自动扫地机的控制系统设计-本科毕业设计说明书

自动扫地机的控制系统设计-本科毕业设计说明书 本科毕业设计说明书 自动扫地机的控制系统设计 DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE 学院,部,: 电气与信息工程学院 专业班级: 电气#####班 学生姓名: ############## 指导教师: ############## 2013 年 06 月 04 日 安徽理工大学毕业设计 自动扫地机的控制系统设计 摘要 近年来，随着社会的发展需要，清洁机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。清洁机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。这片文章主要通过阐述清洁机器人在服务行业的重要性，对清洁机器人在各国发展状况的一些综述，让读者了解将来清洁机器人发展对社会发展的重要性。 本文首先介绍了国内外自动清洁扫地机的研究现状，阐明了本课题研究的目的、意义。然后进一步介绍本自动扫地机的总体结构，并详细分析了该扫地机各部分结构的工作原理，针对本清洁扫地机的机构特点，提出了一种能够保证扫地机稳定工作的单片机控制 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。本文还添加了市场上没有出现的的功能，将扫地机和红外遥控结合起来，并与单片机有机结合起来，以达到对自动扫地机的各方面的控制和自控制;以及避障系统的改进方案。 关键词:扫地机，单片机控制，红外遥控，碰撞 I 安徽理工大学毕业设计 DESIGN OF CONTROL SYSTEM OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE ABSTRACT In recent years, with the development of society, the cleaning robot has infiltrated our lives, work and the economy, and has played a significant role. Research and development of cleaning robot has a lot of influence on our economic development. This article mainly through expounding the importance of cleaning robot in the service industry, the development of cleaning robot in some countries, allowing readers to understand the importance of the future development of cleaning robot for social development. This paper firstly introduces the research status of automatic cleaning sweeping machine at home and abroad, discusses the research purpose, significance. And then introduce the automatic sweeping machine structure, and a detailed analysis of the working principle of each part of structure of the sweeping machine, according to the characteristics of the cleaning mechanism of sweeper, presented a can ensure the sweeping machine stable working single-chip microcomputer control scheme. This paper also added did not appear on the market the function, the sweeper and infrared remote control combined with MCU, and organic combination, in order to control all aspects of automatic sweeping machine and self control; and the obstacle avoidance system improvement program. KEYWARDS:Sweeping machine, microcomputer control, infrared remote control, collision II 安徽理工大学毕业设计 目录 摘要 ................................................................ IABSTRACT ........................................................... II 1绪论 .............................................................. 1 1.1 引言 ........................................................ 1 1.2 技术现状 .................................................... 1 研究的目的和意义 ............................................ 1 1.3 1.4 研究内容 .................................................... 2 2关于单片机 ........................................................ 3 2.1 AT89C51简介 ................................................. 3 2.2 AT89C51主要特性 ............................................. 3 2.3 AT89C51功能特性概述 ......................................... 3 2.4 AT89C51引脚功能说明 ......................................... 4 2.5 AT89C51的基本操作 ........................................... 6 3 自动扫地机总体设计 ................................................ 7 3.1 组成结构 .................................................... 7 3.2 系统的主控部分 .............................................. 7 3.3 软件 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 设计 ................................................ 8 3.3.1 总体软件流程 ........................................... 8 3.3.2 红外遥控系统流程 ...................................... 10 3.3.3 驱动系统流程 .......................................... 11 3.3.4 清扫避障系统流程 ...................................... 12 4自动扫地机硬件电路设计 ........................................... 13 4.1 系统总体设计 ............................................... 13 4.2 传感器系统电路 ............................................. 13 4.2.1 超声波传感器检测电路 .................................. 13 4.2.2 红外光电传感器检测电路 ................................ 13 4.2.2 红外光电传感器检测电路 ................................ 14 4.2.3 接触传感器检测电路 .................................... 15 4.3 继电器控制电路 ............................................. 15 4.4 红外控制系统电路 ........................................... 16 4.5 看门狗IMP813L电路 ......................................... 17 4.6 驱动系统电路 ............................................... 19 i 安徽理工大学毕业设计 4.7 液晶显示电路 ............................................... 20 4.8 电源模块 ................................................... 21 4.9 清扫避障系统 ............................................... 22 结论 ............................................................... 24 参考文献 ........................................................... 25 致谢 ............................................................... 27 ii 安徽理工大学毕业设计 1绪论 1.1 引言 自动扫地机是自动进行房间地而清洁的自主吸尘式家庭服务机器人，集机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体。自主吸尘机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于20世纪80年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展本次设计的题目《自动扫地机的控制系统设计》就是在这种背景下提出的。 1.2 技术现状 目前，在一些发达国家，早已经开始采用服务机器人对工厂、车站、机场和办公室等宽阔地面进行清扫工作。日本的东日本铁路公司、Shinko电器公司和Howa工业有限公司联合研制出了用于车站地面清扫的机器人，通过超声测距传感器，不断探测机器人与墙壁的距离进行定位，从而完成对大厅地面的往复清扫。松下公司的自动吸尘器可清扫砖地、木质地板及地毯地面。20世纪90年代初美国的Denning公司与Windsor工业公司研制出一种名为―RoboScrub‖的吸尘机器人，它采用超声波传感器检测障碍物，被配有高精度激光导航系统。 1999年初，浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究，两年后设计成功国内第一个具有初步只能的自主吸尘机器人，与苏州TEK公司合作研发，2003年系统在自主能力和工作效率上都有了显著提高。它工作之前，首先进行环境学习，利用超声波测距，与墙保持一定的行走距离，在清洁角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间;然后，利用随机与局部遍历规划相结合的算法产生高效的清洁路径;在清扫结束后，自行回到充电座，补充动力。 国内市场上推出了很多自动扫地机，价格不算太贵，可以自动清扫，防止楼梯跌落，通过配置虚拟发射器可以限制清扫的范围。在清扫结束后，可以自行回到充电座，但是清扫是随机的，不能完全地不多次重复的扫完整个房间。 1.3 研究的目的和意义 自动扫地机将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融台起来，实现室内环境 (地面)的半自动或全自动清洁，替代传统繁重的人工清洁工作近年来已受到国 内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智 能化自王式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代 表性。性市场前景角度讲，自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适 1 安徽理工大学毕业设计 用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑 战性，又具有广阔的市场前景。 融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便 宜，全区域盖，能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家鹿清扫机器人。使它 可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化、使科技更好地 为人类服务。 1.4 研究内容 总体方案是设计一个自主控机器人，在一个平面结构的房间内运动，移动机器人本体，完成自主移动、避障、遍历房间功能。尽快遍历房子的每一个角落，完成任务，这个工作受多个工作的影响，包括墙脚和家具等。其中在实现生活中的家用吸尘器机器人清理房间的过程中，利用了机器人自身的多传感系统、运动控制系统和自主蔽障系统等。 此次课题主要将扫地机和红外遥控结合起来，可以培养运用基本知识进行简单电路设计的能力，扎实基础理论，掌握电子技术的科学实验规律，灵活运用模电数电的知识，与单片机有机结合起来，以达到对自动扫地机的各方面的控制和自控制。 2 安徽理工大学毕业设计 2关于单片机 2.1 AT89C51简介 AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器(FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压、高性能CMOS 8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除1000次。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 2.2 AT89C51主要特性 与MCS-51兼容 4K字节可编程FLASH存储器 寿命:1000写/擦循环 数据保留时间:10年 全静态工作:0Hz-24MHz 三级程序存储器锁定 128×8位内部RAM 32可编程I/O线 两个16位定时器/计数器 5个中断源 可编程串行通道 低功耗的闲置和掉电模式 片内振荡器和时钟电路 2.3 AT89C51功能特性概述 AT89C51提供以下标准功能:4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/0 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可将至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位。 3 安徽理工大学毕业设计 2.4 AT89C51引脚功能说明 139P10P00238P11P01337P12P02364P13P03535P14P04634P05P15733P16P06328P17P07 2113INT1AP201222TINT0P21238P2215T1924P2314CT025P24526P25131EA/VP27P26 28P2719X140VSS18X241VCC 910RESETRXD11TXD1730RDALE/P1629WRPSEN 图2-1 AT89C51芯片引脚图 VCC:供电电压。 GND:接地。 P0口:P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须接上拉电阻。 P1口:P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为低八位地址接收。 P2口:P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动(吸收或输出电流)4个TTL逻辑门电路。对端口写―1‖，通过内部的上拉电阻把端口拉到高电平，此时可作输入口，作输入口使用时，因为内部存在上拉电阻，某个引脚被外部信号拉低时会输出一个电流(IIL)。 4 安徽理工大学毕业设计 P3口:P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入―1‖后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流(ILL)这是由于上拉的缘故。 P3口除了作为一般的I/O口线外，更重要的用途是它的第二功能，如表2.1所示: 表2.1 端口引脚第二功能表 端 口 引 脚 第 二 功 能 P3.0 RXD (串行输入口) P3.1 TXD (串行输出口) P3.2 (外中断0) INT0 P3.3 (外中断1) INT1 P3.4 T0 (定时/计数器0) P3.5 T1 (定时/计数器1) P3.6 (外部数据存储器写选通) WR P3.7 (外部数据存储器读选通) RD ALE/PROG:当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的低位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是:每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 :外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个PSEN 机器周期两次有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的信PSENPSEN号将不出现。 EAEA/VPP:当保持低电平时，则在此期间外部程序存储器 EA(0000H-FFFFH)，不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，将内部 EA锁定为RESET;当端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源(VPP)。 5 安徽理工大学毕业设计 XTAL1:反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2:来自反向振荡器的输出。 振荡器特性:XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 2.5 AT89C51的基本操作 在X1和X2之间接一只石英振荡晶体构成了单片机的时钟电路，它还有另一种接法，是把外部振荡器的信号直接连接到XTAL1端，XTAL2端悬空不用。 AT89C51复位引脚RST/VP通过片内一个施密特触发器(抑制噪声作用)与片内复位电路相连，施密特触发器的输出在每一个机器周期由复位电路采样一次。当振荡电路工作，并且在RST引脚上加一个至少保持2个机器周期的高电平时，就能使AT89C51完成一次复位。 复位不影响RAM的内容。复位后，PC指向0000H单元，使单片机从起始地址0000H单元开始重新执行程序。所以，当单片机运行出错或进入死循环时，可按复位键重新启动。 6 安徽理工大学毕业设计 3 自动扫地机总体设计 总体设计目标是设计一个具有自主清扫、避障、卡住报警、尘仓满仓检测等功能，能够在无人干预情况下自主完成室内清扫工作，也可以人为通过红外遥控器控制其状态的机器人系统。同时，为使机器人高效、可靠地完成作业，在其内部嵌入路径覆盖算法，使它脱离随机清扫的模式，能够记忆已走过的路径和遇到的障碍物位置，不遗漏地进行全区域清扫和不重复遇到同一个障碍物，实现高覆盖率、低重复率的清扫过程。 3.1 组成结构 自动扫地机由5部分组成:系统主控制部分、执行电机部分、传感器部分、输入输出部分和电源部分。主控系统使用单片机AT89C51控制，包括红外遥控接收模块，对输入输出器件的操作，对执行电机的控制，以及对传感器的响应等。执行电机部分是吸尘机器人的主要构成部分，包括行走驱动子系统和吸尘子系统。行走结构采用轮式结构，圆形壳体，底盘为三轮电动小车，前面两轮由两个电机独立驱动，后轮为万向轮。吸尘系统用电机带动清扫刷的转动，清扫灰尘并将灰尘集中于吸风口处，由吸尘机构制造强大的吸力将灰尘吸入灰尘存储箱中。在清扫吸尘之后，利用安装在壳体下面的清洁布擦除残留在地面上的细小灰尘。轮子电机、吸尘电机和毛刷电机使用的都是无刷直流电机;传感器部分即检测子系统，主要为了保障机器人能够安全地工作;输入输出部分包括遥控子系统和显示子系统，能够较好地实现人机交互的功能;电源部分采用可充电的12伏锂电池。 3.2 系统的主控部分 看门狗电路 液晶显示电路 清扫部 单 件电机 片 电PWM调速电路 继电器控制电路 机 机 垃圾箱 盖电机 红外接收电路 各传感器电路 图3-1系统结构总框图 本设计选用AT89C4051单片机作为控制器。AT89C51与其它各部分电路的关系为:通过红外接收模块接收来自遥控器的命令;通过各个传感器接收外部环 7 安徽理工大学毕业设计 境的状态信息;通过2路PWM信号给电机提供电压，控制轮子的速度和方向;由I/O口信号控制三极管进而控制继电器驱动清扫、吸尘电机;通过捕获2个电机编码器信号检测轮速;通过多个I/O口控制LCD;利用串口变并口芯片控制多个LED指示灯和按键等。系统结构如图3-1所示。 3.3 软件流程设计 本系统软件设计采用汇编语言相结合的方式。首先用汇编语言把系统的各个功能模块编出，然后把这些编译过的模块加入到控制器的使用库中，调用各功能模块，完成对硬件的操作。 3.3.1 总体软件流程 开始 初始化并开中断 启动各电路模块 收到前进命令, N Y 启动驱动系统 前进 遇到障碍, N Y 启动清扫和避障系统 结束 图3-2 总流程图 8 安徽理工大学毕业设计 总流程图如图3-2所示，是整个清扫机运行过程的流程图。其中包括初始化整个系统、启动各电路模块、等待接收命令、启动驱动系统、检测障碍、启动清扫避障系统、结束清扫等过程。 (1)首先，启动清扫机电源，使各模块持续供电。 (2)启动各电路模块，启动液晶显示系统，以便显示清扫机行进速度及运行时间。此过程通过软件编程控制液晶显示系统及驱动系统向单片机控制系统反馈实现。启动清扫机传感器系统，此项内容主要作用是使清扫机对周围环境有一个了解，通过对周围环境的感知来实现测距、清扫、避障。本过程主要是通过单 设置串口方式1，T1 方式1，T0方式2 外部中断0和T0开中断， T0设置为中断优先级 设置显示、定时、 启动停止标志位 N 定时显示否, Y 2位LED显示时间 有键按下否, N Y N 1分钟到否,恢复R5 Y 进入低功耗 图 3-3 红外发射电路流程图 9 安徽理工大学毕业设计 片机控制各传感器及传感器向单片机反馈来实现。启动红外接收系统，等待接收红外信号。 (3)当接收到前进指令时，启动驱动系统。 (4)当遇到障碍时启动清扫系统及避障系统，此过程是整个清扫系统的关键，此过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断。 3.3.2 红外遥控系统流程 发射电路主程序的流程图如图3-3所示主程序中设置串口工作方式1和定时器T1方式2是为了发射按键代码时产生2000b/s的波特率;定时器T0工作方式2是用来在P3.7引脚上输出38kHz的载波信号。有按键下时产生外部中断0，寄存器R5和R4中存放的数据是用来控制1 min 的定时时间。1 min之内无按键，则遥控器进入低功耗状态。定时器T0中断程序是将P3.7引脚取反产生38kHz的载波信号，此信号为方波信号。外部中断0的中断程序用于判断按键并发射按键代码，同时还包括按键去抖动和检查设置相关标志位。 串口方式1 和T1方 式2 外部中断0和串口开 中断 串口中断设置为高优先 级 设置定时、启动停止标志 位 设置调速和定时控制初 值 图3-4红外接受电路流程图 部分程序如下: MOV TMOD,#22 ;设置定时器T0和T1工作方式2 MOV TH0,#0F3H ;产生38kHz载波信号的时间常数送给T0 MOV TL0,#0F3H MOV TH1,#0E03 ;产生2000b/s的波特率的时间常数送给T1 MOV TL1,#0E0H MOV SCON,#60H ;设置串口工作于方式1 ORL PCON,#80H ;SMOD置1 10 安徽理工大学毕业设计 SETB EA ;CPU开中断 SETB EX0 ;允许外部中断0中断 SETB IT0 ;允许定时器T0中断 SETB PT0 ;将定时器T0中断设置为高优先级 接收电路主程序的流程图如图3-4所示，接收电路串口和T1的工作方式与发射电路完全相同，是为了与发射的波特率一致，能可靠接收数据。串口中断用于接收按键代码并设置相关标志位。外部中断0产生移相脉冲改编移相角，从而改变可控硅的导通角，并判断是否有定时，进而控制电机的运转时间。 3.3.3 驱动系统流程 初始化 有启动信号, N Y 直流电机上电 数据采集调理 数据处理 数据送至单片机 结束 图3-5 驱动系统流程 首先是系统初始化工作，即设置寄存器、配置GPIO、定时器、A/D转换器和外部中断、启动A/D转换。然后检测GPIO有没有启动信号，检测到启动信号后，从另一个GPIO发出控制信号给直流电机加电。从A/D转换器里读取电流信号数据，再通过求平均值得到电机的电流值;对输出脉冲信号的数据进行FFT变换，求出基波的频率，再根据电机的具体型号乘以一个系数得到电机的转速。 11 安徽理工大学毕业设计 最后把测试电流和转速送给液晶显示系统显示清扫机行进速度，启动总线传输，把测试结果传输到单片机，以对数据进行保存和分析。软件流程如图3-5所示。 3.3.4 清扫避障系统流程 清扫壁障流程图如图3-6，该流程是智能清扫机执行清扫命令及躲避障碍的流程。 (1)红外光电传感器的红外发光管发射红外光，光波在遇到障碍物后反射，被红外接收管接收，产生一个与光强相对应的电流，电流经LM358组成的两极放大电路放大后，输出一个模拟电压，经A/D转换后输入单片机。 (2)由接触传感器感知障碍物性质，判断其是否是清扫机可清扫的垃圾。若可清扫则由单片机向清扫机械电机发出清扫指令，执行清扫命令，完成清扫后继续等待红外传感器接收信号。 (3)若不可清扫，判断其为墙角类障碍，此时累加器累加判断为墙角的次数。 (4)判断墙角累加次数的奇偶，若为奇数则通过控制电机调速模块来控制左右轮速度，控制清扫机行进方向，使其左后转行进。若判断为偶数，则使其右后转行进，本过程实现清扫机的蛇形行进清扫方式，尽可能提高清扫机清扫效率。 N 遇到障碍 物, Y N 是垃圾 Y 累加遇到墙角次数 清扫 N 遇墙角数 为奇数, Y 右后转前进 左后转前进 12 图3-6 清扫避障流程图 安徽理工大学毕业设计 4自动扫地机硬件电路设计 4.1 系统总体设计 本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。用超声波传感器、红外光电传感器、接触传感器完成自动避障。用光电编码器检测电机的转速。利用PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点是:充分利用了单片机的内部资源， 降低了总体设计的成本。 4.2 传感器系统电路 4.2.1 超声波传感器检测电路 超声波发射脉冲是由P3.7口输出的，由于P3口的输出电流最大不过20mA，无法直接驱动超声波发射器发出超声波束，因此需要加入放大电路以增强驱动能力。图4-1为发射波驱动电路，图中J2的1、2引脚分别接超声波发生器的两个端脚，PULSE接控制器P3.7口，这里采用了两级与非门74LS00来增强驱动能力，电路简单实用。接收器接收到的超声回波也是mv级的，为了能够触发中断，需要对此信号进行放大、整形，其信号接收电路如图4-2所示，图中J1的1、2引脚分别接超声波接收器的两个端脚，INT1接控制器P3.3口。采用放大器LM324将接收信号两级放大，放大信号经过比较器LM339调理成方脉冲，再经过非门74HC14整形后送入控制器外部中断INT1口，触发外部中断。为了滤去干扰信号，电路中还适当接入了一些电容。 图4-1 发射波驱动电路 13 安徽理工大学毕业设计 图4-2回波接收电路 4.2.2 红外光电传感器检测电路 本文选用JY043W型红外反射式传感器。红外光电传感器检测单元信号处理电路如图4-3所示，图中J17为红外光电传感器接口(其引脚1、2分别红外光电传感器的发射脚和接收脚，引脚3为红外光电传感器的发射管和接收管共用接地端)，OUT1接控制器P2.0口(另外五路检测单元分别接控制器的P2.1~P2.4口)，ZHISHI1为其它五组检测单元LED指示灯共用端，R15为发射限流电阻(用以将发射管的发射电流限定在10~20mA左右)。当接收管接收到反射回来的红外光时，接收管导通，比较器LM324的3端输入低电平，使得3端电压小于2端的门槛电压，则输出端1脚输出低电平，指示灯L3被点亮。 VCCR17ZHISHI 2K R15R16L327020KLEDJ171 +OUT12U6A -LM2343 GATE_VR18RED110K 图4-3 红外光电传感器检测电路 14 安徽理工大学毕业设计 4.2.3 接触传感器检测电路 VCCL12K R1LED A1OUT7 Contact 图4-4 接触传感器检测单元接口电路 接触传感器通过与目标物体的接触来识别障碍物。这种传感器结构简单，装卸方便，环境适应性强。鉴于清洁机器人结构紧凑、便于装卸的要求，本文选择RV-163-1C25型微动开关作为接触传感器，该型号开关结构小巧，使用简单可靠，信号无需调理。接触传感器检测单元的接口电路如图4-4所示，图中OUT7接控制器P2.7口端口(另一检测单元接P2.8口)，R1为指示灯L1的限流电阻，A1为接触传感器，其1脚接地。当触碰到障碍物时，探测簧片被压下，传感器的1脚和3脚导通，工作电路形成回路，OUT1端输出低电平，指示灯L1被点亮。OUT1端输出的低电平能够直接被控制器识别。 4.3 继电器控制电路 图4-5继电器控制电路 在电气控制领域或产品中，凡是需要逻辑控制的场合，几乎都需要使用继电器，从家用电器到工农业应用，甚至国民经济各个部门，可谓无所不见。继电器是一种利用各种物理量的变化，将电量或非电量信号转化为电磁力(有触头式)或使输出状态发生阶跃变化(无触头式)，从而通过其触头或突变量促使在同一 15 安徽理工大学毕业设计 电路或另一电路中的其它器件或装置动作的一种控制元件。根据转化的物理量的不同，可以构成各种各样的不同功能的继电器，以用于各种控制电路中进行信号传递、放大、转换、连锁等，从而控制主电路和辅助电路中的器件或设备按预定的动作程序进行工作，实现自动控制和保护的目的。被转化或施加于继电器的电量或非电量称为继电器的激励量，当继电器被激励，从一个起始位置达到预定的工作位置，并完成电路的切换动作，称为继电器的工作特性，包括吸合和松开，保持与释放状态。当输入量变化到高于它的吸合值或低于它的释放值时，继电器动作，对于有触头式继电器其触头闭合或断开，对于无触头式继电器起输出发生阶跃变化，以此提供一定的逻辑变量。 智能清扫机是把垃圾送到垃圾箱，在执行清扫动作时垃圾箱闭合，向垃圾箱投放垃圾时需要打开，将垃圾送到垃圾漏斗。本设计共需2个继电器控制接触器，一个接带动清扫部件的电动机。另一个控制垃圾箱盖闭合。经考虑采用4123无极12V直流控制24V的交流继电器，并利用光耦合器件P521和MCU隔开。89C51的P1初始值为0FFH，所以加一个74LS04反相器使得继电器初始不产生闭合，使用MC1413为无源驱动器，IN4007组成继电器的续流二极管。电路图如图4-5所示。 4.4 红外控制系统电路 图4-6 红外发射电路 红外发射电路由455KHZ的晶振CRY，反相器74HC04及电阻、电容构成的振荡器产生455KHZ的方波信号。经脉冲分频器74LS92，六分频成为75.83KHZ的脉冲信号。再经过D触发器构成的2分频/整形电路变成38KHZ的方波信号。 16 安徽理工大学毕业设计 由单片机的异步串行口TX输出的串行数据信号，送到与非门74HC00的输入端。与非门的另一输入端接38KHZ的载波信号。与非门的输出信号用来控制三极管的开通或关断，从而控制红外发射管发送信息。这样就达到了用串行口TX输出的串行数据信号直接调制载波，进行红外数据传输的目的。发射电路的调制采用的是时分制幅度键控调制方式。 图4-7 TFMS5380 构成的接收电路 设计中采用一种高效能的红外接收器——TFMS5380。TFMS5380是近期市场上最高效能的红外接收器。同一组件内已装上了接收二级管和前置放大器。TFMS5380特点:(1)单一的接收器和前置放大器的组合。(2)超敏感度和传送距离。(3)内置PCM频率过滤器。(4)无外置组件需要。(5)超强光及电场干扰屏蔽。(6)TTL及CMOS兼容，适用于微处理器操作控制。(7)可选频率由30KHZ至56KHZ。(8)低功耗。(9)ISO9000认可。TFMS5380适用于数据传送、电视机、录像机、组合音响及卫星接收器等。TFMS5380的内部框图及构成的接收电路。如图4-7所示 该接收电路要求被接收的红外光波长在950um左右，被调制信号的脉冲宽度不小于600us。TFMS5380的应用电路非常简单。实验证明，TFMS5380的性能良好，完全可以满足数据传输的需要。 4.5 看门狗IMP813L电路 几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是:在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致EPROM中的数据被修改;另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗 17 安徽理工大学毕业设计 定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路;除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。IMP813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。 IMP813L有双列直插和贴片封装形式，其双列直插如 图所示，引脚功能如下: MRWDO 第1脚为手动复位输入，低电平有效;第2、3脚分别 VccRESET为电源和地;第4脚为电源故障输入;第5脚为电源故障IMP813L GND输出;第6脚为看门狗输入，第7脚为复位输出，第8脚WDI为看门狗输出。 PFIPFO IMP813L的性能特点: IMP813L的内部结构框图如图4-8所示，具有以下主 要性能特点:由图可知该芯片具有以下主要性能特点: 图4-8 IMP813L芯 (1)复位输出。系统上电、掉电以及供电电压降低时，片 第7脚产生复位输出，复位脉冲宽度的典型值为200ms，高电平有效，复位门限的典型值为4.65V。 (2)看门狗电路输出。如果在1.6s内没有触发该电路(即第6脚无脉冲输入)，则第8脚输出一个低电平信号。 (3)手动复位输入，低电平有效，即第1脚输入一个低电平，则第7脚产生复位输出。 (4)1.25V门限值检测器，第4脚为输入，第5脚为输出。当第4脚电压低于1.25V时，第5脚输出一个低电平信号。 IMP813L的典型应用电路: IMP813L的典型应用电路如图4-9所示。图中单片机以AT89C51为例，IMP813L的第1脚与第8脚相连。第7脚接单片机的复位脚(AT89C51的第9脚);第6脚与单片机的P1.4相连。在软件设计中，P1.4不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.4无脉冲输出。于是1.6s后在IMP813L的第8引脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使IMP813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，IMP813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。 电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1(25V时，电源故障输出脚第5脚PF0变低，可引起AT89C51中断，进行电源 18 安徽理工大学毕业设计 故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。 IMP813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片;它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。 被检测的电源 R1 P1.4PF1WD1 +V5 R2VCC INT1PFOAT89C51IMP813L RESETP1.9手动 GNDMR WDO 图4-9 IMP813L的典型应用电路 4.6 驱动系统电路 驱动系统电路包括驱动器、光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分，如图4-2所示。在具体电路中，由于单片机使用5V弱电，而电机的驱动电压为12V或者更高，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了光电耦合器TLP521，把控制部分和驱动部分隔离开来。单片机输出端口的电流一般只有20mA左右，不足以或者不能稳定地驱动光电耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245来增强驱动能力，为光电耦合器TLP521提供合适的驱动电流。驱动器保护电路由8个高速大电流肖恩特二极管1N5822(图中D1~D8)组成，用来消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。保护二极管最好采用高速大电流的开关管，否则反向恢复时间太长，L298N内部H桥的上下两个三极管会因为开闭时序交叉，导致同时打开而短路，长期使用状态下会造成L298N发热或烧毁。 按照图4-10所示电路，系统工作时，单片机P1口输出的控制信号经过驱动器芯片74HC245和光电耦合器之后输入电机驱动芯片L298N，控制电机动作。 19 安徽理工大学毕业设计 当需要调速时只需改变PWM调速脉冲(本设计中由单片机P1.3和P1.6端口产生)的占空比即可，理论上可以实现256级调速。 4.7 液晶显示电路 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。这里采用2行16个字的DM-162液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示时间及清扫机行进速度的功能。 DM-162液晶显示模块的字符显示，可分为好几种显示模式，这主要取决于对具体的应用。如静态的显示，还是动态的左移或者右移显示。那么这个主要是在程序设计的过程中，进行初始化所决定的。因此，在使用之前先确定使用的目的，选择好显示的方式，当然得找出相应的显示字符的字符代码及在DM-162液晶显示模块的相应显示位置的RAM地址。然后进行每个字符的写入显示。在使用的过程中，还得注意的一点是，可能是显示驱动电压的不稳定性，或者是由于驱动电压的过高，会形成一种―鬼影‖的现象，因此需要手动对10K的电位器进行对比度调整以达到显示的良好效果。 液晶显示模块电路如图4-11所示。它由以下几个部件组成:单片机AT89C51、液晶字符显示部件DM-162、电源供电部分。 单片机部分:采用AT89C51芯片实现对DM-162的控制显示。 字符显示模块:选择2行16个字的显示容量。 AT89C51DM-162液晶模块 P3.7RS P3.6RW P3.5E +5VVDDD0P2.0VDDP2.1D1P2.2D210KP2.3D3V0P2.4D4电位器P2.5D5 D6P2.6VSSD7P2.7 VSS 图4-11 液晶显示系统电路 电源部分:+5V电压供电，维持系统的正常工作，同时加载10K电位器以适应不用亮度的显示字符即对比度的调整。 20 安徽理工大学毕业设计 4.8 电源模块 电源模块是清扫机系统的生命源，一般情况下，都是采用无线缆的机载可充电电池作为直流电源，如铅酸电池、镍氢电池、锂锰电池、镍镉电池、锂离子电池和聚合物电池等。清扫机电能消耗主要表现在以下两个方面:一是驱动和控制电路的消耗，二是清扫系统工作时的消耗。耗能部件所需的电压、电流以及对电源的稳定性要求等都存在不同，在设计电源模块的供电方案时，需要分别加以考虑。在选择合适的直流电源时需要重点考虑以下两个方面的因素: 质量和体积:清扫机系统机载电源的质量应尽可能轻，体积应尽可能小，以节约电能消耗并便于安装。 额定电压和容量:根据耗能部件对电压、电流的要求大致确定机载电源的额定电压和容量等参数。 经过分析对比，选用额定电压为14.4V，容量为2200mAh的镍镉电池组。该电池组可反复充电800次以上，质量轻，体积小，输出电流为2A时可连续工作1个小时以上。选定机载直流电源后，还需要选择合适的电源稳压芯片，以将系统电源电压稳定在耗能部件所需的电压范围。本设计选择5V稳压模块WRB1205S-1W为控制系统、传感器系统提供5V电源，选择三端稳压芯片L7805为移动机构系统电路提供不共地5V电源。 机载电源模块为整个机器人系统提供必需的电力，图4-12为该模块选用的电源和电压专换芯片。该机器人系统使用直流电源，机载电源模块为电机驱动控制模块电路提供5V工作电压，即图中S_5V所示，电机的工作电压由直流电源直接提供。为了满足系统电路的电气隔离要求，主控制器和其它功能部分需要与电机驱动模块不共地的5V电压，即图中的VCC所示。图中J4、J5为电源电压(VCC_12V)输出接口，J8、J9为VCC电压输出接口。 图4-12机载电源模块供电电路 21 安徽理工大学毕业设计 系统电源采用14.4V可充电镍镉电池组，可充电次数约800次，充满电后的输出电压可达15V左右。采用WRB1205S-1W芯片为主控制器和其它功能部分提供5V电压，WRB1205S-1W芯片为宽电压输入、隔离稳压输出的电源转换集成芯片，输入电压范围9~18V，输出5V，最大输出电流200mA，自然冷却，使用方便。由于其性能稳定，使用可靠，因此成本稍高。采用L7805芯片为电机驱动控制模块提供单独的5V电压，由于输入电压较高，发热较大，因此需要加装散热片。 4.9 清扫避障系统 本自动扫地机的清扫避障系统利用的是在房间内按照坐标的形式，横向和纵向结合的清扫路径。 在本设计中，扫地机的路径大体分为两类: ?面覆盖的过程，机器人走直线，相当于一个”迂回推进”的过程;?从当前点到目标点的寻径过程，从定位的准确性考虑，路径段也为直线。开始的时候机器人选择房间的一个角落(2座墙壁的交接点，便于机器人定位)作为初始点，坐标为(0，0)，即机器人上的p点坐标为(0，0)(本文中的坐标都是指p点坐标)，沿一侧墙的方向建立X轴，第一次清扫沿X 轴的方向，完成后，返回原点，沿Y轴方向进行第二次清扫。这样既保证了清洁质量，又在很大程度上避免了1次清扫所带来的死角问题。而且由于2个方向的互补性，并不需要为了遍历的完整性而采用更为烦杂的路径，通过2次数据融合就可以得到较为精确的环境信息机器人的路径为迂回前进的路径段，每个路径段的间隔为机器人清洁机构的清扫直径，碰到障碍物后，机器人的转向90?并且侧移20cm，在转向90?，这个动作由控制系统做好保存，直接调用，记为micro1。(在前进过程中，发生碰撞时，机器人的转向所采取的方向，取值可以为”左”或者”右”，由碰撞次数的奇偶性决定。 图 沿X 轴方向的遍历图 图 沿Y轴方向的遍历图 22 安徽理工大学毕业设计 前可行的方法就是—通过建立被控制对象的模糊模型来实现模糊控制器。 所谓建立被控制对象的模糊模型就是用“如果一一那么”的形式来描述 被控对象的动态特性。一条“如果—那么”表达式就是一条控制规则，因此被控制对象的模型是由多条控制规则组成的，这样通过该模型就可以从输入推理得出输出。 具体到本课题，模糊规则设定如下: 规则1:如果机器人前方为阶梯(沿X轴方向遍历)，那么它应该左转一前行一再左转;(把此类型障碍物当作墙来处理) 规则2:如果机器人前方有障碍物(沿X轴方向遍历)，同时左侧也有障碍物，那么它应该原地转弯180度;(记为左转为不可行) 规则3:如果机器人悬空，那么它应该执行电源关操作 规则4:如果机器人前方为阶梯(沿Y轴方向遍历)，那么它应该从右转一前行一再右转;(把此类型障碍物当作墙来处理) 规则5:如果机器人前方有障碍物(沿Y轴方向遍历)，同时右侧也有障碍物，那么它应该原地转弯180度;(记为右转为不可行) 规则6:如果机器人右前方没有障碍物，那么它应该直线前行; 规则7:如果机器人沿X轴方向遍历完成，那么执行沿Y轴方向的遍历;(完成与否的判定根据是否有连续两次转弯不可行) 规则8:如果机器人完成了沿X轴和Y轴方向的遍历，那么小车执行回充电插座充电。 23 安徽理工大学毕业设计 结论 本文是对自动扫地机的设计，在查看大量相关文献的基础上，针对自动扫地机的行走机构，红外控制机构，各传感器机构以及主控制系统机构进行了一系列的研究设计。本设计是用单片机AT89C51实现对各模块的控制。并且通过本设计，让我对次单片机及其他所用到的芯片等有了深刻的认识，更好的设计出了一款有我思想的自动扫地机。 本文分析了自动扫地机的移动方式，针对扫地机的尽量不重复扫和尽量遍历整个房间以及扫地的干净程度的特点，提出了扫地机横向和纵向结合的清扫路径，以及碰到障碍物按照碰撞奇偶次数的不同进行方向不同的转向理念，从而实现扫地机的各种功能。 24 安徽理工大学毕业设计 参考文献 [1]张西良,丁飞等.能力风暴机器人AS-U?目标搜索研究[J].机器人技术,2006.10 [2]丛爽,钱辉环.广茂达机器人几个实际应用问题的解决方案[J].机器人技术与应 用,2003.6 [3]郭洪红.工业机器人运用技术.北京:科学出版社,2008 [4]章小兵,宋爱国.地面移动机器人的研究现状及发展趋势[J].机器人技术与应用 -23. 用,2005,2 ;19 [5]李磊,叶涛,谭民,陈细军.移动机器人技术研究现状与未来[J].机器 人,2002(9),V(24),N(5);475-480. 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Advanced Robotics. 1986,1(3): 225- 242 26 安徽理工大学毕业设计 致谢 本设计是在####副教授的悉心指导下顺利完成的，设计中的每一环节无不凝聚着老师对我们的照顾和心血。在毕业之前仍能取得的每一点成绩、学业上的每一点长进都与##老师的关怀分不开，老师渊博的知识、严谨的治学作风和高尚的人格使本人终生受益，不仅给予我了很多学习上指导和生活上的关怀，还使我获得了丰富的专业知识和处理问题的能力，在此特向胡老师致深深的感谢～ 同时感谢本次设计中各位同学朋友的无私帮助。 最后，要感谢我的家人，在他们默默的关心和支持下，才使我得以顺利的完成学业。 27 安徽理工大学毕业设计 28 安徽理工大学毕业设计 S_5V U11AR181P11218A0B03P12172A1B14707DIR14P1316A2B21KR7C1TLP521P14515VCC 12VS_5VA3B36P1514U11BR23A4B4 6P1670.1uFD1D2D3D413A5B59P174704U285DIR212A6B69P181K11R8TLP521A7B7810U12ADIR1R3581INOUT1E20M1DIROUTPUT1424707PWMA7DIR2MOTORINPUT21KR93TLP521OUTPUT2AT89C51VCCDIR310R4U12B3INPUT3613L298NOUTPUT3DIR41247045DIR3INPUT4MOTOR141KR10TLP521OUTPUT46M2PWMAU113AENABLE1D5D6D7D88111PWMB2470DIR47ENABLE2 1KR11TLP521 U13B36 14704PWMB5 1KR12TLP521 15 图4-10 驱动系统电路 29 VCC CurrentAGND CurrentBVPP 安徽理工大学毕业设计 30