是一款集電機(jī)學(xué)、智能檢測(cè)學(xué)、電工電子學(xué)、單片機(jī)學(xué)，計(jì)算機(jī)學(xué)等于一體的智能掃地機(jī)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能是智能掃地機(jī)器人既可以在一個(gè)沒有人干預(yù)的環(huán)境下完成房間地面的清掃工作，也可以在人為的控制作用下完成清掃工作。 本文設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)具智能充電，紅外避障以及防墜落等功能；用戶可還以通過(guò)藍(lán)牙芯片對(duì)智能掃地機(jī)器人進(jìn)行無(wú)線遙控，控制清掃路徑及在電量不足時(shí)控制其停止工作并返回充電座進(jìn)行充電。 本智能掃地機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示，主要由 3 部分組成：機(jī)械方案設(shè)計(jì)、硬件控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、軟件方案設(shè)計(jì)。其中機(jī)械設(shè)計(jì)部分包括智能掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、傳感器方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)電源方案設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)中的行走部分設(shè)計(jì)，市場(chǎng)有四輪結(jié)構(gòu)和三輪結(jié)構(gòu)，其中三輪機(jī)構(gòu)占多數(shù)。本設(shè)計(jì)主要采用的是三輪結(jié)構(gòu)，由雙輪電機(jī)通過(guò)齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的左右雙驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)萬(wàn)向輪；對(duì)于吸掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能掃地機(jī)器人主要由離心風(fēng)機(jī)和邊刷電機(jī)組成，其功率的大小決定了智能掃地機(jī)器人的吸掃效率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、渦輪離心風(fēng)機(jī)以及邊刷電機(jī)都將采用直流電機(jī)；電路控制系統(tǒng)中的主控系統(tǒng)部分使用單片機(jī)控制，包括對(duì)執(zhí)行電機(jī)的控制，以及對(duì)傳感器的響應(yīng)等；傳感器部分主要為了保障機(jī)器人能夠安全工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的避障。由于各個(gè)器件所需要的工作電壓不同，電源電路部分就是使為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)用電器件進(jìn)行供電，保證其工作在額定電壓內(nèi)，使機(jī)器正常工作。軟件設(shè)計(jì)部分目的是通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各電機(jī)，傳感器等的控制。 圖2-1 智能掃地機(jī)方案設(shè)計(jì)圖 2.1 機(jī)械部分方案設(shè)計(jì) 智能掃地機(jī)的機(jī)械部分包括底板部分、行走部分、吸掃部分和充電座；底盤為了有一定的硬度，保證整體機(jī)構(gòu)不會(huì)變形，采用PVC硬質(zhì)板。行走機(jī)構(gòu)包括直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小型減速箱、驅(qū)動(dòng)輪以及萬(wàn)向從動(dòng)輪；吸掃機(jī)構(gòu)由離心風(fēng)機(jī)、邊刷電機(jī)、毛邊刷以及儲(chǔ)灰盒。直流電動(dòng)機(jī)憑借效率高，功率大，運(yùn)行平穩(wěn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于器人領(lǐng)域；另外，直流電機(jī)具有較好的可調(diào)速性，它可以通過(guò)電子開關(guān)變化轉(zhuǎn)向，通過(guò)PWM進(jìn)行脈沖調(diào)速，此外，較高的使用壽命；因此，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)部分采用直流電機(jī)。電機(jī)調(diào)速可以通過(guò)單片機(jī)I/0口模擬脈沖信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)。本課題將選用單片機(jī)I/0口程序模擬脈沖信號(hào)的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的邊刷電機(jī)全部采用直流電機(jī)，由于只需要控制電機(jī)的通斷，所以采用利用晶體管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。 2.2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 本方案設(shè)計(jì)大致可分為主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)、傳感器方案設(shè)計(jì)和電源電路方案設(shè)計(jì)?？偪驁D如下圖2-2所示； 圖2-2 控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖 2.2.1 主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 根據(jù)掃地機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能，主控器既要方便地執(zhí)行各個(gè)子系統(tǒng)，又要響應(yīng)各傳感器輸入的數(shù)據(jù)。因而主控器需要有多個(gè)中斷源和輸入輸出接口，同時(shí)較大程序存儲(chǔ)內(nèi)存，保證程序在掉電情況不會(huì)丟失。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸，主控系統(tǒng)還有支持串口數(shù)據(jù)通訊。由于STC單片機(jī)性能可靠，使用簡(jiǎn)單，在各個(gè)領(lǐng)域使用較多。因此選用STC51單片機(jī)，其足夠存儲(chǔ)空間，可以滿足算法的需求，而且可以制作成本；此系列的MCU正常工作電壓為5V。采用12MHz的晶振頻率，其功率消耗非常小。單片機(jī)可以讀取外圍的傳感器設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的避障，溫度采集等功能。 2.2.2 驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì) 電機(jī)的控制電路是為了使掃地機(jī)具有控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，調(diào)速等功能；整個(gè)系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用單片機(jī)，單片機(jī)的I/O口的輸出電壓是5V，為了便于直接通過(guò)單片機(jī)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速等實(shí)現(xiàn)控制，本設(shè)計(jì)采用L298N作為電機(jī)的控制模塊。此芯片功耗低，可控性好，散熱性能好，支持PWM進(jìn)行脈沖調(diào)速。此芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。 由于邊刷電機(jī)和風(fēng)機(jī)只需要控制他們的啟動(dòng)和停止，所以利用三極管的開關(guān)特性和繼電器設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。 2.2.3 傳感器方案設(shè)計(jì) 傳感器是人類器官的拓展，是人們研究自然和利用自然種種現(xiàn)象的方式方法。傳感器的使用范圍和能力甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)人類；傳感器一般可以把非電信號(hào)變換為電信號(hào)，因此其一般由三個(gè)部分組成。 傳感器按照被測(cè)量大致可分為溫度、電壓、濕度、距離、壓力傳感器等等。 選用的傳感器類型取決于掃地機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)工作性能的要求。一般對(duì)傳感器的要求有： （1）較高的靈敏度；較高的靈敏度可以在輸入量很小時(shí)，有較大的輸出量。 （2）較高的分辨率。指?jìng)鞲衅饕疠敵隽慨a(chǎn)生可觀測(cè)的微小變化所需要最小△X。較高分辨率傳感器可以檢測(cè)量更加準(zhǔn)確，保證數(shù)據(jù)精度。 （3）較高的重復(fù)性和線性度；在線性度和重復(fù)性較高的情況下了，可以更加方便處理數(shù)據(jù)，同時(shí)可以降低數(shù)據(jù)誤差。 （4）較好的抗干擾能力和穩(wěn)定性；機(jī)器人的工作環(huán)境是變化的，所以在不同的環(huán)境中保證其正常工作時(shí)就要求傳感器不會(huì)受環(huán)境的影響。 躲避障礙物是家用掃地機(jī)的必備功能；由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，為了能夠保證機(jī)器人在沒有人干預(yù)的情況下自主完成室內(nèi)的清掃工作，機(jī)器人就必須能夠識(shí)別障礙物并躲避。目前廣泛使用的類型可分為兩大類；一種是碰摸式，另一種是非碰摸式。碰摸式傳感器有碰撞傳感器，其主要是當(dāng)碰撞時(shí)將產(chǎn)生的力傳遞到壓力開關(guān)上，以此作為輸入信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高但是沖擊力大，要緩解力的作用，機(jī)械設(shè)計(jì)部分會(huì)復(fù)雜很多。非觸碰式有紅外傳感器，其可以使得掃地機(jī)與障礙物間接碰觸。 為了使掃地機(jī)能夠穩(wěn)定工作，就必須保證兩個(gè)輪子速度相同。這樣就必須用到測(cè)速傳感器。本設(shè)計(jì)中采用光電編碼式傳感器，這件不僅可以測(cè)量機(jī)器人的速度，還可以測(cè)量出機(jī)器人移動(dòng)的距離。 2.2.4 電源電路方案設(shè)計(jì) 為了使掃地機(jī)器人在一次充電后有一定的工作時(shí)間，本設(shè)計(jì)采用鎳氫電池，這種電池耐過(guò)充過(guò)放，具有較強(qiáng)的速放電能力，使用較安全，而且相對(duì)于其他電池經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。此外這種材料的電池不含有毒材料，可以避免對(duì)大氣造成危害。由于智能到底機(jī)器人一般是工作在室內(nèi)，而鎳氫電池可適應(yīng)的溫度范圍是0-45℃。綜上合理選擇鎳氫電池。 (1）采用的鎳氫電池輸出電壓為9V，而單片機(jī)的工作電壓為5V左右，所以在整個(gè)系統(tǒng)中要采用變壓電路。本設(shè)計(jì)將采用7805降壓模塊，穩(wěn)定輸出電壓為5V。 (2）為了使智能掃地機(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)返回充電功能，系統(tǒng)要對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池電量不足時(shí)，智能掃地機(jī)執(zhí)行返回充電程序。本設(shè)計(jì)將通過(guò)A/D模塊對(duì)電池實(shí)施檢測(cè)。 (3）本設(shè)計(jì)將通過(guò)機(jī)械式對(duì)智能掃地機(jī)進(jìn)行充電；在充電站上布有兩根平行的直線電極，掃地機(jī)尾端同樣配置2根正負(fù)金屬電極。通過(guò)紅外對(duì)光管實(shí)現(xiàn)兩者的充電對(duì)接。 2.3 軟件方案設(shè)計(jì) 因?yàn)閷?duì)掃地機(jī)移動(dòng)速度和精度不需要太嚴(yán)格，所以在本設(shè)計(jì)中選擇用C編寫程序?qū)崿F(xiàn)軟件功能。將在KEILL軟件平臺(tái)上使用C語(yǔ)言進(jìn)行編程；用C編寫的程序便于理解、編寫簡(jiǎn)單，且有較高的可轉(zhuǎn)移性以及可實(shí)現(xiàn)模塊化編寫程序。C語(yǔ)言的高可移植性是指在不同平臺(tái)上編寫的C語(yǔ)言程序能夠在不修改的情況下移植到不同的平臺(tái)上使用。 本設(shè)計(jì)的軟件方案主要包括主系統(tǒng)、初始化、延時(shí)、藍(lán)牙遙控、紅外避障、自動(dòng)清掃以及電機(jī)控制程序等。 3 機(jī)械部分設(shè)計(jì) 3.1 行走機(jī)構(gòu) 行走機(jī)構(gòu)如圖3-1所示，采用輪式結(jié)構(gòu)；其中左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由可調(diào)速的直流電機(jī)控制，轉(zhuǎn)向輪可任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，便于機(jī)器人在行走過(guò)程中改變方向。 圖3-1 行走機(jī)構(gòu) 直流電機(jī)具有調(diào)速區(qū)域大，速度便于調(diào)節(jié)，啟動(dòng)、停止轉(zhuǎn)矩大、容易驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。掃地機(jī)器人的工作主要是對(duì)室內(nèi)地面的清掃，為了防止機(jī)器人在工作時(shí)打滑，無(wú)法有效完成工作，本設(shè)計(jì)將采用的橡膠防滑輪。減速電機(jī)如圖3-2所示；減速電機(jī)的具體參數(shù)如表3-1所示。速度計(jì)算公式見式(3.1) 圖3-2 直流減速電機(jī) 表3-1 減速電機(jī)參數(shù) 額定電壓 3V 6V 7.2V 9V 空載電流 ≤80MA ≤100MA ≤110MA ≤120MA 空載電流 4600±10% 9800±10% 11000±10% 14800±10% 負(fù)載電流 ≤150MA ≤160MA ≤180MA ≤200MA 負(fù)載轉(zhuǎn)速 80轉(zhuǎn)/分 180轉(zhuǎn)/分 220轉(zhuǎn)/分 290轉(zhuǎn)/分 扭矩 0.4kg.cm 0.8kg.cm 1.0kg.cm 1.2kg.cm 電機(jī)轉(zhuǎn)速公式如式3.1所示： 式(3.1) 式中：U——為電樞端電壓； I——為電樞電流； R——為電樞總電阻； ——為每極磁通量； K——為直流電動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。 從上式中可得，n和電壓、電流相關(guān)，此外可以被控制的量只有U 和 I，那么便可以利用改變U和I的大小進(jìn)行調(diào)速。事實(shí)上，可以調(diào)整電壓的值來(lái)調(diào)整I的值，通常使用PWM產(chǎn)生電壓波形進(jìn)行速度調(diào)整。本設(shè)計(jì)中將采用單片機(jī)I/O模擬PWM脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。脈沖占空比將決定電機(jī)的平均功率，因此實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速值的控制。 通過(guò)計(jì)算，市場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和已有產(chǎn)品的分析，本設(shè)計(jì)的電機(jī)采用智能小車專用減速電機(jī)，額定電壓為9V,額定電流為18mA,額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘，減速比48:1，可以帶動(dòng)1.2kg的負(fù)載。 3.2 吸掃機(jī)構(gòu) 智能掃地機(jī)的吸掃機(jī)構(gòu)包括邊刷電機(jī)和邊刷、風(fēng)機(jī)以及儲(chǔ)灰盒。邊刷電機(jī)和離心風(fēng)機(jī)都是直流電機(jī)，只是所需要的電機(jī)功率不同，因此需要的驅(qū)動(dòng)電流也有差異。 （1）由于掃地機(jī)器人使工作在室內(nèi)，在保證具有足夠風(fēng)力的同時(shí)，還必須保證機(jī)器人有較低的噪音。綜上，本設(shè)計(jì)采用的渦輪離心風(fēng)機(jī)工作電壓為12V，額定電流為1.2A，噪音為50dB-A，尺寸為120*120*32mm。渦輪離心風(fēng)機(jī)如圖3-3所示。 圖3-3 渦輪離心風(fēng)機(jī) （2）邊刷電機(jī)的作用時(shí)使邊刷轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將地面的雜物清掃到吸風(fēng)口處；邊刷質(zhì)量很輕，不必較大的驅(qū)動(dòng)力，所以使用一個(gè)小功率的電機(jī)。當(dāng)電壓為3V時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分鐘；當(dāng)電壓為5V時(shí)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘。 3.3 底盤設(shè)計(jì) 底盤是智能掃地機(jī)器人的基架；底盤需要具有一定的硬度及考慮到材料對(duì)環(huán)境的污染，本設(shè)計(jì)采用PVC材質(zhì)的3mm硬紙板。此外，根據(jù)已經(jīng)確定的器件尺寸，將機(jī)器底盤尺寸設(shè)計(jì)為直徑400mm的圓。設(shè)計(jì)如圖3-4所示； 圖3-4 底盤設(shè)計(jì) 3.4 充電座設(shè)計(jì) 智能掃地機(jī)的后端裝有正負(fù)金屬電極，便于掃地機(jī)在電壓不足時(shí)進(jìn)行對(duì)接充電。將兩條正負(fù)平行電極裝在充電站上，當(dāng)掃地機(jī)上的兩個(gè)電極與這對(duì)電極接觸時(shí)便可以對(duì)電池實(shí)施充電。智能掃地機(jī)的左側(cè)和后端裝配有兩個(gè)信號(hào)接收探頭，各個(gè)信號(hào)接收器能夠接收一定區(qū)域內(nèi)的發(fā)射信號(hào)。充電座上裝有一個(gè)信號(hào)發(fā)射探頭，一直發(fā)出信號(hào)便于智能掃地機(jī)尋找到充電位置。設(shè)定清潔機(jī)器人在自主尋找充電站時(shí)機(jī)器人將按照順時(shí)針?lè)较蛐羞M(jìn)，這樣左側(cè)的紅外傳感器將先檢測(cè)到信號(hào)，掃地機(jī)將順時(shí)回轉(zhuǎn) 270 °，旋轉(zhuǎn)后其后端的紅外傳感器將檢測(cè)到來(lái)自充電站的紅外信號(hào)，同時(shí)智能掃地機(jī)靠近充電站直到尾端上的兩個(gè)金屬電極和充電站上的充電電極接到一起；充電座設(shè)計(jì)如圖3-5所示。 圖3-5 充電站系統(tǒng)組成示意圖 4 硬件部分設(shè)計(jì) 整個(gè)硬件控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、電機(jī)控制電路、傳感器、電源電路組成。 4.1 主控系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51系列的單片機(jī)被應(yīng)用于控制領(lǐng)域時(shí)間非常早，使用它作為主控開發(fā)的產(chǎn)品又非常多，這為我們?cè)诰幊虝r(shí)提供了非常寶貴經(jīng)驗(yàn)。此外，52單片機(jī)還擁有損耗低、性能高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)將使用STC公司的89C52作為MCU。 4.1.1 STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介 STC89C52是STC公司生產(chǎn)的低電壓，性能穩(wěn)定的八位機(jī)，其片內(nèi)配置有8KB的可重復(fù)擦除1000次ROM和256字節(jié)的RAM；該芯片的密度極高、還能夠和MCS-51指令集相互兼容。芯片內(nèi)部還配置有8位CPU和可擦除內(nèi)存單元。STC89C52單片機(jī)功能強(qiáng)大，適用范圍廣。 （1）主要特點(diǎn) ① 片內(nèi)只讀程序存儲(chǔ)器可擦寫1000次； ② 晶振支持頻率范圍：0Hz-40Hz； ③ 可對(duì)程序進(jìn)行三級(jí)加密內(nèi)存； ④ 3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2； ⑤ 52單片機(jī)具有6個(gè)中斷源（T0，T1，T2，INT0,INT1）； ⑥ 支持全UART功能，可通過(guò)定時(shí)器軟件編程實(shí)現(xiàn)多個(gè)UART； ⑦ 具有兩種省電模式：空閑模式和掉電模式； ⑧ 內(nèi)部具有看門狗定時(shí)器。 ⑨ 支持ISP/IAP，可以不使用專門的編程器和仿真器； （2）參數(shù) ① 此MCU的12個(gè)振蕩周期構(gòu)成一個(gè)機(jī)器周期； ② 可承受溫度值：-40～+85℃； ③ 采用40PDIP封裝。 4.1.2 單片機(jī)引腳介紹 單片機(jī)根據(jù)封裝的不同包括PDIP，PLCC和PTQFP； 51系列單片機(jī)為第一種，兩列的PDIP封裝，引腳圖如圖4-1； 圖4-1 STC52單片機(jī)引腳圖 如圖所示 ，STC89C52芯片共有40個(gè)引腳，其中芯片的1腳頂上有個(gè)凹點(diǎn)，這40個(gè)引腳分別為外電源引腳有2個(gè)(VCC,GND)，外接晶體振蕩器引腳2個(gè)(XTAL1，XTAL2)，控制引腳4個(gè)(RST,EA,PROG/ALE,PSEN)以及4組8位可編程I/O引腳32根(P0，P1，P2，P3)。 ① 第40引腳（VCC）：電源輸入引腳，接+5V電壓； ② 第20引腳(GND)：接電源負(fù)極引腳； ③ 第19引腳(XTAL1)：接晶振一端； ④ 第18引腳（XTAL2）：振蕩電路的輸出端，接晶振另一端； ⑤ 第9引腳（RST）： MCU將自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)引腳； ⑥ 第30引腳（ALE/PROG）：當(dāng)外部拓展ROM/RAM時(shí)用做鎖 存控制引腳； ⑦ 第29引腳（PSEN）：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端，外部拓展程序存儲(chǔ)器時(shí)使用； ⑧ 第31引腳（EA/VPP)：當(dāng)此引腳與GND相連接時(shí)，CPU將從外擴(kuò)的ROM讀取程序；此引腳與VCC相連接時(shí)，CPU將從內(nèi)部ROM讀取程序。 此外，STC89C5單片機(jī)有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每組共有8個(gè)PIN，全部芯片共32根。以下介紹各I/O口； P0口：P0可以作為 輸入輸出口使用外，還可以作為DB/AB總線使用；作AB總線低8位使用；一般在使用時(shí)為了提高驅(qū)動(dòng)能力需要外接10K上拉電阻； P1口：作輸入輸出口使用，能夠一次性帶動(dòng)四個(gè)TTL邏輯電路。 P2口：可作為輸入輸出口使用外，還可以復(fù)用作高八位AB總線使用，一次能夠帶動(dòng)四個(gè)TTL電路。 P3口：可作為輸入輸出口使用；P3口一次同樣能夠帶動(dòng)四個(gè)TTL電路。此外,P3口各個(gè)引腳還具有其他功能，如表4-1所示： 表4-1 P3口引腳與復(fù)用功能 P3.0 RXD(串口輸入口) P3.1 TXD（串口輸出口） P3.2 INT0(外部中斷0) P3.3 INT1(外部中斷1) P3.4 T0(定時(shí)器0) P3.5 T1(定時(shí)器1) P3.6 WR(拓展RAM寫控制引腳) P3.7 RD(拓展RAM讀控制引腳) 4.1.3 單片機(jī)電路設(shè)計(jì) （1）I/O設(shè)計(jì) ① P00、P01作為兩邊刷電機(jī)控制信號(hào)端； ② P02 作為渦輪離心風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)端； ③ P03、P04作為智能掃地機(jī)器人的工作模式選擇按鍵輸入信號(hào)端； ④ P20、P21、P26、P27作為四路紅外傳感器的信號(hào)采集端； ⑤ P22、P23、P24、P25作為兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)端； ⑥ P30、P31作P3的復(fù)用功能用，P30作為藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸入端，P31作為藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸出端； ⑦ REST引腳為復(fù)位信號(hào)輸入引腳； ⑧ EA接VCC時(shí)，MCU將從內(nèi)部ROM讀取指令。 （2）復(fù)位電路及最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 51單片機(jī)高電平復(fù)位。復(fù)位是指MCU配置恢復(fù)到原始狀態(tài)；復(fù)位后CPU將從ROM的第一個(gè)單元讀取并執(zhí)行指令。就本設(shè)計(jì)采用的51MCU來(lái)看，當(dāng)RST引腳上出現(xiàn)連續(xù)的12個(gè)狀態(tài)周期的高電平時(shí)，MCU將自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。 復(fù)位方式有兩種： 手動(dòng)復(fù)位：手動(dòng)操作時(shí)，復(fù)位引腳將于VCC相連得到12個(gè)狀態(tài)周期以上的高電平，MCU將自動(dòng)恢復(fù)到原始狀態(tài)；當(dāng)按鈕松開后，單片機(jī)從0000H讀取程序開始工作。 上電復(fù)位：給單片機(jī)上電瞬間，電源對(duì)電容進(jìn)行充電，這就相當(dāng)于電容被導(dǎo)通；此時(shí)，電源正極通過(guò)一個(gè)30uF的電容和MCU的RST引腳接通，將RST處于高電壓；此外，串聯(lián)的電阻與地連接對(duì)電容進(jìn)行放電，由于電荷的流失RST引腳將被拉低。一段時(shí)間之后RST引腳與GND連接，MCU將重新進(jìn)行運(yùn)行。 晶振電路人的心臟，具有起振作用。從理論上分析，當(dāng)設(shè)置的頻率越大時(shí)，CPU處理指令的速度將越高效，以此同時(shí)，這就要求ROM/RAM具有較高的的處理速度以及對(duì)PCB的制作要求也更嚴(yán)格。MCU處理指令性能的優(yōu)劣不僅與CPU的運(yùn)行頻率相關(guān)聯(lián)，而且與RAM/ROM的運(yùn)行頻率、以及其他外部拓展設(shè)備等的速度都密切相關(guān)。 STC89系列最高頻率可達(dá)到40MHZ，雖然從理論上講選擇的頻率越高，MCU的運(yùn)行指令的速度便也越高，但同時(shí)MCU的穩(wěn)定性也較差；根據(jù)STC89C52的數(shù)據(jù)手冊(cè)可得其最適合使用的頻率為11.0592MHZ，這是常用的晶振頻率。雖然對(duì)電容的大小沒有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是這兩個(gè)電容的大小就一定要相等，否則這將干擾到振蕩器電路的可靠性以及振蕩器的開始振動(dòng)的速度特性等等，因此，在設(shè)計(jì)51系列MCU晶振電路時(shí)一般C1、C2選值30uF；單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖4-2所示。 圖4-2 單片機(jī)最小系統(tǒng) 4.1.4 藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì) 智能掃地機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃模式和可人工遙控模式，其中自動(dòng)清掃模式可通過(guò)設(shè)置程序?qū)崿F(xiàn)；對(duì)于遙控模式，本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)遙控功能。人們可以在手機(jī)上安裝藍(lán)牙應(yīng)用程序，然后利用藍(lán)牙構(gòu)成連接以達(dá)到控制掃地機(jī)器人的目的。 本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙串口通訊模塊；此模塊具有通訊范圍廣，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是此模塊可直接與單片機(jī)相連，與手機(jī)進(jìn)行通訊；因此用戶無(wú)需使用專門的控制器，利用手機(jī)即可控制智能掃地機(jī)。值得應(yīng)該注意的是，需要將BCM模塊的串口發(fā)送引腳要和MCU的串口接收引腳連接起來(lái)，同樣BCM模塊的串口接收引腳要和MCU的串口發(fā)送引腳連接起來(lái)；這是因?yàn)樗{(lán)牙模塊從TXD發(fā)送的數(shù)據(jù)由單片機(jī)接收； 其應(yīng)用電路如圖4-3所示 圖4-3 藍(lán)牙模塊電路圖 （1）引腳定義及接線方法： ① VCC:電源正輸入引腳，接+5V電源； ② GND:和電源GND相連； ③ RXD:串口數(shù)據(jù)接收引腳；此引腳接單片機(jī)的發(fā)送端TXD； ④ TXD:串口數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；此引腳接單片機(jī)的接收端RXD； ⑤ EN:開關(guān)控制端；需要開啟自動(dòng)模式時(shí)需要和電源+5V相連接； （2）參數(shù)： ① PCB尺寸:37.3mm(長(zhǎng))*15.5mm(寬)； ② 重量:3.5g； ③ 輸入電壓:3.6V--6V,禁止超過(guò)7V； ④ 帶有電源接反時(shí)防止燒掉功能；電源接反時(shí)模塊將不工作； ⑤ 引出6個(gè)腳:EN/VCC/GND/RXD/TXD/STATE； ⑥ 帶有LED運(yùn)行狀態(tài)指示燈；LED快閃時(shí)表示芯片與MCU沒有實(shí)現(xiàn)連接；LED間隔閃爍時(shí)表示模塊開啟命令等待模式，連接成功； ⑦ 模塊上載有穩(wěn)定5V輸出的芯片,輸入的電壓值范圍為4.5伏-5.5伏;當(dāng)模塊未連接成功時(shí),電路I大致為28毫安，由于發(fā)光二極管閃爍，此電路I不穩(wěn)定；當(dāng)配對(duì)成功后,電流在10mA上下波動(dòng)； ⑧ 輸入電壓為5V,能夠與51MCU的串口RXD/TXD引腳直接相連,但不可以和MAX232芯片的引腳相連； ⑨ 空曠地帶有效傳輸距離10米； ⑩ 初始設(shè)置的波特率為4800，初始化的連接密碼是4567、初始化使用的的用戶名為L(zhǎng)ANYA-00； ? 帶透明熱縮管保護(hù)； 4.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 控制電動(dòng)機(jī)的電路設(shè)計(jì)主要是為了控制電機(jī)的開啟關(guān)閉以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向；本設(shè)計(jì)采用L298N，即雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊； 4.2.1 L289N驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介 該芯片采用15引腳封裝。其主要具有驅(qū)動(dòng)電壓大，輸入電流小，正常工作的功率20W等特點(diǎn)；此外模塊配置有2個(gè)大功率的H橋驅(qū)動(dòng)芯片，這有利于控制功率較大的電機(jī)以及線圈等負(fù)載；L298模塊還可以通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)控制，其具有兩個(gè)控制使能（ENA,ENB）；一個(gè) 電機(jī)控制模塊可以控制兩個(gè)直流電機(jī)，并支持PWM技術(shù)，可通過(guò)程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 4.2.2 引腳及其運(yùn)用 L298N共有15個(gè)端口引腳，其中VSS引腳支持規(guī)范的TTL信號(hào)，可接電壓范圍為5V～6.5 V，在本設(shè)計(jì)中將此引腳和5V電源正極相連；4腳VS直接電源電壓正，可接受電壓范圍為＋2．5～46 V，在本設(shè)計(jì)中接9V電壓，此時(shí)輸出的最大電流為1.5安培，能夠驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。此模塊可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，引腳中的OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4可分別接兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的正負(fù)極； IN1和IN2端口接MCU的P22,P23，用于控制電機(jī)1的正反轉(zhuǎn)；IN3和IN4腳接MCU的P24，P25端口，用于控制電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)；這四個(gè)引腳可輸入PWM脈沖對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)制，如通過(guò)單片機(jī)I/O給IN3輸入一個(gè)PWM脈沖，然后給IN4通過(guò)單片機(jī)輸入IN3相反的PWM脈沖，此時(shí)電機(jī)將正轉(zhuǎn)；當(dāng)然產(chǎn)生PWM脈沖的方法有很多，但這里建議使用單片機(jī)I/O通過(guò)程序模擬設(shè)置較為方便簡(jiǎn)單，這樣可以減少硬件電路的設(shè)計(jì)與焊接，盡可能避免出現(xiàn)更多問(wèn)題。如果想要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速方向轉(zhuǎn)換，那么為IN3、IN4輸入正好相反PWM就可以完成； EA、EB端口為開關(guān)引腳端口，控制電機(jī)是否可以工作；使能端接電源負(fù)極時(shí)，電機(jī)將終止工作。 其引腳及單片機(jī)連接如下圖4-4所示；其邏輯關(guān)系如表4-2所示。 圖4-4 引腳及連線圖 表4-2 邏輯關(guān)系表 直流電機(jī) 旋轉(zhuǎn)方式 IN1 IN2 IN3 IN4 控制使能信號(hào) ENA ENB M1 正轉(zhuǎn) 1 0 / / 1 / 反轉(zhuǎn) 0 1 / / 1 / 停止 0 0 / / 1 / M2 正轉(zhuǎn) / / 1 0 / 1 反轉(zhuǎn) / / 0 1 / 1 停止 / / 0 0 / 1 本設(shè)計(jì)采用PWM對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；產(chǎn)生PWM信號(hào)常用的3種方法如下： ① PWM 信號(hào)發(fā)生器；此方式利用硬件電路生成PWM信號(hào)；這種方法早期使用較多，但其可靠性較低； ② 軟件程序產(chǎn)生；利用MCU的I/O 端口，利用程序?qū)υ摱丝谳敵鲭妷盒盘?hào)來(lái)仿真脈沖信號(hào)； ③ 利用單片機(jī)片內(nèi)的PWM口；目前新產(chǎn)生的單片機(jī)很多都具有PWM脈沖調(diào)制調(diào)速功能；這種方式適用于對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。 本設(shè)計(jì)采取第三種通過(guò)MCU的I/O口產(chǎn)生脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 4.2.3 風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)控制電路設(shè)計(jì) 由于機(jī)器人的風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)只需要實(shí)現(xiàn)控制其開啟與關(guān)閉，正反轉(zhuǎn)不予考慮，因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其開關(guān)功能。 （1)風(fēng)機(jī)的控制電路設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)使用1路5V低電平觸發(fā)繼電器控制風(fēng)機(jī)的開關(guān)。其工作原理如下: 當(dāng)P02為“0”時(shí)，集體管飽合，為導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)LED亮，繼電器的線圈通電，產(chǎn)生電流，由電磁效應(yīng)可得有磁場(chǎng)產(chǎn)生，在磁場(chǎng)的作用下將使繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，從而電機(jī)電路導(dǎo)通，電機(jī)開始工作； 當(dāng)P02為“1”時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)LED熄滅，繼電器線圈不得電，從而無(wú)磁場(chǎng)產(chǎn)生，常開觸點(diǎn)無(wú)法閉合，因此，電機(jī)無(wú)法工作； 因此利用晶體管的開關(guān)特性，當(dāng)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)都正向偏置時(shí)，晶體管飽合；當(dāng)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)都反向偏置時(shí)，晶體管截止，即可通過(guò)單片機(jī)控制基極來(lái)控制電機(jī)的開關(guān)。 此繼電器一般分為兩路，分別為低電壓電路和高電壓電路。電路如圖4-5所示； 圖4-5 繼電器控制電路 （2）邊刷電機(jī)的控制電路設(shè)計(jì) 邊刷電機(jī)同風(fēng)機(jī)控制電路一樣，只要實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；本部分設(shè)計(jì)同樣采用三極管實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。其控制電路如圖4-6所示； 圖4-6 邊刷電機(jī)控制電路 此邊刷電機(jī)的控制方法同風(fēng)機(jī)的相同，D02口接單片機(jī)P00口即可。 注意： ① 此電路基極處必須串聯(lián)個(gè)大小為1K電阻，用來(lái)保護(hù)基極和 MCU的I/0口； ② 本電路中使用的PNP必須使用上拉電阻，增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力； ③ 集電極電阻阻值根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際情況調(diào)整。同樣基極電阻也可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整。 ④ 為了提高晶體管的穩(wěn)定性使晶體管截止時(shí)更加可靠，晶體管基極必須有輸入不能懸空；當(dāng)輸入信號(hào)不確定時(shí)必須加加下拉電阻使得基極有效接地。 4.3 傳感器部分設(shè)計(jì) 4.3.1 測(cè)速裝置模塊 本設(shè)計(jì)中測(cè)速裝置采用光電式測(cè)速編碼器。這種測(cè)速裝置主要由編碼盤、光電開關(guān)等組成；將帶有黑白條紋的圓盤裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)編碼盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)；然后利用光電開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖信號(hào)；通過(guò)MCU對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻率，幅值等數(shù)據(jù)測(cè)量便可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種利用光電開關(guān)和編碼盤測(cè)速的傳感器具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低且被測(cè)量的速度精度要求也較低時(shí)可以采用這種類型的裝置進(jìn)行速度檢測(cè)；此外，此裝置還能配置成里程表裝置，通過(guò)單片機(jī)檢測(cè)光電開關(guān)回饋的電壓脈沖信號(hào)便能計(jì)算出機(jī)器人移動(dòng)位移，同時(shí)間接得到機(jī)器人的速度值。 4.3.2 紅外避障裝置模塊 本設(shè)計(jì)使用四路紅外避障傳感器模塊；這種紅外傳感器對(duì)光線具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，且具有可調(diào)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、靈敏度高、干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。此裝置具有四路探頭，每路探頭配有信號(hào)發(fā)射管和信號(hào)接收管；發(fā)射管可發(fā)射出一定周期和幅值的紅外線，一旦探測(cè)到前方存在障礙物時(shí)，信號(hào)就會(huì)被障礙物面反射，同時(shí)信號(hào)被接收管探測(cè)到；經(jīng)過(guò)電壓比較器處理之后便可輸出高低電壓(有信號(hào)返回時(shí)，電壓輸出“1”；沒有信號(hào)返回時(shí)，電壓輸出“0”)，MCU便可以通過(guò)對(duì)輸出端口讀取信號(hào)并判斷是不是存在障礙物；此類型傳感器應(yīng)用范圍廣，如一般用于機(jī)器、智能小車等眾多場(chǎng)合。 （1)模塊參數(shù) ① 當(dāng)模塊探測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上紅色指示燈點(diǎn)亮。通過(guò)調(diào)節(jié)電位器的角度，此裝置檢測(cè)距離將變少。 ② 此裝置的檢測(cè)方式是利用信號(hào)的反射探測(cè)理論；因此，此傳感器具有局限性，如探測(cè)距離有限，當(dāng)障礙物為黑色物體時(shí)，由于紅外線無(wú)法反射回被接收，由此無(wú)法檢測(cè)黑色障礙物。 ③ 連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。 ④ 比較器采用LM339，工作穩(wěn)定。 ⑤ 可采用3.3V-5V 直流電源對(duì)模塊進(jìn)行供電。 ⑥ 具有3mm 的螺絲孔，便于固定、安裝。 ⑦ 尺寸大小（長(zhǎng)×寬×高）：中控板42mm×38mm×12mm；小板25mm×12mm×12mm； ⑧ 模塊反射距離越大，越容易誤觸發(fā)； （2）模塊接口說(shuō)明 ① 紅外探頭VCC GND OUT 對(duì)應(yīng)接入中控板VCC GND Inx； ② 中控板供電：模塊6p 排針接口處VCC 外接3.3V-5V 電壓（可以直接與5v 單片機(jī)和3.3v 單片機(jī)相連）；GND 外接GND ;OUT1-OUT4 接單片機(jī)IO 口； 4.3.3 防跌落開關(guān) 防跌落開關(guān)的作用來(lái)檢測(cè)智能掃地機(jī)的機(jī)身是否懸?。淮碎_關(guān)由三個(gè)探頭組成，分別安裝在智能掃地機(jī)機(jī)身的前端，尾端兩個(gè)輪子的旁邊，方向?qū)?zhǔn)地面；當(dāng)機(jī)身處于懸空狀態(tài)，向單片機(jī)輸入一個(gè)信號(hào)并對(duì)CPU申請(qǐng)中斷；這樣單片機(jī)發(fā)送中斷程序，使得機(jī)器人動(dòng)作，避開懸空區(qū)域，并發(fā)出警報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的防跌落功能。 4.4 電源電路設(shè)計(jì) 4.4.1 變壓電路設(shè)計(jì) （1）充電電源電路設(shè)計(jì) 充電站也像其他家用電器那樣需要220V交流電進(jìn)行供電，但智能掃地機(jī)硬件系統(tǒng)中所有元件都需要5V-9V的直流電壓，這就要求充電座為系統(tǒng)提供工作所需要的直流電壓。本設(shè)計(jì)中系統(tǒng)電源采用鎳氫電池供電；這種電池所需要的充電電壓要求大于18.5V,且需要使用恒流源進(jìn)行充電，在這種情況下電壓可以在一個(gè)范圍值內(nèi)上下波動(dòng)。本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)的供電范圍為19V-22V之間。其電路圖如下圖4-7所示； 這里采用變比為10:1的變壓器以及KBL406來(lái)對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行整流；3300uF的電容構(gòu)成濾波電路。 圖 4-7 充電電源電路圖 （2）系統(tǒng)應(yīng)用電路設(shè)計(jì) 智能掃地機(jī)采用鎳氫電池供電整個(gè)系統(tǒng)，總電壓為9V；由正負(fù)極板，隔離板，安全排氣孔等部件組成。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)電壓分為5V和9V。7805電源芯片具有設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且足夠機(jī)器人、單片機(jī)以及L298N模塊供電使用，因此在本設(shè)計(jì)中將采用7805芯片作為掃地機(jī)器人的電源變壓系統(tǒng)7805芯片包含有3個(gè)引腳，分別為電源輸入端、+5輸出端以及接電源負(fù)極端；此芯片電路最大能夠提供1.5A大小的電流， 輸入的電壓范圍為8.5V-14.5V，但其輸出電壓穩(wěn)定在+5V左右。根據(jù)7805電源芯片的情況，以及整個(gè)系統(tǒng)所需要的電壓工作情況，本設(shè)計(jì)將采用9V電源為芯片進(jìn)行供電。如圖4-8 7805引腳圖及4-9電源應(yīng)用圖。 圖4-8 7805芯片引腳 圖4-9 系統(tǒng)應(yīng)用電路圖 4.4.2 檢測(cè)電壓電路設(shè)計(jì) 為了使掃地機(jī)在欠壓的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自主尋找充電站進(jìn)行充電功能，在智能掃地機(jī)上必須檢測(cè)電壓的大小。在本設(shè)計(jì)中采用ADC0832轉(zhuǎn)換芯片檢測(cè)電壓。 ADC0832 具有較高的分辨率，支持兩個(gè)通道對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。它具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高，普及率高等特點(diǎn)。其引腳如圖4-10所示，應(yīng)用電路如圖4-11所示。 圖4-10 ADC0832引腳 參數(shù)： ① 分辨率, 比特:8bit； ② 采樣率:29kSPS； ③ 數(shù)據(jù)接口:串行口； ④ 電源電壓范圍 - 模擬:4.5V 到 6.3V； ⑤ 電源電流:900μA； ⑥ 芯片封裝類型:DIP，針腳數(shù):8； ⑦ 工作溫度范圍:0°C 到 +60°C； ⑧ SVHC(高度關(guān)注物質(zhì)):No SVHC (20-Jun-2011)； ⑨ Input Type:差分，單端； ⑩ 電源電壓 最大:6.3V；電源電壓 最小:4.5V； ? 表面安裝器件:通孔安裝； ? 輸入通道類型:差分，單端通道數(shù):1； 圖4-11 電壓檢測(cè)電路圖 4.4.3 充電控制路設(shè)計(jì) 為了達(dá)到無(wú)論在什么情況下都能精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的電量飽合情況進(jìn)行檢測(cè)這一目的，結(jié)合本課題自身的特點(diǎn)，選用BQ2002F集成芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電量的飽合狀況進(jìn)行控制。 BQ2002F能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源快速充電電量的控制，檢測(cè)電池是否充電飽合。它價(jià)格低廉并且是一款非常實(shí)用的CMOS電量控制器。當(dāng)電源完成充電時(shí)，它能夠非常可靠地終止充電動(dòng)作。此外，BQ2002F不僅可以制作成質(zhì)量好價(jià)格低的獨(dú)立充電器，還能夠制作成為機(jī)內(nèi)充電器。為了確保每次電源可以充滿電，此芯片還能夠?qū)崿F(xiàn)電量補(bǔ)充的功能。其構(gòu)成的充電控制器的原理圖如圖4-12所示。 充電站充電控制器的功能如表4-3所示； （1）定時(shí)控制：BQ2002F具有定時(shí)功能，可以利用TM端與三種不同的電壓相接來(lái)設(shè)置三種不同的定時(shí)值。 表4-3 不同定時(shí)時(shí)間定時(shí)參數(shù) 快充率 TM端所接電壓 定時(shí)時(shí)間（分） 是否支持慢充 充電率 C/2 中電平 150 是 C/48 1C 低電平 75 是 C/48 2C 高電平 35 否 C/24 ① 典型條件為25℃，VCC=5V; ② 中電壓為0.5xVcc±%； ③ 所有時(shí)間的容限為20%。 將TM端接分壓電阻來(lái)選擇第一種模式。 （2）電池電壓檢測(cè)；BQ2002F的BAT端為電壓檢測(cè)端；此外，由R1，R2組成的分壓器的電阻值必須大于200KΩ。電源系統(tǒng)中選用的電池節(jié)數(shù)為8節(jié)，則選用R2為470K。 BQ2002F芯片的CC端為充電控制端。充電電流由三引腳可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T組成的電流源提供1.9A電流,采用4個(gè)2.5Ω電阻并聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)晶體管截止時(shí)，CC端呈現(xiàn)出高阻態(tài)，這時(shí)LM317通過(guò)R4-R7對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，LM317T通過(guò)開關(guān)形成回路，此時(shí)停止充電。其中LED為充電指示燈，綠色時(shí)表示在充電。 圖4-12 充電站控制電路 5 智能掃地機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì) 5.1 軟件總體設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)總框圖如下圖5-1所示，是整個(gè)智能掃地機(jī)的功能框圖；整個(gè)程序可分為主程序和子程序；子程序包括初始化、延時(shí)、藍(lán)牙遙控、紅外避障、防跌落、自動(dòng)清掃以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等；其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是保證掃地機(jī)器人正常工作的基本部分，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪子電機(jī)和風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)的控制；其他子程序部分保證了智能掃地機(jī)能夠具有設(shè)定的功能。 圖5-1 總體設(shè)計(jì)框圖 5.2 初始化程序 通常智能掃地機(jī)剛開啟的時(shí)需要進(jìn)行程序初始設(shè)定；在特別狀況下，也需要軟件對(duì)裝置進(jìn)行初始設(shè)定。初始程序主要是為了給整個(gè)程序中用到的變量、寄存器等寫入特定的值，當(dāng)程序出現(xiàn)跑飛等情況時(shí)，能夠立即將裝置，變量等恢復(fù)到初始值。一般在寫程序時(shí)將初始化程序?qū)懺陂_始以使上電后立即進(jìn)行初始化。一經(jīng)編寫好的程序非特殊下不需要變動(dòng)，這是因?yàn)殡S意變動(dòng)設(shè)定好的程序可能會(huì)導(dǎo)致一些異常情況發(fā)生。 5.3 主程序設(shè)計(jì) 在執(zhí)行程序之前，要對(duì)整個(gè)智能掃地機(jī)完成程序的初始狀態(tài)設(shè)定，然后進(jìn)入主程序；此時(shí)需要先對(duì)系統(tǒng)電源執(zhí)行電壓檢測(cè)，檢測(cè)電源電壓是否充足；當(dāng)電源欠壓時(shí)，將執(zhí)行自動(dòng)充電程序，尋找充電站并進(jìn)行充電程序；期間不斷檢測(cè)電源是否充滿，充滿后將返回執(zhí)行主程序，分別執(zhí)行清掃程序，障礙物檢測(cè)程序；當(dāng)探頭探測(cè)到存在障礙物時(shí)，CPU將執(zhí)行避障程序；當(dāng)掃地機(jī)執(zhí)行完避障程序之后，將跳轉(zhuǎn)到工作程序；當(dāng)探頭檢測(cè)到機(jī)身懸空時(shí)，定時(shí)器申請(qǐng)中斷，跳轉(zhuǎn)到防跌落程序并執(zhí)行；當(dāng)智能掃地機(jī)完成此程序時(shí)跳轉(zhuǎn)到工作程序。程序流程圖如圖5-2。 圖5-2 主程序流程圖 5.4 紅外避障程序設(shè)計(jì) 紅外避障程序功能用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人前方是否存在障礙物，以此保證在遇到障礙物時(shí)能夠從旁邊繞開；避障程序主要是通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以保證掃地機(jī)能夠成功繞開障礙物；機(jī)器人機(jī)身配備有4個(gè)紅外探頭；當(dāng)前方探頭探測(cè)到障礙物時(shí)，其掃地機(jī)向后運(yùn)動(dòng)然后向左轉(zhuǎn)，之后跳轉(zhuǎn)到避障程序；當(dāng)左探頭探測(cè)到障礙物，掃地機(jī)將向后行走，右轉(zhuǎn)，然后跳轉(zhuǎn)到避障程序；當(dāng)右探頭探測(cè)到障礙物時(shí)，掃地機(jī)將向后行走，然后向左轉(zhuǎn)動(dòng)，再跳轉(zhuǎn)到避障程序；其具體設(shè)計(jì)程序流程如圖5-3。 圖5-3 避障程序流程圖 5.5 防跌落程序設(shè)計(jì) 防跌落程序可當(dāng)智能掃地機(jī)器人的機(jī)身懸空時(shí)發(fā)揮作用，保護(hù)機(jī)器人的安全，使得機(jī)器人立即停止工作或后退遠(yuǎn)離懸空區(qū)域。在底盤上裝有3個(gè)紅外探頭，用來(lái)探測(cè)機(jī)器人是否懸空；1號(hào)探頭裝于萬(wàn)向輪前方，當(dāng)檢測(cè)到前方機(jī)身懸空時(shí)，機(jī)器人將立即停止工作，延時(shí)自動(dòng)后退90ms，然后再左轉(zhuǎn)90ms后返回防跌落程序； 2號(hào)紅外探頭配置于左輪后方，當(dāng)機(jī)器人后退時(shí)檢測(cè)后方是否處于懸空狀態(tài)；當(dāng)探頭檢測(cè)到機(jī)身懸空時(shí)，機(jī)器人將停止工作，延時(shí)一段時(shí)間后向前行走90ms，然后向右旋轉(zhuǎn)90ms后返回防跌落程序；三號(hào)探頭裝在右輪后方，用于檢測(cè)后方是否處于懸空狀態(tài)；當(dāng)探頭檢測(cè)到掃地機(jī)的尾部懸空時(shí)，掃地機(jī)將向前行走90毫秒，然后再向左旋轉(zhuǎn)90毫秒，最后跳轉(zhuǎn)到防跌落程序。程序流程如圖5-4所示。 圖5-4 防跌落流程圖 5.6 藍(lán)牙遙控程序設(shè)計(jì) 本程序流程圖如圖5-5所示；在初始狀態(tài)設(shè)置中設(shè)置SCON為方式1，然后將T1設(shè)置成方式2，并將串口的波特率設(shè)置為9600b/s；在主程序中檢測(cè)SBUF寄存器中接受到值并判斷，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)人工按下遙控模式按鍵時(shí)，延時(shí)去抖檢測(cè)是否誤觸，確定后將串口寄存器的REN位置1,即允許MCU接收串口發(fā)送的數(shù)值，開啟人工遙控模式。 圖5-5 藍(lán)牙遙控流程圖 5.7 自動(dòng)充電程序設(shè)計(jì) 當(dāng)MCU通過(guò)數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊檢測(cè)到電池電壓低于規(guī)定值時(shí)，掃地機(jī)關(guān)閉風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)執(zhí)行自主進(jìn)行電量補(bǔ)充的程序；如果掃地機(jī)信號(hào)接收端沒有收到來(lái)自充電站發(fā)射端的信號(hào)，掃地機(jī)將執(zhí)行避障程序和防跌落程序。當(dāng)掃地機(jī)接收到信號(hào)后即刻停止所有程序并開始執(zhí)行自動(dòng)充電程序。此外，掃地機(jī)的充電站一定要安置在范圍寬闊的的墻角處，以便于掃地機(jī)的尋找；程序流程圖如圖5-6所示。 圖5-6 自動(dòng)程序設(shè)計(jì)流程圖 結(jié)論 本論文以智能掃地機(jī)器人為研究對(duì)象，以數(shù)電、模電及單片機(jī)為基礎(chǔ)，對(duì)智能掃地機(jī)器人各部分分別做了具體分析，其中包括主控系統(tǒng)的選擇、傳感器的選型、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路的選擇、遙控方式的選擇。本系統(tǒng)中單片機(jī)作為最主要的控制中心，其控制著所有芯片，因此在選型時(shí)做了嚴(yán)格挑選。 通過(guò)對(duì)本課題的研究和制作，我對(duì)傳感器學(xué)有了非常深刻的理解，并且增強(qiáng)了我的動(dòng)手能力；此外，我還掌握如何控制電機(jī)的方法及使用脈沖技術(shù)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)。最主要的是提高了本人研究與分析問(wèn)題的能力。 根據(jù)驗(yàn)證的方法，結(jié)束了對(duì)掃地機(jī)電控系統(tǒng)以及軟件部分的設(shè)計(jì)之后，通過(guò)幾天對(duì)掃地機(jī)的運(yùn)行與調(diào)整，掃地機(jī)的各個(gè)部件都運(yùn)行良好。這檢驗(yàn)了本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方案非常具有可行性，并且實(shí)現(xiàn)了預(yù)先設(shè)定的功能。因?yàn)闀r(shí)間的約束和本人能力的局限性，本次設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)仍存在一些問(wèn)題需要進(jìn)一步解決，比如其清掃效果有待改進(jìn)等，但我堅(jiān)信，不斷成熟的科學(xué)技術(shù)會(huì)使智能掃地機(jī)具有更寬廣的發(fā)展市場(chǎng)；為社會(huì)，為人類創(chuàng)造更多的效益。 致謝 參考文獻(xiàn) [1] 譚定忠，王啟明，李金山，李林.清潔機(jī)器人研究發(fā)展現(xiàn)狀[M]. 20