智能掃地機器人課程設計

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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

2、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 ? 國家農業(yè)智能裝備工程技術研究中心邱權博士介紹說，掃地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

3、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

4、 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

5、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。 A

6、T89S52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。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。

7、 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（在感性負載中，電 路斷開后會產生很大的反電動勢，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，電機內的電感產生很大的反電

8、 動勢，每一個單元的二極管都與三極管的集電極相連，產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 RF903模塊，作為微功率模塊，傳輸距離能達到 500 米，兼具了低功

9、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

10、, 顯示尺寸小巧 , 管腳占用 少，適合單片機特點。 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

11、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 KeyIn1 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.

12、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)射極和基極之間產生電流， 此時 Q1導通，蜂鳴器開始蜂鳴 。 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 SENS

13、A、 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， 4.5~7V VSS 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 IN1 IN2 ENA 電機狀態(tài) X X 0 停止 1 0 1 順時針 0 1 1 逆時針 0 0 0 停止

14、 1 1 0 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

15、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、大電流復合晶體管 IC—ULN2003，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，

16、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 DIP—16 或 SOP—16 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 ,NPN 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

17、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 500mA， 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品 , 具有電流增益高、工作電壓高、 溫度

18、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

19、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機

20、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

21、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。基于紅外線與碰撞傳感器障礙檢測系統(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，T

22、XMODE在+10dBm情況下，電流為 40mA；RXMODE為 14mA;收發(fā)模式切換時間 < 650us 5) 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 ) ，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

23、) 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 100 0。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 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，應將最高位

24、的 1 保留。然后，再按同樣的方式將次高位置成 1，并且經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。可見逐次逼近轉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 5V 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)

25、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

26、 、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、模塊接口： 4 線 SPI 接口、支持模擬 SPI 和硬件 SPI、最少只需 4

27、 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 Y N 調用液晶顯示 蜂鳴器持續(xù)報警

28、 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 Y N 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