1、課題背景及研究的目的和意義1.1課題背景掃地機(jī)器人是服務(wù)機(jī)器人的一種，可以代替人進(jìn)行清掃房間、車間、 墻壁等。提出一種應(yīng)用于室內(nèi)的移動清潔機(jī)器人的設(shè)計方案。其具有實 用價值。室內(nèi)清潔機(jī)器人的主要任務(wù)是能夠代替人進(jìn)行清掃工作，因此 需要有一定的智能。清潔機(jī)器人應(yīng)該具備以下能力：能夠自我導(dǎo)航，檢 測出墻壁，房間內(nèi)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(jié)合掃地 機(jī)器人主要功能探討其控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計。1.2研究目的和意義國家農(nóng)業(yè)智能裝備工程技術(shù)研究中心邱權(quán)博士介紹說，掃地機(jī)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(shè)備。它通過 各種傳感器，比如碰撞開關(guān)、紅外接近開關(guān)、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(dāng)前的任務(wù)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(jī)器人底部所安裝的紅外傳感器 檢測地面的距離，當(dāng)距離發(fā)生變化時機(jī)器人將停止并改變路線。由于掃地機(jī)器人是一個智能化產(chǎn)品,1.3工作原理掃地機(jī)器人機(jī)身為可移動裝置，機(jī)器人依托紅外識別以及超聲波測 距從而避障，配合芯片控制內(nèi)部電機(jī)轉(zhuǎn)動以及內(nèi)部真空環(huán)境吸塵，通過 路線設(shè)計，在室內(nèi)自由行走，由中央主刷旋轉(zhuǎn)清掃，并且輔以邊刷，沿 直線或者之字形活動路徑打掃。2、設(shè)計要求與內(nèi)容1）以AT89S52系列單片機(jī)為核心設(shè)計移動清掃機(jī)器人電機(jī)驅(qū)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(shè)計，完成 充電站檢測電路設(shè)計，完成避障算法與路徑規(guī)劃算法設(shè)計。2）按鍵選擇清掃模式和充電模式。3）顯示方式LED顯示當(dāng)前時間和機(jī)器人當(dāng)前工作狀態(tài)。3、系統(tǒng)方案設(shè)計3.1設(shè)計任務(wù)1）利用AT89S52處理器編程實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。2）液晶顯示掃地機(jī)器人的內(nèi)部參數(shù)。3）當(dāng)掃地機(jī)器人顯示電量不足時，無線模塊發(fā)送命令到充電樁，開始進(jìn) 行充電模式，此時紅外發(fā)射光線充電樁與掃地機(jī)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(jī)器人與充電樁之間的距離， 防止速度過快損毀機(jī)器。4）按鍵實現(xiàn)充電，清掃，停止 3種模式對掃地機(jī)器人進(jìn)行模式的切換。5）用protel繪制詳細(xì)電路原理圖，標(biāo)明元器件的型號、參數(shù)和引腳功 能符號，電路圖應(yīng)符合電氣要求。3.2系統(tǒng)整體框圖紅外電壓控制驅(qū)動超聲波AT89S520按鍵TFT液晶屏無線模塊3.3選擇方案論證3.3.1單片機(jī)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CMOS位微控制器，具有8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器。 使用Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方 案。綜上所述，選擇方案一，價格適中，可操作性強(qiáng)，且現(xiàn)在使用AT89S52 也是一種難度適中的選擇。332驅(qū)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(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時，該腳接負(fù)載電源正極， 起續(xù)流作用（在感性負(fù)載中，電路斷開后會產(chǎn)生很大的反電動勢，為防 止損壞達(dá)林頓管，接反相的二極管來構(gòu)成通路，使之轉(zhuǎn)換為電流）。另外 二極管的作用，驅(qū)動電流斷開時，電機(jī)內(nèi)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(gòu)成 了放點回路，從而保護(hù)了三極管。方案三：使用東芝半導(dǎo)體公司 TB6612FNC驅(qū)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(qū)動電機(jī)。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(qū)動電路，選用ULN2003作為清掃電機(jī)驅(qū)動電路。333無線模塊選擇方案論證方案一：選用RF903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到500米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)距離的要求、另外性能強(qiáng)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(qiáng)。方案二：選擇NRF24I01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(qiáng)， 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(qiáng)大，顯示尺 寸小巧,管腳占用少，適合單片機(jī)特點。3.4硬件電路設(shè)計3.4.1原理圖設(shè)計67342獨立式鍵盤設(shè)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(yīng)該有按鍵供選擇。獨立式鍵盤設(shè)計結(jié)構(gòu)簡便，設(shè)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Keyij 13K己y 11門K1K2O OK3O O獨立式按鍵原理圖4條輸入線接到單片機(jī)的10 口上，當(dāng)按鍵K1按下時，+5V通過 電阻R1然后再通過按鍵K1最終進(jìn)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，Keyln1這個引腳就是個低電平。 當(dāng)松開按鍵后，線路斷開，就不會有電流通過，那么 Keyl n1和+5V就 應(yīng)該是等電位，是一個高電平。我們就可以通過 Keyl n1這個I0 口的 高低電平來判斷是否有按鍵按下。343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(qū)動蜂鳴器。所以，我們用 GPIO口來控希9 8550的導(dǎo)通與截止，從 而來控制蜂鳴器。當(dāng)向F1寫入邏輯1時，F(xiàn)1輸出高電平（+3.3V），8550的基極電流 為0,此時Q1處于截止?fàn)顟B(tài)，電源不能加到蜂鳴器的正極上，蜂鳴器不 能蜂鳴；當(dāng)向F1寫入邏輯0時，F(xiàn)1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(dǎo)通，蜂鳴器開始蜂鳴LSL氐II卜I尺口"QI峰旳器很咎。344移動驅(qū)動電路引腳功能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&號IN1、IN2、IN3、IN4輸入端，TTL邏輯電平信號0UT1 0UT2 0UT3 0UT4輸出端，與對應(yīng)輸入端同邏輯VCC邏輯控制電源，4.57VVSS電機(jī)驅(qū)動電源，最小值需比輸入的低電平電壓咼GND地L298的邏輯功能IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止當(dāng)使能端為高電平時，輸入端IN1為PWM信號,IN2為低電平信號時, 電機(jī)正轉(zhuǎn)；輸入端IN1為低電平信號，IN2為PWM信號時,電機(jī)反轉(zhuǎn)；IN1 與IN2相同時，電機(jī)快速停止。當(dāng)使能端為低電平時，電動機(jī)停止轉(zhuǎn)動。在對直流電動機(jī)電壓的控制和驅(qū)動中，半導(dǎo)體功率器件（L298）在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式在線性放大 驅(qū)動方式。半導(dǎo)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(yán)重。開關(guān)驅(qū)動方式是使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通 過脈調(diào)制（PWM來控制電動機(jī)的電壓，從而實現(xiàn)電動機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。CrNDSV-JP2T 1|i I(MlIM2IMS彳FM41 2QX345清掃電機(jī)驅(qū)動電路高耐壓、大電流復(fù)合晶體管 IC ULN2003 ULN2003是高耐壓、大 電流復(fù)合晶體管陣列，由七個硅 NPN復(fù)合晶體管組成該電路的特點如下：ULN2003的每一對達(dá)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CMO電路直接相連，可以直接處理原先需要標(biāo)準(zhǔn) 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(dá)500mA并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V的電壓，輸出還可以在高負(fù)載電流并行運行。ULN2003采用DIP16或SO16塑料封裝。ULN2003內(nèi)部還集成了一個消線圈反電動勢的二極管，可用來驅(qū)動 繼電器。它是雙列16腳封裝,NPN晶體管矩陣，最大驅(qū)動電壓=50V,電流 =500mA輸入電壓=5V，適用于TTL、COM，由達(dá)林頓管驅(qū)動電路。ULN是 集成達(dá)林頓管IC,內(nèi)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勺 為36V。用戶輸出口的外接負(fù)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(qū)動繼電器或固體繼電器，也可直接驅(qū)動 低壓燈泡。通常單片機(jī)驅(qū)動ULN2003時，上拉2K的電阻較為合適，同時， COMH腳應(yīng)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(qū)動電流 最大可達(dá)500mA 9腳可以懸空。比如1腳輸入，16腳輸出，你的負(fù)載 接在VCC與16腳之間，不用9腳ULN2003是高壓大電流達(dá)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(fù)載能力強(qiáng)等特點，適應(yīng)于各類要求高12速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。CONKour I CFLT2Oi I CXJT4IX T5WHIXJT7liNU COM1N331M44VM5市VCI7INIIN2IH3 tK4IN 5 tNh1N7IIIt)VVM JZOirri-OUT：OTTT3;oTTri:CQN?13#|l1GNDdluF活和電機(jī)脈動346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(jī)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(yīng)屬光學(xué)感應(yīng)技術(shù)， 超聲波感歸屬于聲學(xué)感應(yīng)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(jī)器人的接收器可以接受障礙物反彈的回波并通 過分析回波信號判斷前方有無障礙物。超聲波感應(yīng)技術(shù)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。347紅外模塊紅外線檢測技術(shù)的優(yōu)點：技術(shù)成熟、成本低廉、使用壽命長和工作 可靠性高。一對優(yōu)質(zhì)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(shù) 的缺點：紅外線對透明或半透明的障礙物具備較強(qiáng)的穿透性，機(jī)器人將 無法感應(yīng)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(shù)的 掃地機(jī)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(shù)存在一些缺點，但是作為目前最成熟的障礙物檢測技術(shù)，它 仍然將在相當(dāng)長的一段時間內(nèi)存在，縱觀目前市場上銷售的掃地機(jī)器人 產(chǎn)品，會發(fā)現(xiàn)幾乎所有的掃地機(jī)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(shù)的產(chǎn)品特征為：在機(jī)器人的碰撞欄前端有一圈茶黑色 感應(yīng)窗，傳感器安裝在感應(yīng)窗內(nèi)部。該檢測系統(tǒng)的檢測原理為：機(jī)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(jī)器人內(nèi)部紅外接收器檢測到回波后，會認(rèn)為前方存在障礙物， 即命令減緩機(jī)器的前進(jìn)速度以慢速碰撞障礙物，確定障礙物的位置后進(jìn) 行避障行為?；诩t外線與碰撞傳感器障礙檢測系統(tǒng)是目前掃地機(jī)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(shù)vetGD|P32VC X VDD GW OUT紅外接收模塊348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(diào)制,抗干擾能力強(qiáng),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(nèi)置硬件CRC僉錯和點對 多點通信地址控制4）低功耗3-3.6V工作，待機(jī)模式下狀態(tài)僅為 2.5uA，TXMOD在+10dBm 情況下，電流為40mA RXMODE 14mA收發(fā)模式切換時間< 650us5）模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機(jī)地址時才會輸出數(shù)據(jù)（提供中斷指示），可直接串接各種單片機(jī)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(wù)周期模式，自帶喚醒定時器，與RF905SES程接口類似8）增加了 RSSI功能，通過SPI接口可以獲取當(dāng)前接收到的信號強(qiáng)度 （0-255），可以供當(dāng)前設(shè)備做出決策，比如低于某個數(shù)值 50可以報警， 提示用戶當(dāng)前信號質(zhì)量比較低等9）作為微功率模塊，傳輸距離能達(dá)到 500米，兼具了低功耗和遠(yuǎn)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莫塊，此模塊是12位逐次逼近型的模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器。逐次逼近型模數(shù)轉(zhuǎn)換器基本工作原理是轉(zhuǎn)換開始前先將所 有寄存器清零。開始轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的模擬電壓 U0, 送到比較器中與Ux進(jìn)行比較。若U0> Ux，說明數(shù)字過大了，故將最高 位的1清除；若U0< Ux，說明數(shù)字還不夠大，應(yīng)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(yīng)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(zhuǎn)換過程與用 天平稱量一個未知質(zhì)量的物體時的操作過程一樣，只不過使用的砝碼質(zhì) 量一個比一個小一半。如下圖，當(dāng)采用壓電阻將輸入的電壓從 12V分壓至5V或者3.3V以 內(nèi)，然后輸入到AD轉(zhuǎn)換模塊，為了保護(hù)轉(zhuǎn)換模塊的安全。輸入的電壓經(jīng) 過鉗位保護(hù)電路后進(jìn)入AD模塊。由于此轉(zhuǎn)換模塊是10位的AD模塊，進(jìn) 入之后得到數(shù)字量，然后進(jìn)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(dāng)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。TFT"a I* io11cadcr 3模數(shù)轉(zhuǎn)換12V電甩也沖慣以3410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(shè)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(zhǔn)為參考電壓的1%這種限流起到平衡的作用，調(diào)整器和電源電路使超負(fù)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(diào)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(diào)整率：最大0.2%,負(fù)載調(diào)整率：最大0.4%,封裝形式：SOT-223和 TO-252應(yīng)用范圍：高效率線性標(biāo)準(zhǔn)器、快速整流校準(zhǔn)器、5V到3.3V的線性校準(zhǔn)器、電池充電器、現(xiàn)行小型計算機(jī)系統(tǒng)接口終端、筆記本的電源 設(shè)備電池動力儀器。耳（?KCK loonrT”5Vloonr5V-2ININSV4 PIDf>nSV14GND<rN|lLMJlllJllT5V-JHWi.xpKoCiNDL，lQIn XpILIiniTr104QJu -Out JlUOnfUWLW<JNDLM6lmAi)C；ND12VlOOnf-I hK4"12ah緲CiNDGND編碼器CJ1121J4C*r F,J91 nlitIV12idMi IT If)1氏1 wL O-1 J紅外超市話3411液晶顯示屏全新1.8寸串口 SPI彩屏模塊、分辨率：128X160驅(qū)動IC : ST7735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(qū)動.本模塊特點：1. 支持Arduino各種單片機(jī)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(zhuǎn)換方案，真正可完美兼容5V/3.3VIO電平，支持各種單片機(jī)IO連接4. 集成SD卡擴(kuò)展電路，5. 預(yù)留SPIFLASF字庫電路，方便擴(kuò)展應(yīng)用5V-3 PIGND|CI K23斗67TFT液品顯示213.5軟件設(shè)計3.5.1主程序設(shè)計3.5.2清掃模式設(shè)計233.5.3充電模式程序設(shè)計243.5.4停止模式程序設(shè)計25