毕业论文-基于单片机的扫地机器人的设计
毕业设计
基于单片机的扫地机器人的设计 题 目:
副 标 题:
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新能源工程系、电子信息工程技术 所在系、专业:
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Abstract
摘 要
本文主要设计并制作一个简易扫地机器人。本扫地机器人具有自动清扫、自动充电、防撞、防跌落的功能。本文介绍了扫地机器人系统的总体的设计
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
，它主要由MCU主控电路、防撞电路、防跌落电路、电压检测电路、稳压电路和充电位检测电路组成。它完全解放了人民的双手，能够全自动的完成清扫工作，当电量不足时，自动寻到充电座，进行充电，充满后继续工作本机采用stc89c52单片机为核心控制器件，虽然它的是一个入门级的单片机，但成本低，效率高，编写程序简单等优点，在市场上还是有很好的应用前景。
关键字:扫地机器人;壁障;stc89c52单片机
I
摘要
Abstract
In 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
II
目 录
目 录
摘 要 ............................................................ I Abstract ..........................................................II 目 录 ........................................................... III 1、概述 ........................................................... 1
1.1 国内产品研究背景 .............................................. 1
1.2 研究的目的和意义 .............................................. 1
1.3 课题的要内容 ................................................. 1
1.3.1 扫地机器人功能 ................................................. 1
1.3.2 性能指标....................................................... 2
1.3.3 论文的主要内容 ................................................. 2 2、电路设计、理论分析与计算 ........................................... 3
2.1 电源电路设计 ................................................. 3
2.1.1 电路原理....................................................... 3
2.2 总控制电路 ................................................... 4
2.2.1 STC89C52单片机简介 ............................................. 4
2.2.2 总控制电路的设计 ............................................... 6
2.3 防跌落电路 ................................................... 8
2.4 防撞落电路 ...................................................10
2.5 电源电压检测电路 ..............................................10
2.6 电池充电电路 .................................................11
2.6.1 电池充电电路设计 .............................................. 11
2.7 电机驱动电路 .................................................12
2.7.1电机的选择 .................................................... 12
2.7.2电机驱动电路设计 ............................................... 13 3、PCB板的设计与制作 ................................................16
3.1 PCB板的设计 ..................................................16
3.2 PCB板的制作 ..................................................17 4、电路焊接与调试 ...................................................20
4.1 电路焊接 .....................................................20
4.2 防撞电路的调试 ................................................20
4.3 防跌电路的调试 ................................................20
5、系统程序的设计 ...................................................21
5.1 C语言与汇编语言的优缺点 ........................................21
5.2 系统程序设计 .................................................21
5.2.1 程序的初始化 .................................................. 21
5.2.2 主程序的设计 .................................................. 21
5.2.3 防撞程序的设计 ................................................ 22
5.2.3 防跌落程序的设计 .............................................. 23
5.2.4 充电寻迹程序的设计 ............................................ 24 6、外壳制作 ........................................................26
6.1 有机玻璃的特性 ................................................26
6.1 底板制作 .....................................................26
6.2 边框制作 .....................................................27
6.3 储灰盒制作 ...................................................28
7、整机调试与功能介绍 ................................................29
7.1 存在的问题与解决方案 .............................................29
7.2 系统缺陷 ....................................................30
7.2.1 传感器缺陷 .................................................... 30
III
目录
工贸企业有限空间作业目录特种设备作业人员作业种类与目录特种设备作业人员目录1类医疗器械目录高值医用耗材参考目录
7.2.2 电池缺陷...................................................... 30
7.2.3 吸尘器功率缺陷 ................................................ 30
7.3 功能说明 ....................................................... 30 8、总结 ...........................................................31
致 谢 ............................................................32
参考文献 ..........................................................33
附 录 ............................................................34
IV
简易扫地机的设计
1、概述
1.1 国内产品研究背景
在国内的一些大学、如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一成果，对清扫机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力 驱动等技术的研究则更多，这些都为清洁机器人的研究开发和推广奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的亚久，与香港中文大学合作，联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点:采用全放位移动技术，使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务;采用开放式机器人铰制结构，实现硬件可扩展，软件可移植、可继承，使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性;在拥挤环境下的实时避障功能能更好地适应不断变化的清扫工作环境;遥控操作和自主运动两种运动方式;吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。浙江大学l999年初在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左右初步朱能的自主吸尘机器人，这种智能吸尘机器人工作时，首先进行环境学习;利用超声波传感器测距，与墙保持一定距离行走， 在清洁这角落的同时获得房间的尺寸信息，从而决定清扫时间;之后，利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径;清扫结束以后，自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在 5.5×3.5m2 的实际家庭环境中，工作 10 分钟可以达到 90,以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前，系统正在引入机器视觉和全局定位功能，力图在多房间环境下，提高自定位能力、 智能决策能力以及回归充电效率，最终提高清扫效率。
1.2 研究的目的和意义
吸尘机器人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。 1.3 课题的要内容
1.3.1 扫地机器人功能
(1)自动清扫
(2)壁障
(3)防撞
(4)自动充电
1
基于单片机的扫地机的设计 (5)虚拟墙
1.3.2 性能指标
(1)输入电压:13V~15V
(2)输入电流:1A
(3)运行速度:10m/min
(4)最大工作时间30min
1.3.3 论文的主要内容
第一部分主要介绍课题的背景，研究的目的与意义。 第二部分详细说明了扫地机器人各部分电路的设计。 第三部分详细描述了PCB板的设计流程。
第四部分详细描述了焊接工艺和部分电路的调试。 第五部分详细说明了系统软件设计，并给出详细的流程图。 第六部分详细介绍了扫地机的外壳制作过程。 第七部分对扫地机的整机装配及调试进行了详细的说明。 第八部分设计总结。
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简易扫地机的设计
2、电路设计、理论分析与计算
2.1 电源电路设计
电源的好坏决定了整个电路的稳定性，输出波纹越平滑，性能越好。本电源采用两块LM7805作为稳压电源，一块为控制电路和传感器电路供电，另一块单独为电机供电。分开供电这样做的好处，有利于减小干扰，提高系统稳定性。
LM7805是国家半导体开发出来比较成熟，较早的一种线性稳压半导体器件，通常采用TO-220封装，具有短路保护、过流保护、高温保护等保护措施，同时只要用到很少的元件就能输出稳定的5V电压，最大输出电流能达到1.5A。外形如图2-1所示。1管脚为输入端，2管脚为地，3管脚为输出.
图2-1封装图
2.1.1 电路原理
由于后级电路需要1A左右的大电流用于驱动各类电机，查找后发现E13003完全满足这要求，集电极最大允许电流ICM可以到达1.5A。由于13003开关管需要较大的驱动电流，因此增加了一个Q1三极管与其构成达林顿驱动管，Q3为控制管，当DY引脚为低电平同时总开关K1闭合时电源部分才能正常供电。DY为高电平时电机供电部分停止工作。
U4单独为两个减速电机和边刷提供5V电源，由于需要输出较大的电流，输入压降又比较大，因此在输入端加了一个分压电阻，降低U4上的电压，从而降低管耗。 U5为MCU和传感器电路提供稳定的5V工作电压。在正常开机后连续保持输出。电源电路如图2-2所示。
3
基于单片机的扫地机的设计 J1
BAT+Q2212V130031
1F11Vin2
2AR39K1U5U4Q1GNDGND3.678057805S805022
33Vout5VVoutDJ5V12VC2C1C4C316V/220uF16V/220uFC8C7
16V/470uF16V/470uFDY104104
Q3
8050R?
122KVin
图2-2电源电路
2.2 总控制电路 BAT+2.2.1 STC89C52单片机简介
STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash存储器。STC89C52使用经典的MCS-51内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统51单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 具有以下
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
功能: 8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构(兼容传统51的5向量2级中断结构)，全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
1)特性
? 8K字节程序存储空间。
? 512字节数据存储空间。
? 内带2K字节EEPROM存储空间。
? 可直接使用串口下载。
2)参数
? 增强型8051单片机，6 时钟/机器周期和12 时钟/机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统8051，工作电压:5.5V,3.3V。
? 工作频率范围:0,40MHz，相当于普通8051 的0,80MHz，实际工作 频率可达
4
简易扫地机的设计
48MHz。用户应用程序空间为8K字节。
? 片上集成512 字节RAM。
? 通用I/O 口(32 个)，复位后为:P0/P1/P2/P3 是准双向口/弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻。
? ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器，可通过串口(RxD/P3.0,TxD/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片。
? 具有EEPROM 功能。
? 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。
? 外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒。
? 通用异步串行口(UART)，还可用定时器软件实现多个UART。
? 工作温度范围:-40,+85?(工业级)/0,75?(商业级)。
11 PDIP封装。
3) 引脚介绍
STC89C52有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式，其中最常见的就是采用40Pin封装的双列直封装，外形结构下图。
芯片共有40个引脚，引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口(如图2-3)左边那列引脚逆时针数起，依次为1、2、3、4。。。40，其中芯片的1脚顶上有个凹点。在单片机的40个引脚中，电源引脚2根，外接晶体振荡器引脚2根，控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。
VCC(Pin40):电源输入，接，5V电源
GND(Pin20):接地线
XTAL1(Pin19):片内振荡电路的输入端
XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端
RST/VPP(Pin9):复位引脚，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。
ALE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号
PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
STC89C5单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共32根。每一根引脚都可以编程，比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等，开发产品时就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能，尽情发挥你的想象力吧，实现你想要的:) 强大无比。。。
PO口(Pin39,Pin32):8位双向I/O口线，名称为P0.0,P0.7
P1口(Pin1,Pin8):8位准双向I/O口线，名称为P1.0,P1.7
P2口(Pin21,Pin28):8位准双向I/O口线，名称为P2.0,P2.7
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基于单片机的扫地机的设计
P3口(Pin10,Pin17):8位准双向I/O口线，名称为P3.0,P3.7
上面就是STC89C5单片机引脚的简单介绍，其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。如图5-3为51单片机的引脚分布图。
图2-3 51单片机引脚图
2.2.2 总控制电路的设计
1)I/O口定义
? P00、P01、P02、P12、P13、P14为扫地机器人防撞信号输入引脚;
? P03、P04、P05为防跌落信号引脚;
? P10为电机电源控制型号(低电平有效);
? P11、P12为电池电压检测信号输入引脚，P11为过放检测，P12为过充检测;
? P23、P24、P24、P26为充电时位置检测信号输入引脚;
? P34、P35、P35、P35为电机驱动信号，P34、P35控制左电机正反转，P35、P35
控制左电机正反转;
? P20为两边刷电机控制信号;
? P21为吸尘器电机控制信号;
? P36、P37为晶振信号输入引脚
? REST引脚为复位信号输入引脚
2)复位电路设计
6
简易扫地机的设计
51单片机高电平复位。以当前使用较多的STC89系列单片机来说，，在复位脚加高电平2个机器周期(即24个振荡周期)可使单片机复位。复位后，主要特征是各IO口呈现高电平，程序计数器从零开始执行程序。
3)复位方式有两种:
? 手动复位:按钮按下，复位引脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。
? 上电复位:上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容给单片机复位脚施加 高电平5V，同时，通过电阻向电容器反向充电，使复位脚电压逐渐降低。经一定时间后复位脚变为0V，单片机开始工作。
本复位电路采用上电自动复位电路，电阻和电容的阻值根据时间常熟τ=RC求出电阻和电容的阻值分别为10K与10uF。复位电路如图2-4。
晶振电路设计理论上来说，振荡频率越高表示单片机运行速度越快，但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。同时单片机性能的好坏，不仅与CPU运算速度有关，而且与存储器的速度、外设速度等都有很大关系。
根据数据手册上STC89系列单片机最高频率可达到40MHZ，但频率越高就越不稳定，最终根据数据手册所推荐使用12MHZ，这以常见的晶振。并联谐振电路对电容的值没有严格要求，但两个电容必须，不然会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等，所以一般C1、C2选值30pF。晶振电路如图2-4。
4)I/O电路设计
P0口是双向指的是它被用作地址/数据端口时，只有在这个时候，P0口才处于两个开关管推挽状态，当两个开关管都关闭时，才会出现高阻状态。当P0口用于一般I/O口时，内部接VCC的那个开关管是与引脚(端口)脱离联系的，这个时候，只有拉地的那个开关管起作用，P0口作为输出，是必须外接上拉电阻的，不然就无法输出高电平。 因此在P0口上加上一个10K说的排阻。I/O口如图2-4。
7
基于单片机的扫地机的设计
5VJ14
U61DY139FZ1P10P002C2238FZ2P11P013C3337FZ35VP12P024FZ4436FD1P13P035FZ5535FD2P14P046FZ6634FD3C9P15P05773310uFP16P068832RSTP17P079
1321BS2R11INT1P201222FJ10KINT0P2123BS1P222A1524CD1T1P232B1425CD2T0P2426CD3P253127CD45VEA/VPP26Y128DY2P27X1X2X11940X1VCC5VX21820C10X2GNDC1112M
30P30PRST910RESETRXD11TXD1A1730RDALE/P1B1629WRPSEN
图2-4总控制电路 STC89C52
2.3 防跌落电路
防跌落电路用于检测扫地机器人机身前方是否处于悬空状态，当出于悬空状态时，防跌落电路会发出一个低电平给CPU,CPU做出相应的动作来控制两个轮子的电机，使机身始终处于非悬空状态。
LM393/339是高增益,宽频带器件，像大多数比较器一样,如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡。除非利用滞后,否则直接插入IC并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号是脉冲波形，并且上升和下降时间相当快,则滞回将不需要。比较器的所有没有用的引脚必须接地。
LM393/339偏置网络确立了其静态电流与电源电压范围 2.0~30V无关。通常电源不需要加旁路电容。差分输入电压可以大于VCC并不损坏器件。保护部分必须能阻止输入
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简易扫地机的设计
电压向负端超过-0.3V。
LM393/339的输出部分是集电极开路，发射极接地的 NPN输出晶体管，可以用多集电极输出提供。输出负载电阻能衔接在可允许电源电压范围内的任何电源电压上,不受 VCC端电压值的限制。此输出能作为一个简单的对地SPS开路(当不用负载电阻没被运用)，输出部分的陷电流被可能得到的驱动和器件的β值所限制。当达到极限电流(16mA)时，输出晶体管将退出而且输出电压将很快上升。输出饱和电压被输出晶体管大约60ohm 的γSAT限制。当负载电流很小时，输出晶体管的低失调电压(约1.0mV)允许输出箝位在零电平。
本电路采用电压比较器来比较光电对管和基准电压信号之间的关系。
当光电对管处于悬空状态时，接收管上的阻值加大，此时R28上的电压低于基准电压，电压比较器反向输入端电压高于同向输入端，因此输出高电平。
当光电对管处于非悬空状态时，接收管上的阻值降低，此时R28上的电压高于基准电压，电压比较器反向输入端电压低于同向输入端，因此输出低电平。
调节电位器R34、R37、R38改变参考电压，可调节光电电头探测的距离。防跌落电路如图2-5。
J105V
11223R63R3410kU3A5R152R22R28FD1450K1k47047k
LM339
J11
15V23R9U3BR3710kR197R25R311FD250K1k47047k6
LM339J13
125V3
U3CR10R3810k9R2014FD3R26R32850K1k47047k
LM339 VCC
U1
3VCC21 J1
图2-5防跌落电路
9
基于单片机的扫地机的设计
2.4 防撞落电路
防撞电路作为扫地机器人的眼睛，用于检测前方是否有障碍物，当前方有障碍物时，相应的探头所连接的电路会发出一个低电平信号给CPU，CPU做出相应的动作来控制两个轮子的电机，使机身始终不撞向障碍物。
当红外线对管前方无障碍时，红外线接收管上的阻值加大，此时R27上的电压低于基准电压，电压比较器反向输入端电压高于同向输入端，因此输出高电平。
当红外线对管处于有障碍时，红外线接收管上的阻值降低，此时R28上的电压高于基准电压，电压比较器反向输入端电压低于同向输入端，因此输出低电平。
调节电位器R33、R35、R36、R7、R8、R9改变参考电压，可探测距离。防撞电路如图2-6。 J8J1VCC5V11212312233R5U2A3U1AR10R3310k5R14R710k5FZ12R132R21R27450K1kR1R4450K47047k1k47047kLM339LM339
J9J2J4VCCCON5115V22VCC33U2BU1BR7R111R3510k77R810kR172R1411FZ23R23R296R2R5650K50K1k1k447047k47047k5LM339LM339D2J12J3D1VCCLED115V2233U1CR12U2CR8R910k9R3610k9R15R181414FZ3R3R68R24R3050K850K1k1k347047k47047k2LM339LM3391 J2图2-6防撞电路
2.5 电源电压检测电路
电源电压检测电路用于监测电池电压，防止电池过充和过放。
当电池充满电后，过充电路会向CPU发出一个高电平，提醒CPU电池已经充满电，应停止充电。
当电池电压不足时，过放电路会向CPU发出一个高电平，提醒CPU电池已经欠压，需要充电。
R41与D4构成2.4V的参考电压，调节R43可改变过充电压，调节R42可改变过放电压。
每节镍镉电池充满电后电压为1.4V，因此设置过充电压为14V，过放电压设置为11V。电压检测电路如图2-7。
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C2C3
简易扫地机的设计 U1ABAT+LM393R12841K5VR3R41T24.7K310KVREF1
2R42D4R132.4V1K5VR450KVREF510KT17T16U1B
LM393
T2
图2-7电压检测电路
2.6 电池充电电路
电池充电电路用于检测充电座的位置和充电提示。
当扫地机器人上的红外线接收头接收到充电座发出的红外信号后，向CPU发出信号，CPU控制电机，调节机身位置，进入充电区。
当扫地机器人与充电座连接后，会产生一个信号提示CPU以开始充电。 2.6.1 电池充电电路设计
Q1、Q2、Q3、Q4为红外接收头，用于接受充电座发出的红外信号。 R43
当扫地机器人处于欠压状态时，机身经过充电座，红外线接收管接收到充电座发出的红外信号，此接收管所在的电路向CPU发出一个高电平，CUP产生相应的动作。 50KJ21当4个接受管都接到红外信号后，表明机身与充电座处于垂直状态，扫地机开始向2345前前进。 67CON7当充电触电与充电座接触后，会产生一个低电平信号，发送给CPU扫地机已经充电位置，关闭所有电机，进入充电状态。防撞电路电路如图2-8。
Q1Q2Q3Q4
F1R9R510k52AR132R17R19R1450K1kVCC47k10K1K3D1Q112U1AR185.1VS8050510K4R203LM339D22R10101R610kR14IN4007R2J150K11k47k2 VCCVCCJ4J1VCCU1BCON217 213645LM339 6CON6 VCCU1CR11R710k9 图2-8 防撞电路 R1514R3850K1k47kLM339
VCCU1DR12R810k11R1613R41050K11 1k47kLM339
J312CON2
基于单片机的扫地机的设计
2.7 电机驱动电路
电机驱动电路用于驱动两路减速电机的正反转、两路边刷和一个吸尘器风机。 2.7.1电机的选择
1)轮胎减速电机的选择
本扫地机器人使用了智能小车专用减速电力，减速比为48:1可以带动500克的负载。电机如图2-9所示，具体参数如表2-1。
图2-9
额定电压 3V 6V 7.2V 9V
空载电流 ?90MA ?100MA ?110 ?120MA
空载转速 4600?10% 9800?10% 11000?10% 14800?10%
负载电流 ?150MA ?160MA ?180MA ?200MA
负载转速 90转/分 190转/分 230转/分 300转/分
扭矩 0.4kg.cm 0.8kg.cm 0.1kg.cm 1.2kg.cm
表2-1 减速电机参数
2)边刷电机的选择
边刷电机用于带动边刷，将扫地机四周的灰尘聚拢至吸尘口，并不需要多大的负载能力，因此选择了一款微型减速电机。电压范围:DC3V--5V;转速80-130转/分钟。电机实物如图2-10所示。
图2-10
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简易扫地机的设计
3)吸尘器电机的选择
吸尘器电机需要较大的功率，5V电压无法带动较大的功率，因此选择12V,为吸尘
器电机的工作电压。经查找资料后最终选择12V0.29A的涡轮离心电机。电机实物
图如图2-11所示。
图2-11
2.7.2电机驱动电路设计
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片 IC 之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。该芯片有两个 TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性;两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过 750,800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 1.5,2.0A; 同时它具有较低的输出饱和压降; 内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。
管脚定义如表2-2所示。
表2-2管脚定义
序号 符号 功能
1 OA A路输出管脚
2 VCC 电源电压
3 VCC 电源电压
4 OB B路输出管脚
5 GND 地线
6 IA A路输出管脚
7 IB B路输出管脚
8 GND 地线
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基于单片机的扫地机的设计
电气参数如表2-3所示。
表2-3 电气参数
符号 参数 范围 单
位 最小 典型 最大
VCC 电源电压 2.5 6 12 V
Idd 静态电流 - 0 2 uA
Iin 操作电流 200 350 500 uA
IC 持续输出电流 750 800 850 mA
Imax 电流峰值 - 1500 2000 mA 逻辑关系如表2-4所示。
表2-4 逻辑关系
IA IB OA OB
H L H L
L H L H
L L L L
H H H H
三极管ss8050是一种常用的普通三极管。 它是一种低电压,大电流,小信号的NPN型硅三极管。它是S8050的增强版，具体参数见表2-5。
表2-5
参数 符号 测试条件 最小 典型 最大 单位 集电极-基级击穿电压 VCBO IC=100uA,IE=0 40 V 集电极-发射级击穿电压 VCE0 IC=1mA,IB=0 25 V 发射极-基级击穿电压 VEBO IE=100uA,IC=0 5 V 集电极截至电流 ICBO VCB=30V,IE=0 200 nA 发射机截至电流 IEBO VBE=4V,IC=0 200 nA 直流电流增益 hFE VCE=5V,IC=5mA 85 500 集电极-发射极饱和电压 VCE(SET) IC=800mA,IB=80mA 0.5 V
当Q3、Q4、Q5的基级接收到CPU的发出的高电平后，Q3、Q4、Q5饱和导通，边刷和吸尘器电机开始工作。给低电平时，三极管所控制的电机就停止工作。J4、J5接边刷电机，J6接吸尘器电机。
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DJ5V12V
J4J5J6
简易扫地机的设计 111
222当1A与1B输入引脚为10时，电机正转，当输入为01时电机反转。当输入为11
CON2CON2CON2或00时电机停止运行。
C5、C6为高频滤波电容，过滤掉电机工作时对芯片的干扰，提高系统稳定性。J3BS1BS2FJ
接左轮电机，J7接右轮电机。电机驱动电路如图2-12。 Q3Q4Q5
SS8050SS8050SS8050
U7
J318OAGND271B1VCCIBC5DJ5V361A2VCCIA10445OBGNDCON2
L9110H
U8
J718OAGND272B1VCCIBC6DJ5V362A2VCCIA10445OBGNDCON2
L9110H
图2-12 电机驱动电路
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基于单片机的扫地机的设计
3、PCB板的设计与制作
3.1 PCB板的设计
PROTEL99SE对于涉及电子方面的大专生而言，是一门必修的科目。学好这门科目就大大缩短了电路板设计的时间，同时具有在线DRC检测功能，方便而实用。
本次的扫地机器人的设计从原理图到PCB的设计都是由该软件制作而成。
主电路板包含电源电路、过充/过放检测电路、电机驱动、防跌电路和3路防撞电(如图3-1)。
图3-1 主板电路
红外线充电位置检测电路如图3-1。
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简易扫地机的设计
图3-2 红外线检测电路
红外线充电检测电路图与光电对管电路如图3-3。
图3-3 红外线检测头电路
3.2 PCB板的制作
1)打印电路
将绘制好的电路用菲林纸打印出来，注意一定要负向输出，一般打印两张电路板即一张纸上打印两张电路板。在其中选择打印效果最好的制作线路板。菲林打印效果图如图3-4所示。
图3-4 菲林纸负向打印效果图
2) PCB板预处理
将打印好的电路板裁剪成合适大小，用砂纸打磨覆铜板，使表面光滑无油渍。然后均匀涂上感光蓝油，等蓝油干燥后，在表面贴上打印好的菲林纸放，在紫外线灯下曝光6分钟。去除菲林纸，放在显影剂中显影。预处理后的PCB板如图3-5所示。
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基于单片机的扫地机的设计
图3-5 预处理后的PCB板
3)腐蚀电路板
先检查一下显影后的电路板电路是否完整，若有少数线路不完整可以用黑色油性笔修补。然后就可以腐蚀了，等线路板上暴露的铜膜完全被腐蚀掉时，将线路板从腐蚀液中取出清洗干净，这样一块线路板就腐蚀好了。腐蚀液的成分为浓盐酸、浓双氧水、水，比例为1:2:3，在配制腐蚀液时，先放水，再加浓盐酸、浓双氧水，若操作时浓盐酸、浓双氧水或腐蚀液不小心溅到皮肤或衣物上要及时用清水清洗，由于要使用强腐蚀性溶液，操作时一定注意安全。腐蚀后的电路板如图3-6
图3-6 腐蚀后的电路板
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简易扫地机的设计
4)电路板切割与打孔
将腐蚀好的电路板用切割机切割掉无用部分。
线路板上是要插入电子元件的，所以就要对线路板钻孔了。依据电子元管脚的粗细选择不同的钻针，在使用钻机钻孔时，线路板一定要按稳，钻机速度不能开的过慢，否则会时钻头断裂。打完孔后的电路板如图3-7所示。
图3-7 最终成品图
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基于单片机的扫地机的设计
4、电路焊接与调试
4.1 电路焊接
电路焊接依据从小到大，从低到高的原则进行焊接。
在焊接的时候每个焊点焊接时间应该在2~3秒之间，不得超过4秒，在焊接芯片的时候应该增加一个IC坐，先焊IC坐在装IC，同时得用防静电烙铁，以防静电击穿芯片。
焊点要求圆润饱满，成倒锥型，无毛刺、虚焊、假焊。焊点如图4-1所示。
图4-1 焊点图
4.2 防撞电路的调试
依次调节R7、R8、R9、R33、R35、R36的阻值使光电探头与障碍物的距离大约在6cm左右，此时防撞模块会向CPU发出相应的高电平。
在调试期间发现探头2和探头3出现问题，不管怎样调节电位器R7、R8,都无法输出一个高电平信号，跟换红外探头，现象依旧，用万用表分别检测接收管上的电压值，最终发现，电阻阻值不对，跟换电阻后恢复正常。
4.3 防跌电路的调试
依次调节R34、R375、R38的阻值使光电探头检测范围正好与地面的位置相同，此时防跌模块会向发出相应的高电平，当有一个探头离开地面时，相应的输出引脚会输出一个低电平。
在调试期间发现探头出现问题，不管怎样调节电位器,输出始终是低平信号，跟换红外探头，问题解决。
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简易扫地机的设计
5、系统程序的设计
5.1 C语言与汇编语言的优缺点
C语言编属于高级语言，具有可移植性，能够结构化编程。使用标准C语言的程序，几乎都可以不作改变移植到不同的微机平台上，对于嵌入式等的微控制芯片，属于标准C语言的部分也很少需要修改，而且程序很容易读懂。
C语言编写程序结构清晰，移植性好，容易维护和修改。
汇编语言针对不同的操作系统平台，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。但是汇编语言是针对专门的控制器的，所以运行速度可以精确到一个指令周期。汇编语言的程序读懂需要借助微控制器的指令手册以及各个寄存器的说明，所以很难读懂。
汇编语言编写代码实时性强，能够直接控制硬件的工作状态，但是不具有可移植性，维护和修改困难。
5.2 系统程序设计
由于扫地机器人的系统对运行速度的要求并不高，因此选择用C语言来进行编程。 本系统的软件设计主要由初始化程序、主程序、防撞子程序、防跌落程序子程序、充电寻迹子程序等子程序组成。
5.2.1 程序的初始化
一般的情况下是在上电的时候程序进行初始化，还有就是程序跑飞和出现异常时也要初始化，初始化的目的就是把所有用到的标志位、变量回到初始值，以及引脚的分配，配置寄存器写入需要的值，像时钟的选择(内部、外部)一般在上电时就做好，以后不是特殊需要是不改动的，引脚功能的分配也是一上来就设置好，之后如果可以就不改动，如果经常性的改可能会引发异常。
5.2.2 主程序的设计
系统初始化后就执行主程序，进入主程序先执行电压检测程序，如发现电池电压不足，就执行充电寻迹程序，找到充电座后执行充电程序，待电池充满后返回执行主程序。再清扫程序，如发现前方有障碍物，则执行避障程序，避开障碍物后继续执行清扫程序; 如发现前方地面为悬空，则执行防跌落程序，避开悬空区后继续执行清扫程序。程序流程图如图5-1。
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基于单片机的扫地机的设计
开始
初始化程序
电压检测程序
YES欠压
NO
充电寻迹程序清扫程序
充电程序障碍检测程序
电压检测程序YES有障碍防撞程序
NO
悬空检测程序充满
YES
YES悬空防跌程序
NO
图5-1 主程序流程图
5.2.3 防撞程序的设计
防撞程序用于控制电机正反转从而确保机身不会撞到障碍物，从障碍物的旁边绕开，当探头1前方有障碍物时，机身右转100ms后返回壁障程序;探头2前方有障碍物时，机身右转100ms后返回壁障程序 ;当探头3前方有障碍物时，机身反转100ms后左转100ms壁障程序;当探头4前方有障碍物时，机身左转100ms后返回壁障程序;当探头5前方有障碍物时，机身左转100ms后返回壁障程序。程序流程如图5-2。
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简易扫地机的设计
开始
壁障程序
YES右转程序探头1障碍
NO
延时程序YES右转程序探头2障碍
NO
延时程序
YES
后退程序探头3障碍
NO
延时程序YES探头4障碍左转程序
右转程序NO
延时程序
YES左转程序探头4障碍
NO
延时程序
图5-2 防撞程序流程图
5.2.3 防跌落程序的设计
防跌程序当扫地机器人，机身下方出现悬空时，防跌程序起作用，使扫地机器人自动远离悬空区域。探头1处于万向轮前方，当前方悬空时，扫地机器人后退100ms，再向左转100ms后返回防跌落程序;探头2处于左轮后方，当后方悬空时，扫地机器人前进100ms，再向右转100ms后返回防跌落程序;探头3右轮后方，当后方悬空时，扫地机器人前进100ms，再向左转100ms后返回防跌落程序。程序流程如图5-3所示。
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基于单片机的扫地机的设计
开始
防跌检测程序
YES后退程序探头1悬空
NO
延时程序YES探头2悬空前进程序
NO左转程序
延时程序
YES探头1悬空
延时程序
右转程序NO
前进程序延时程序
延时程序
左转程序
图5-3 防跌落流程图 延时程序5.2.4 充电寻迹程序的设计
当电池电压处于欠压时，扫地机器人关闭吸尘器与边刷的电机启用充电寻迹程序，
在红外线接收头没有收到充电座的红外发射信号时，执行防撞和防跌程序。当接受到信
号后立马执行充电循迹程序。此时关闭防撞功能，充电座必须要放在放在没有障碍物的
墙边。程序流程图，如图5-4所示。
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简易扫地机的设计
开始
红外线检测程序
YES左转程序探头1收到红外信号
NO
延时程序防撞程序
NO防跌落程序探头4收到红外信号
YESYES探头1收到红外信号右转程序延时程序
NO
延时程序直行程序
NO
NO探头1收到红外信号充电开始信号
YESYES
延时程序充电程序
直行程序
充电开始信号
YES
充电程序
图5-3充电寻迹流程图
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基于单片机的扫地机的设计
6、外壳制作
6.1 有机玻璃的特性
有机玻璃的特性:
?高度透明性。有机玻璃是目前最优良的高分子透明
材料
关于××同志的政审材料调查表环保先进个人材料国家普通话测试材料农民专业合作社注销四查四问剖析材料
，透光率达到92,，比玻璃的透光度高。称为人造小太阳的太阳灯的灯管是石英做的，这是因为石英能完全透过紫外线。普通玻璃只能透过 0.6,的紫外线，但有机玻璃却能透过73,。
?机械强度高。有机玻璃的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，而且形成分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7,18倍。有一种经过加热和拉伸处理过的有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有次序，使材料的韧性有显著提高。用钉子钉进这种有机玻璃，即使钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹。这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。因此，拉伸处理的有机玻璃可用作防弹玻璃，也用作军用飞机上的座舱盖。
?重量轻。有机玻璃的密度为1.18kg/dm3，同样大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝(属于轻金属)的43,。
?易于加工。有机玻璃不但能用车床进行切削，钻床进行钻孔，而且能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具，也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工成大到飞机座舱盖，小到假牙和牙托等形形色色的制品。
本扫地机器人整机外壳采用3MM透明有机玻璃制作。
6.1 底板制作
先在30x30cm的有机玻璃上画一个直径为29cm的圆圈，钢丝锯选用最细的锯条，沿着圆圈边缘线慢慢切割，最终切割出一个圆盘。
用打磨机将圆盘的外圈打磨至圆润光滑。
按图6-1所示，用钢丝锯锯除两个长方形和一的椭圆的区域，用于固定轮子。
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简易扫地机的设计
图6-1 外形图
制作后的半成品底板实物图，如图6-2所示。
图6-2 底板实物图
6.2 边框制作
30x30cm的有机玻璃板切成四条6x30cm的长方形，并进行拼接，制成6x120cm的长条。算出圆盘的周长为91.5cm，因为存在厚度差异，和误差因此取长度为95cm。
将热风枪温度调制200度左右，均匀给有机玻璃加热，使其变软，变软后，将其弯成一个圆环。边框如图6-7所示。
图6-7 边框的制作
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基于单片机的扫地机的设计
制作好圆环后用有机玻璃专用的胶水粘合到底板上。成品如图6-2所示。
图6-2边框加底板
6.3 储灰盒制作
储灰盒底层由三层构成，地面一层为有机玻璃，上面分布着3排3mm的洞，每排6个。中间一层为过滤网，顶层为四条有机玻璃粘合在边缘，起固定作用。
进灰口设计为45度角，这样做的好处为，灰进去后不会随机器的震动而洒出来。外形尺寸为7x5x5cm的长方体。实物图如图6-3.
图6-3储灰盒
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简易扫地机的设计
7、整机调试与功能介绍
经过电路设计、PCB的制作、电路板焊接、电路调试、软件编程、外观设计、外壳制作、整机装配等步骤后最终完成的设计如图7-1所示。
图7-1 整机图
7.1 存在的问题与解决方案
由于使用的是红外线接收头，太阳光中的红外线对红外线探头有着非常大的干扰。在进行防撞测试时正好是中午，阳光最足，因此单片机无法做出正确的判断，拉下窗帘后问题解决。
在电池存欠压的情况下，扫地机器人寻找充电座的时候，当最左边的红外线接收头接受到充电座发出的红外线号后，扫地机出现死机的现象。出现这种问题肯定是程序出现了问题，经查询充电寻迹程序出现了死循环，改动程序后问题解决。
当扫地机进入充电区域后，无法正确的执行程序所编写的要求，始终保持在前进的状态。出现这种问题有两种的能，一种硬件电路出现问题另一种是有子程序没有执行。经拆机后发现充电信号线没有接入到主板上，连接上后，开机测试，问题解决。
在防跌落测试时，左右电机出现混乱状况，把扫地机器人放回平地，过了一段时间
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基于单片机的扫地机的设计
后，恢复正常，因此判断程序出错，查看程序后发现把电机驱动信号弄错，更改后问题解决。
7.2 系统缺陷
7.2.1 传感器缺陷
由于缺少元器件的关系，所有的探头都采用红外线光电管，因此光线对它存在着严重的干扰，
所以此扫地机器人无法在阳光直射的地方正常使用，只能避光使用。 7.2.2 电池缺陷
电池容量也是一个的缺陷，此扫地机器人采用的是12V700mAH的镍镉电池，扫地机在全速运行的时候，最多能运行30分钟。
7.2.3 吸尘器功率缺陷
由于吸尘器电机最大功率只有2.5W，因此在吸灰的时候存在较大的缺陷，对于大的污物而言，比较难以吸除。
7.3 功能说明
本扫地机器人具有如下几种功能:
? 清扫功能。
? 壁障功能。
? 防跌落功能。
? 自动回充功能。
? 虚拟墙功能。
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基于单片机的扫地机的设计
8、总结
毕业设计即将结束，也就意味着我的大学生活即将结束，但在这一个学期的时间里我学到了很多知识和技能。
作为一名电子专业的专科生，我在大学三年的学习生活中，系统地学习了电子及其相关专业的个门课程。我们的课程以数电、模电为基础，进一步又学习了PLC、FPGA单片机等课程。为了更深入的理解并掌握大学所学内容，我的毕业设计课题选择了由顾娜老师指导的简易扫地机的设计。
通过这次毕业设计使我掌握了做科学的基本方法和思路，为今后的工作打下了基础，下面我对整个毕业设计的过程做一下简单的总结。
第一，接到任务以后进行选题。选题是毕业设计的开端，选择恰当的、感兴趣的题目.
第二，题目确定后则是找资料了。查资料是做毕业设计的前期准备工作，所以不管通过哪种方式查的资料都是有利用价值的，要一一记录下来以备后用。
第三，通过上面的过程，已经积累了不少资料，对所选的题目也大概有了一些了解，这一步就是在这样一个基础上，综合已有的资料来更透彻的分析题目。
第四，有了设计方向，就要动手实现。编写源代码的时候最好是编写一个小模块就进行调试，这样可以避免设计的最后出现太多的错误而乱成一团糟。一步步地做下去之后，你会发现要做出来并不难，只不过每每做一会儿会发现一处错误要修改，就这样在不断的修改调试，再修改再调试。
28 31
致 谢
致 谢
大学三年一晃而过，当我回首在这大学里生活和学习的种种往事，心里面有很多的感慨，如今我即将要毕业了，也有很多的不舍和留恋。
感谢我的指导老师，在我大学最后的论文阶段，对我的论文细心指导，认真修改，给了我很多意见，使我的毕业设计渐渐的规整了起来。感谢所有在大学里教过我的老师还有辅导员，你们循循善诱，一丝不苟的工作作风是我学习的榜样。还要感谢曾经帮助过我的同学，支持和鼓励我的朋友们，谢谢你们，让我过了一个这么充实美好的大学生活～
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参考文献
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31 33
附 录
附 录
#include
void fanzhuan(); #define uchar unsigned char void zuozhuan(); #define uint unsigned int void youzhuan(); sbit LA=P3^5; //左电机A void dianji(); sbit LB=P3^4; //左电机B void voltagedetection();
sbit RA=P3^7; //右电机A void undervoltage(); sbit RB=P3^6; void tracking(); //右电机B
sbit BS1=P2^2; //边刷1 void main() sbit BS2=P2^0; //边刷1 {
sbit FJ =P2^1; //吸尘器 dianji(); sbit FZ4=P0^0; //防撞1 while(1) sbit FZ5=P0^1; //防撞2 {
sbit FZ3=P0^2; fangzhuang(); //防撞3
sbit FZ1=P2^3; //防撞3 fangdie(); sbit FZ2=P2^4; //防撞3 voltagedetection(); sbit FD2=P0^3; //防跌落1 }
sbit FD3=P0^4; //防跌落1 }
sbit FD1=P0^5; //防跌落1 void fangzhuang() sbit HW1=P2^7; //充电座红外接收{
头 while(FZ1|FZ2|FZ3|FZ4|FZ5==1)
sbit HW2=P2^6; //充电座红外接收 {
头 if(FZ1==1) sbit HW3=P2^5; //充电座红外接收 {
头 youzhuan(); sbit HW4=P2^5; //充电座红外接收 delay(200); 头 }
sbit CD=P2^7; //开始充电信号 if(FZ2==1) sbit DY=P1^0; //电机总开关低电平时 {
打开 youzhuan(); sbit CM=P1^1; //充满检测高电平有效 delay(200); sbit QY=P1^3; //欠压检测高电平有效 }
void delay(uchar); if(FZ3==1) void fangzhuang(); {
void fangdie(); fanzhuan(); void zhengzhuan(); delay(200);
34 34
附 录
youzhuan(); }
delay(200); }
} void delay(uchar z) //延时函数
if(FZ4==1) {
{ uchar x,y;
zuozhuan(); for(x=z;x>0;x--)
delay(200); for(y=123;y>0;y--);
} }
if(FZ5==1) void zhengzhuan () //直行
{ {
zuozhuan(); LA=1;
delay(200); LB=0;
} RA=1;
} RB=0;
}}
void fangdie() void fanzhuan() //后退
{ {
if(FD1==0) LA=0;
{ LB=1;
fanzhuan(); RA=0;
delay(200); RB=1;
youzhuan(); }
delay(200); void zuozhuan() //左转
} {
if(FD2==0) LA=0;
{ LB=0;
zhengzhuan(); RA=1;
delay(200); RB=0;
zuozhuan(); }
delay(200); void youzhuan() //右转
} {
if(FD3==0) LA=1;
{ LB=0;
zhengzhuan(); RA=0;
delay(200); RB=0;
youzhuan(); }
delay(200); void dianji() //总电机开
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附 录
{ {
DY=0; zuozhuan();
BS1=1; delay(20);
BS2=1; zhengzhuan();
FJ=1; while(CD==1) `//}收到充电信号，开始充电
{
void voltagedetection() //电压检测 if(CM==1) { break;
if(QY==1) //欠压 }
{ }
BS1=0; } //停止边刷1
BS2=0; //停止边刷2 }
FJ=0; //停止吸尘器风 }
扇 while(HW4==1)
tracking(); //寻找充电座 {
} youzhuan(); } delay(20); void tracking() //寻找充电座 while(HW3==1) { {
while(CD!=0) //未收到充电信 youzhuan(); 号 delay(20);
if(HW2==1) {
{ fangzhuang();
while(HW1==1) youzhuan();
{ delay(20);
zuozhuan(); while(HW1==1)
delay(20); {
while(HW2==1) youzhuan();
{ delay(20);
zuozhuan(); youzhuan();
delay(20); while(CD==1)
if(HW3==1) {
{ if(CM==1)
zuozhuan(); break;
delay(20); }
while(HW4==1) }
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附 录
}
}
}
}
}
33 37
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34 38
附 录
33 39
浙公网安备 33021202002483