基于單片機的掃地機器人的設計（簡易掃地機的設計）

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畢業(yè)設計題 目： 基于單片機的掃地機器人的設計副 標 題：學 生 姓 名：所在系、專業(yè)： 班 級：指 導 教 師：日 期：AbstractI摘 要本文主要設計并制作一個簡易掃地機器人。本掃地機器人具有自動清掃、自動充電、防撞、防跌落的功能。本文介紹了掃地機器人系統(tǒng)的總體的設計方案，它主要由MCU 主控電路、防撞電路、防跌落電路、電壓檢測電路、穩(wěn)壓電路和充電位檢測電路組成。它 完 全 解 放 了 人 民 的 雙 手 ， 能 夠 全 自 動 的 完 成 清 掃 工 作 ， 當 電 量 不 足 時 ， 自 動尋 到 充 電 座 ， 進 行 充 電 ， 充 滿 后 繼 續(xù) 工 作 本機采用 stc89c52 單片機為核心控制器件，雖然它的是一個入門級的單片機，但成本低，效率高，編寫程序簡單等優(yōu)點，在市場上還是有很好的應用前景。關(guān)鍵字：掃地機器人；壁障；stc89c52 單片機摘要IIAbstractIn this paper, the design and implementation of a simple cleaning robot. The sweeping robot with automatic cleaning, automatic charging, anti-collision, anti drop function. This paper introduces the design scheme of the overall cleaning robot system, which mainly consists of MCU main control circuit, protection circuit, fall protection circuit, voltage detection circuit, voltage stabilizing circuit and a charging position detection circuit. It is completely liberated people's hands, and can automatically complete the cleaning work, when electricity shortage, automatically find charging, charging, full continue to work the machine adopts STC89C52 microcontroller as the core control device, although it is an entry-level microcontroller, but low cost, high efficiency advantages, writing the program is simple, and has good application prospect in the market.Keywords：Sweeping robot，barrier, STC89C52目 錄III目 錄摘 要 .IAbstractII目 錄 .III1、概述 11.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究背景 11.2 研究的目的和意義 11.3 課題的要內(nèi)容 11.3.1 掃地機器人功能 11.3.2 性能指標 21.3.3 論文的主要內(nèi)容 22、電路設計、理論分析與計算 32.1 電源電路設計 32.1.1 電路原理 32.2 總控制電路 42.2.1 STC89C52 單片機簡介 .42.2.2 總控制電路的設計 62.3 防跌落電路 82.4 防撞落電路 .102.5 電源電壓檢測電路 .102.6 電池充電電路 .112.6.1 電池充電電路設計 .112.7 電機驅(qū)動電路 .122.7.1 電機的選擇 .122.7.2 電機驅(qū)動電路設計 .133、PCB 板的設計與制作 .163.1 PCB 板的設計 .163.2 PCB 板的制作 .174、電路焊接與調(diào)試 .204.1 電路焊接 .204.2 防撞電路的調(diào)試 .204.3 防跌電路的調(diào)試 .205、系統(tǒng)程序的設計 .215.1 C 語言與匯編語言的優(yōu)缺點 .215.2 系統(tǒng)程序設計 .215.2.1 程序的初始化 .215.2.2 主程序的設計 .215.2.3 防撞程序的設計 .225.2.3 防跌落程序的設計 .235.2.4 充電尋跡程序的設計 .246、外殼制作 .266.1 有機玻璃的特性 .266.1 底板制作 .266.2 邊框制作 .276.3 儲灰盒制作 .287、整機調(diào)試與功能介紹 .297.1 存在的問題與解決方案 297.2 系統(tǒng)缺陷 307.2.1 傳感器缺陷 .307.2.2 電池缺陷 .307.2.3 吸塵器功率缺陷 .30目錄IV7.3 功能說明 .308、總結(jié) .31致 謝 32參考文獻 33附 錄 3411、概述1.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究背景在國內(nèi)的一些大學、如哈爾濱工業(yè)大學、華南理工大學、上海交通大學等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一成果，對清掃機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電源管理、動力 驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學于 90 年代開始致力于這方面的亞久，與香港中文大學合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全放位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務載體具有更好的功能適應性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能能更好地適應不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學l999 年初在浙江大學機械電子研究所開始進行智能吸塵機器人的研究，兩年后設計成功國內(nèi)第一個左右初步朱能的自主吸塵機器人，這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學習；利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走， 在清潔這角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在 5.5×3.5m2 的實際家庭環(huán)境中，工作 10 分鐘可以達到 90％以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、 智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。1.2 研究的目的和意義 吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融臺起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應用，從技術(shù)方面講，智能化自王式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代 表性。性市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，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鹿清掃機器人。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。1.3 課題的要內(nèi)容1.3.1 掃地機器人功能（1）自動清掃（2）壁障（3）防撞基于單片機的掃地機的設計2（4）自動充電（5）虛擬墻1.3.2 性能指標（1）輸入電壓：13V~15V（2）輸入電流：1A（3）運行速度：10m/min（4）最大工作時間 30min1.3.3 論文的主要內(nèi)容第一部分主要介紹課題的背景，研究的目的與意義。第二部分詳細說明了掃地機器人各部分電路的設計。第三部分詳細描述了 PCB 板的設計流程。第四部分詳細描述了焊接工藝和部分電路的調(diào)試。第五部分詳細說明了系統(tǒng)軟件設計，并給出詳細的流程圖。第六部分詳細介紹了掃地機的外殼制作過程。第七部分對掃地機的整機裝配及調(diào)試進行了詳細的說明。第八部分設計總結(jié)。32、電路設計、理論分析與計算2.1 電源電路設計電源的好壞決定了整個電路的穩(wěn)定性，輸出波紋越平滑，性能越好。本電源采用兩塊 LM7805 作為穩(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 是國家半導體開發(fā)出來比較成熟，較早的一種線性穩(wěn)壓半導體器件，通常采用 TO-220 封裝，具有短路保護、過流保護、高溫保護等保護措施，同時只要用到很少的元件就能輸出穩(wěn)定的 5V 電壓，最大輸出電流能達到 1.5A。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 封裝圖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，查找后發(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 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)成達林頓驅(qū)動管，Q3 為控制管，當 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 為高電平時電機供電部分停止工作。U4 單獨為兩個減速電機和邊刷提供 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。在正常開機后連續(xù)保持輸出。電源電路如圖 2-2 所示。基于單片機的掃地機的設計4Vin1G ND2Vout3U47805C116V/220uFC716V/470uFC3104BAT+R393.6DJ5VVin1G ND2Vout3U57805C216V/220uFC816V/470uFC41045V12J1Q213003Q1S8050F12ADY12V12VBAT+12K1R?22KQ38050圖 2-2 電源電路2.2 總控制電路2.2.1 STC89C52單片機簡介STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。STC89C52 使用經(jīng)典的 MCS-51 內(nèi)核，但做了很多的改進使得芯片具有傳統(tǒng) 51 單片機不具備的功能。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用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標準功能： 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 4KB EEPROM，MAX810 復位電路，3 個 16 位定時器/計數(shù)器，4 個外部中斷，一個 7 向量 4 級中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結(jié)構(gòu)） ，全雙工串行口。另外 STC89C52 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?？臻e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。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。1)特性1 8K 字節(jié)程序存儲空間。2 512 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間。3 內(nèi)帶 2K 字節(jié) EEPROM 存儲空間。4 可直接使用串口下載。2)參數(shù)1 增強型 8051 單片機，6 時鐘/機器周期和 12 時鐘/機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051，工作電壓：5.5V～3.3V。2 工作頻率范圍：0～40MHz，相當于普通 8051 的 0～80MHz，實際工作 頻率可達548MHz。用戶應用程序空間為 8K 字節(jié)。3 片上集成 512 字節(jié) RAM。4 通用 I/O 口（32 個） ，復位后為：P0/P1/P2/P3 是準雙向口/弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。5 ISP（在系統(tǒng)可編程）/IAP（在應用可編程） ，無需專用編程器，無需專用仿真器，可通過串口（RxD/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。6 具有 EEPROM 功能。7 共 3 個 16 位定時器/計數(shù)器。即定時器 T0、T1、T2。8 外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路，Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒。9 通用異步串行口（UART） ，還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART。10 工作溫度范圍：-40～+85℃（工業(yè)級）/0～75℃（商業(yè)級） 。11 PDIP 封裝。3) 引腳介紹STC89C52 有 PDIP、PLCC、TQFP 三種封裝方式，其中最常見的就是采用 40Pin 封裝的雙列直封裝，外形結(jié)構(gòu)下圖。芯片共有 40 個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口（如圖 2-3）左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為 1、2、3、4。 。 。40，其中芯片的 1 腳頂上有個凹點。在單片機的 40 個引腳中，電源引腳 2 根，外接晶體振蕩器引腳 2 根，控制引腳 4 根以及 4 組 8位可編程 I/O 引腳 32 根。VCC(Pin40)：電源輸入，接＋5V 電源GND(Pin20)：接地線XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端RST/VPP(Pin9)：復位引腳，引腳上出現(xiàn) 2 個機器周期的高電平將使單片機復位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 STC89C5 單片機有 4 組 8 位的可編程 I/O 口，分別位 P0、P1、P2、P3 口，每個口有 8 位（8 根引腳） ，共 32 根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時就是利用這些可編程引腳來實現(xiàn)我們想要的功能，盡情發(fā)揮你的想象力吧，實現(xiàn)你想要的：） 強大無比。 。 。PO 口（Pin39～Pin32）：8 位雙向 I/O 口線，名稱為 P0.0～P0.7P1 口（Pin1～Pin8）：8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P1.0～P1.7 P2 口（Pin21～Pin28）：8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P2.0～P2.7 基于單片機的掃地機的設計6P3 口（Pin10～Pin17）：8 位準雙向 I/O 口線，名稱為 P3.0～P3.7上面就是 STC89C5 單片機引腳的簡單介紹，其它 51 系列家族的單片機8031、8051、89C51 等引腳和 89S51 兼容，只是個別引腳功能定義不同。如圖 5-3 為51 單片機的引腳分布圖。圖 2-3 51 單片機引腳圖2.2.2 總控制電路的設計1)I/O 口定義1 P00、P01、P02、P12、P13、P14 為掃地機器人防撞信號輸入引腳；2 P03、P04、P05 為防跌落信號引腳；3 P10 為電機電源控制型號（低電平有效） ；4 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；5 P23、P24、P24、P26 為充電時位置檢測信號輸入引腳；6 P34、P35、P35、P35 為電機驅(qū)動信號，P34、P35 控制左電機正反轉(zhuǎn)，P35、P35 控制左電機正反轉(zhuǎn)；7 P20 為兩邊刷電機控制信號；8 P21 為吸塵器電機控制信號；9 P36、P37 為晶振信號輸入引腳10 REST 引腳為復位信號輸入引腳2)復位電路設計751 單片機高電平復位。以當前使用較多的 STC89 系列單片機來說， ，在復位腳加高電平 2 個機器周期（即 24 個振蕩周期）可使單片機復位。復位后，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）復位方式有兩種：1 手動復位：按鈕按下，復位引腳得到 VCC 的高電平，單片機復位，按鈕松開后，單片機開始工作。2 上電復位：上電后，電容電壓不能突變，VCC 通過復位電容給單片機復位腳施加 高電平 5V，同時，通過電阻向電容器反向充電，使復位腳電壓逐漸降低。經(jīng)一定時間后復位腳變?yōu)?0V，單片機開始工作。本復位電路采用上電自動復位電路，電阻和電容的阻值根據(jù)時間常熟 τ=RC 求出電阻和電容的阻值分別為 10K 與 10uF。復位電路如圖 2-4。晶振電路設計理論上來說，振蕩頻率越高表示單片機運行速度越快，但同時對存儲器的速度和印刷電路板的要求也就越高。如同木桶原理。同時單片機性能的好壞，不僅與 CPU 運算速度有關(guān)，而且與存儲器的速度、外設速度等都有很大關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上 STC89 系列單片機最高頻率可達到 40MHZ，但頻率越高就越不穩(wěn)定，最終根據(jù)數(shù)據(jù)手冊所推薦使用 12MHZ，這以常見的晶振。并聯(lián)諧振電路對電容的值沒有嚴格要求，但兩個電容必須，不然會影響振蕩器的穩(wěn)定、振蕩器頻率高低、起振快速性等，所以一般 C1、C2 選值 30pF。晶振電路如圖 2-4。4)I/O 電路設計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)管推挽狀態(tài)，當兩個開關(guān)管都關(guān)閉時，才會出現(xiàn)高阻狀態(tài)。當 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/O 口如圖 2-4?；趩纹瑱C的掃地機的設計8EA/VP31X119X218R ESET9R D17W R16INT012INT113T014T115P1 01P1 12P1 23P1 34P1 45P1 56P1 67P1 78P0 0 39P0 1 38P0 2 37P0 3 36P0 4 35P0 5 34P0 6 33P0 7 32P2 0 21P2 1 22P2 2 23P2 3 24P2 4 25P2 5 26P2 6 27P2 7 28PS EN 29ALE/P 30TXD 11R XD 10VCC 40GND 20U6STC8 9C 52Y112 MC 1030 PC 1130 PX1X2X1 X2R STC 910 uFR 1110 K5VR ST5V1A1B2A2BB S1B S2FJFD1FD2FD3FZ1FZ2FZ35V123456789J145VC 3C 2DYFZ4FZ5FZ6C D1C D2C D3C D4DY2圖 2-4 總控制電路2.3 防跌落電路防跌落電路用于檢測掃地機器人機身前方是否處于懸空狀態(tài)，當出于懸空狀態(tài)時，防跌落電路會發(fā)出一個低電平給 CPU,CPU 做出相應的動作來控制兩個輪子的電機，使機身始終處于非懸空狀態(tài)。LM393/339 是高增益,寬頻帶器件，像大多數(shù)比較器一樣,如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當比較器改變狀態(tài)時，輸出電壓過渡的間隙，電源加旁路濾波并不能解決這個問題，標準 PC 板的設計對減小輸入—輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于 10K 將減小反饋信號，而且增加甚至很小的正反饋量(滯回 1.0~10mV)能導致快速轉(zhuǎn)換，使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后,否則直接插入 IC 并在引腳上加上電阻將引起輸入—輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號是脈沖波形，并且上升和下降時間相當快,則滯回將不需要。比較器的所有沒有用的引腳必須接地。 LM393/339 偏置網(wǎng)絡確立了其靜態(tài)電流與電源電壓范圍 2.0~30V 無關(guān)。通常電源不需要加旁路電容。差分輸入電壓可以大于 VCC 并不損壞器件。保護部分必須能阻止9輸入電壓向負端超過-0.3V。LM393/339 的輸出部分是集電極開路，發(fā)射極接地的 NPN 輸出晶體管，可以用多集電極輸出提供。輸出負載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上,不受 VCC 端電壓值的限制。此輸出能作為一個簡單的對地 SPS 開路(當不用負載電阻沒被運用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的 β 值所限制。當達到極限電流(16mA)時，輸出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約 60ohm 的 γSAT 限制。當負載電流很小時，輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約 1.0mV)允許輸出箝位在零電平。 本電路采用電壓比較器來比較光電對管和基準電壓信號之間的關(guān)系。當光電對管處于懸空狀態(tài)時，接收管上的阻值加大，此時 R28 上的電壓低于基準電壓，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。當光電對管處于非懸空狀態(tài)時，接收管上的阻值降低，此時 R28 上的電壓高于基準電壓，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 R34、R37、R38 改變參考電壓，可調(diào)節(jié)光電電頭探測的距離。防跌落電路如圖 2-5。R3750K5VR910kR191kR3147kR25470R3450K5VR610kR151kR2847kR2247054 2312U3ALM33976 1U3BLM339FD1FD21 2 3J101 2 3J11R3850K5VR1010kR201kR3247kR2647098 14U3CLM339FD31 2 3J13U1VCC123J1VCC圖 2-5 防跌落電路基于單片機的掃地機的設計102.4 防撞落電路防撞電路作為掃地機器人的眼睛，用于檢測前方是否有障礙物，當前方有障礙物時，相應的探頭所連接的電路會發(fā)出一個低電平信號給 CPU，CPU 做出相應的動作來控制兩個輪子的電機，使機身始終不撞向障礙物。當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 上的電壓低于基準電壓，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 2-6。R850KR1110kR141kR547kR2470R750KR1010kR131kR447kR147054 2312U1ALM33976 1U1BLM339123J1123J2R950KR1210kR151kR647kR347098 14U1CLM339123J312345J4CON5VCCVCCVCCVCCR3550K5VR710kR171kR2947kR23470R3350K5VR510kR141kR2747kR2147054 2312U2ALM33976 1U2BLM339FZ1FZ2123J8123J9R3650K5VR810kR181kR3047kR2447098 14U2CLM339FZ3123J12D2D1LED123J2圖 2-6 防撞電路2.5 電源電壓檢測電路電源電壓檢測電路用于監(jiān)測電池電壓，防止電池過充和過放。當電池充滿電后，過充電路會向 CPU 發(fā)出一個高電平，提醒 CPU 電池已經(jīng)充滿電，應停止充電。當電池電壓不足時，過放電路會向 CPU 發(fā)出一個高電平，提醒 CPU 電池已經(jīng)欠壓，需要充電。R41 與 D4 構(gòu)成 2.4V 的參考電壓，調(diào)節(jié) R43 可改變過充電壓，調(diào)節(jié) R42 可改變過放電壓。每節(jié)鎳鎘電池充滿電后電壓為 1.4V，因此設置過充電壓為 14V，過放電壓設置為11V。電壓檢測電路如圖 2-7。11R414.7KD42.4VBAT+VREFR4250KT1 567U1BLM393VREFT1R410KR131K5VR4350KT232184U1ALM393T2R310KR121K5VC2C3圖 2-7 電壓檢測電路2.6 電池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。當掃地機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，調(diào)節(jié)機身位置，進入充電區(qū)。當掃地機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。2.6.1 電池充電電路設計Q1、Q2、Q3、Q4 為紅外接收頭，用于接受充電座發(fā)出的紅外信號。當掃地機器人處于欠壓狀態(tài)時，機身經(jīng)過充電座，紅外線接收管接收到充電座發(fā)出的紅外信號，此接收管所在的電路向 CPU 發(fā)出一個高電平，CUP 產(chǎn)生相應的動作。當 4 個接受管都接到紅外信號后，表明機身與充電座處于垂直狀態(tài)，掃地機開始向前前進。當 充電觸電與充電座接觸 后，會產(chǎn)生一個低電平信號， 發(fā)送給 CPU 掃地機已經(jīng) 充電位置，關(guān)閉所有電 機，進入充電狀態(tài)。防 撞電路電路如圖2-8。圖 2-8 防撞電路R6 50KR1010kR14 1kR247kR5 50KR910kR13 1kR147k5 423 12U1A LM3397 61U1B LM339R7 50KR1110kR15 1kR347k9 814U1C LM339VCCVCC VCC VCCR8 50KR1210kR16 1kR447k11 1013U1D LM339VCC123456J1 CON6VCC 12J3 CON212J4CON2R18 10KQ1S8050R17 10KD15.1VR19 1K1234567J2 CON7F1 2AD2 IN4007R20 10Q1 Q2 Q3 Q412345J1基于單片機的掃地機的設計122.7 電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路用于驅(qū)動兩路減速電機的正反轉(zhuǎn)、兩路邊刷和一個吸塵器風機。2.7.1電機的選擇1）輪胎減速電機的選擇本掃地機器人使用了智能小車專用減速電力，減速比為 48：1 可以帶動 500 克的負載。電機如圖 2-9 所示，具體參數(shù)如表 2-1。圖 2-9額定電壓 3V 6V 7.2V 9V空載電流 ≤90MA ≤100MA ≤110 ≤120MA空載轉(zhuǎn)速 4600±10% 9800±10% 11000±10% 14800±10%負載電流 ≤150MA ≤160MA ≤180MA ≤200MA負載轉(zhuǎn)速 90 轉(zhuǎn)/分 190 轉(zhuǎn) /分 230 轉(zhuǎn)/分 300 轉(zhuǎn) /分扭矩 0.4kg.cm 0.8kg.cm 0.1kg.cm 1.2kg.cm表 2-1 減速電機參數(shù)2）邊刷電機的選擇邊刷電機用于帶動邊刷，將掃地機四周的灰塵聚攏至吸塵口，并不需要多大的負載能力，因此選擇了一款微型減速電機。電壓范圍：DC3V--5V；轉(zhuǎn)速 80-130 轉(zhuǎn)/分鐘。電機實物如圖 2-10 所示。圖 2-10133)吸塵器電機的選擇吸塵器電機需要較大的功率，5V 電壓無法帶動較大的功率，因此選擇 12V,為吸塵器電機的工作電壓。經(jīng)查找資料后最終選擇 12V0.29A 的渦輪離心電機。電機實物圖如圖 2-11 所示。圖 2-112.7.2電機驅(qū)動電路設計L9110 是為控制和驅(qū)動電機設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 750～800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達 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載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110 被廣泛應用于玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。管腳定義如表 2-2 所示。表 2-2 管腳定義序號 符號 功能1 OA A 路輸出管腳2 VCC 電源電壓3 VCC 電源電壓4 OB B 路輸出管腳5 GND 地線6 IA A 路輸出管腳7 IB B 路輸出管腳8 GND 地線基于單片機的掃地機的設計14電氣參數(shù)如表 2-3 所示。表 2-3 電氣參數(shù)范圍符號 參數(shù)最小 典型 最大單位VCC 電源電壓 2.5 6 12 VIdd 靜態(tài)電流 - 0 2 uAIin 操作電流 200 350 500 uAIC 持續(xù)輸出電流 750 800 850 mAImax 電流峰值 - 1500 2000 mA邏輯關(guān)系如表 2-4 所示。表 2-4 邏輯關(guān)系IA IB OA OBH L H LL H L HL L L LH H H H三極管 ss8050 是一種常用的普通三極管。 它是一種低電壓,大電流,小信號的 NPN型硅三極管。它是 S8050 的增強版，具體參數(shù)見表 2-5。表 2-5參數(shù) 符號 測試條件 最小 典型 最大 單位集電極-基級擊穿電壓 VCBO IC=100uA,IE=0 40 V集電極-發(fā)射級擊穿電壓 VCE0 IC=1mA,IB=0 25 V發(fā)射極-基級擊穿電壓 VEBO IE=100uA,IC=0 5 V集電極截至電流 ICBO VCB=30V,IE=0 200 nA發(fā)射機截至電流 IEBO VBE=4V,IC=0 200 nA直流電流增益 hFE VCE=5V,IC=5mA 85 500集電極-發(fā)射極飽和電壓 VCE(SET) IC=800mA,IB=80mA 0.5 V當 Q3、Q4、Q5 的基級接收到 CPU 的發(fā)出的高電平后，Q3、Q4、Q5 飽和導通，邊刷和吸塵器電機開始工作。給低電平時，三極管所控制的電機就停止工作。J4、J5 接邊刷電機，J6 接吸塵器電機。15當 1A 與 1B 輸入引腳為 10 時，電機正轉(zhuǎn)，當輸入為 01 時電機反轉(zhuǎn)。當輸入為 11或 00 時電機停止運行。C5、C6 為高頻濾波電容，過濾掉電機工作時對芯片的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。J3接左輪電機，J7 接右輪電機。電機驅(qū)動電路如圖 2-12。OA1VCC2VCC3OB4GND5IA6IB7GND8U7 L9110H OA1VCC2VCC3OB4GND5IA6IB7GND8U8 L9110H1 2J3 CON2 1 2J7 CON2DJ5VDJ5V1A1B 2A2BC5 104C6 104Q3 SS8050Q4 SS8050Q5 SS80501 2J4 CON21 2J5 CON21 2J6 CON2DJ5V12VBS1BS2FJ圖 2-12 電機驅(qū)動電路基于單片機的掃地機的設計163、PCB 板的設計與制作3.1 PCB板的設計PROTEL99SE 對于涉及電子方面的大專生而言，是一門必修的科目。學好這門科目就大大縮短了電路板設計的時間，同時具有在線 DRC 檢測功能，方便而實用。本次的掃地機器人的設計從原理圖到 PCB 的設計都是由該軟件制作而成。主電路板包含電源電路、過充/過放檢測電路、電機驅(qū)動、防跌電路和 3 路防撞電（如圖 3-1） 。圖 3-1 主板電路紅外線充電位置檢測電路如圖 3-1。圖 3-2 紅外線檢測電路17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）打印電路將繪制好的電路用菲林紙打印出來，注意一定要負向輸出，一般打印兩張電路板即一張紙上打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。菲林打印效果圖如圖 3-4 所示。圖 3-4 菲林紙負向打印效果圖2） PCB 板預處理將打印好的電路板裁剪成合適大小，用砂紙打磨覆銅板，使表面光滑無油漬。然后均勻涂上感光藍油，等藍油干燥后，在表面貼上打印好的菲林紙放，在紫外線燈下曝光 6 分鐘。去除菲林紙，放在顯影劑中顯影。預處理后的 PCB 板如圖 3-5 所示?；趩纹瑱C的掃地機的設計18圖 3-5 預處理后的 PCB 板3）腐蝕電路板先檢查一下顯影后的電路板電路是否完整，若有少數(shù)線路不完整可以用黑色油性筆修補。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊線路板就腐蝕好了。腐蝕液的成分為濃鹽酸、濃雙氧水、水，比例為 1：2：3，在配制腐蝕液時，先放水，再加濃鹽酸、濃雙氧水，若操作時濃鹽酸、濃雙氧水或腐蝕液不小心濺到皮膚或衣物上要及時用清水清洗，由于要使用強腐蝕性溶液，操作時一定注意安全。腐蝕后的電路板如圖 3-6圖 3-6 腐蝕后的電路板194）電路板切割與打孔將腐蝕好的電路板用切割機切割掉無用部分。線路板上是要插入電子元件的，所以就要對線路板鉆孔了。依據(jù)電子元管腳的粗細選擇不同的鉆針，在使用鉆機鉆孔時，線路板一定要按穩(wěn)，鉆機速度不能開的過慢，否則會時鉆頭斷裂。打完孔后的電路板如圖 3-7 所示。圖 3-7 最終成品圖基于單片機的掃地機的設計204、電路焊接與調(diào)試4.1 電路焊接電路焊接依據(jù)從小到大，從低到高的原則進行焊接。在焊接的時候每個焊點焊接時間應該在 2~3 秒之間，不得超過 4 秒，在焊接芯片的時候應該增加一個 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。焊點如圖 4-1 所示。圖 4-1 焊點圖4.2 防撞電路的調(diào)試依次調(diào)節(jié) R7、R8、R9、R33、R35、R36 的阻值使光電探頭與障礙物的距離大約在6cm 左右，此時防撞模塊會向 CPU 發(fā)出相應的高電平。在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)探頭 2 和探頭 3 出現(xiàn)問題，不管怎樣調(diào)節(jié)電位器 R7、R8,都無法輸出一個高電平信號，跟換紅外探頭，現(xiàn)象依舊，用萬用表分別檢測接收管上的電壓值，最終發(fā)現(xiàn)，電阻阻值不對，跟換電阻后恢復正常。4.3 防跌電路的調(diào)試依次調(diào)節(jié) R34、R375、R38 的阻值使光電探頭檢測范圍正好與地面的位置相同，此時防跌模塊會向發(fā)出相應的高電平，當有一個探頭離開地面時，相應的輸出引腳會輸出一個低電平。在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)探頭出現(xiàn)問題，不管怎樣調(diào)節(jié)電位器,輸出始終是低平信號，跟換紅外探頭，問題解決。215、系統(tǒng)程序的設計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。使用標準 C 語言的程序，幾乎都可以不作改變移植到不同的微機平臺上，對于嵌入式等的微控制芯片，屬于標準 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，能夠直接控制硬件的工作狀態(tài)，但是不具有可移植性，維護和修改困難。5.2 系統(tǒng)程序設計由于掃地機器人的系統(tǒng)對運行速度的要求并不高，因此選擇用 C 語言來進行編程。本系統(tǒng)的軟件設計主要由初始化程序、主程序、防撞子程序、防跌落程序子程序、充電尋跡子程序等子程序組成。5.2.1 程序的初始化一般的情況下是在上電的時候程序進行初始化，還有就是程序跑飛和出現(xiàn)異常時也要初始化，初始化的目的就是把所有用到的標志位、變量回到初始值，以及引腳的分配，配置寄存器寫入需要的值，像時鐘的選擇（內(nèi)部、外部）一般在上電時就做好，以后不是特殊需要是不改動的，引腳功能的分配也是一上來就設置好，之后如果可以就不改動，如果經(jīng)常性的改可能會引發(fā)異常。5.2.2 主程序的設計系統(tǒng)初始化后就執(zhí)行主程序，進入主程序先執(zhí)行電壓檢測程序，如發(fā)現(xiàn)電池電壓不足，就執(zhí)行充電尋跡程序，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；如發(fā)現(xiàn)前方地面為懸空，則執(zhí)行防跌落程序，避開懸空區(qū)后繼續(xù)執(zhí)行清掃程序。程序流程圖如圖 5-1。基于單片機的掃地機的設計22信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信YES信信信信信信信信信信信信信YESNOYESNO信信信信信信信信信信信信NOYES 信信信信圖 5-1 主程序流程圖5.2.3 防撞程序的設計防撞程序用于控制電機正反轉(zhuǎn)從而確保機身不會撞到障礙物，從障礙物的旁邊繞開，當探頭 1 前方有障礙物時，機身右轉(zhuǎn) 100ms 后返回壁障程序；探頭 2 前方有障礙物時，機身右轉(zhuǎn) 100ms 后返回壁障程序 ；當探頭 3 前方有障礙物時，機身反轉(zhuǎn) 100ms 后左轉(zhuǎn) 100ms 壁障程序；當探頭 4 前方有障礙物時，機身左轉(zhuǎn) 100ms 后返回壁障程序；當探頭 5 前方有障礙物時，機身左轉(zhuǎn) 100ms 后返回壁障程序。程序流程如圖 5-2。23信信信信信信信信1信信信信信信信信信信YESNO信信2信信NO信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信YES信信3信信NO信信4信信NOYES信信信信YES信信4信信NOYES信信信信信信信信圖 5-2 防撞程序流程圖5.2.3 防跌落程序的設計防跌程序當掃地機器人，機身下方出現(xiàn)懸空時，防跌程序起作用，使掃地機器人自動遠離懸空區(qū)域。探頭 1 處于萬向輪前方，當前方懸空時，掃地機器人后退 100ms，再向左轉(zhuǎn) 100ms 后返回防跌落程序；探頭 2 處于左輪后方，當后方懸空時，掃地機器人前進 100ms，再向右轉(zhuǎn) 100ms 后返回防跌落程序；探頭 3 右輪后方，當后方懸空時，掃地機器人前進 100ms，再向左轉(zhuǎn) 100ms 后返回防跌落程序。程序流程如圖 5-3 所示?；趩纹瑱C的掃地機的設計24信信信信信信信信信信1信信信信2信信YESNOYES信信信信信信信信信信信信信信信信NO信信1信信NOYES信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信信圖 5-3 防跌落流程圖5.2.4 充電尋跡程序的設計當電池電壓處于欠壓時，掃地機器人關(guān)閉吸塵器與邊刷的電機啟用充電尋跡程序，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)行防撞和防跌程序。當接受到信號后立馬執(zhí)行充電循跡程序。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 5-4 所示。