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掃地機的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設計【畢業(yè)設計(留存版)

2025-08-02 13:20上一頁面

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【正文】 式, BDM 有效;但是如果進行總線操作,講引起總線沖突,所以一定不能使用總線 1 1 1 0 0 普通擴展寬模式 1 1 本系統(tǒng)中的 MC9S12DG128 單片機 MC9S12DG128 有 8 路 PWM 輸出,本系統(tǒng)利用 PWM 輸出來控制兩輪轉速,實現(xiàn)差速控制;豐富的數(shù)字 I/O 口可以接碰撞傳感器、紅外避障傳感器等,可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)可用來檢測樓梯,另外它的定時器功能 可以精確進行定時中斷,為 自動掃地機 提供精確周期來完成采集信號、決策、行走等。詳細的功能如下 : (1)自動避障 自動掃地機 的任務是在室內清潔地面,房間的環(huán)境信息對于機器人是未知的,在 自動掃地機 移動的過程中可能會碰撞到諸如家具、寵物之類的物體,這時 自動掃地機 需要感知前面 碰撞到了物體 ; 當 自動掃地機 被卡在了一個小空間內時它要來回移動找到出口,這時它需要感知前后左右各方面的碰撞信息。 (2)紅外遙控模塊 : 通過電腦給 自動掃地機 發(fā)送指令,機器人通過無線接收模塊接收信息,根據(jù)信息采取相應行動。直流電機需要反饋控制系統(tǒng),它會以間接方式控制電機位置,步進電機系統(tǒng)多半則是以開環(huán)方式進行操作。最常被采用的車體外形是圓形車體,具有運動靈活,控制簡單的優(yōu)點,因此本文設計的 自動掃地機 采用圓形車體。 單片機 根據(jù)所有的輸入信號,對微型吸塵器、驅動電機、液晶顯示進行控制,對微型吸塵器的控制信號來自 單片 機 的普通 I/O 口,用三極管放大后再對微型吸塵器進行開關控制。 IMP813L 是一體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復位芯片;它使用簡單、方便,它所提供的復位信號為高電平,因而是應用于復位信號為高電平場合的單片機系統(tǒng)的理想芯片。 本系統(tǒng)采用兩輪差速控制,因此需要控制兩個電機,系統(tǒng)使用了四片 MC33886,兩兩并聯(lián)來提高電流驅動能力并減小單片 MC33886 的發(fā)熱。 電源模塊設計 機器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強健的電源供給作為保障,強大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時間穩(wěn)定的工作,因此電源管理是整個系統(tǒng)可靠運行的基礎 。為了創(chuàng)建友好的人機界面,還需要擴展顯示模塊和一些狀態(tài)指示燈,方便了圖 41 清潔機器人總體設計框圖 單 片 機碰 撞 傳 感 器( 4 個 )紅 外 測 距 傳 感 器( 4 個 ) ( 路 徑 規(guī) 劃 )紅 外 測 距 傳 感 器( 2 個 ) ( 檢 測 樓 梯 )檢 測 電 壓 芯 片( 測 電 池 電 壓 )紅 外 接 收 頭 ( 2 個 )( 尋 找 充 電 器 )無 線 串 行 接 口( 無 線 遙 控 用 )攝 像 頭 接 口撥 碼 開 關( 選 擇 清 掃 模 式 )驅 動 電 路 左 輪 電 機驅 動 電 路 右 輪 電 機三 極 管 清 掃 模 塊L C D 顯 示 模 塊( 實 時 顯 示 機 器 人 狀 態(tài) ) 隔 離隔 離 安徽理工大學 畢業(yè)設計 18 解機器人的運行狀況,其中 LCD 采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞?。本設計中 自動掃地機 只需在室內打掃,工作環(huán)境較好,所以采用輪式移動方式。 本系統(tǒng)采用 Faulhaber 的 2342 系列有刷直流電機,型號為 2342012CR,額定電壓是 12V,減速比為 1: 64。 (4)LCD 顯示模塊 : 采用 SYB12864KZK 液晶顯示,及時反饋 自動掃地機 的當前狀態(tài)。 (2)全區(qū)域遍歷清潔 這是 自動掃地機 最核心最重要的功能,全區(qū)域遍歷時間越少覆蓋率越高越好,目前常見的幾種全區(qū)域遍歷 方法 有 : “ 井 ” 字形遍歷法、內螺旋遍歷法、外螺旋遍歷法、隨機遍歷 法。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 9 信息采集模塊 控制 模塊 運動模塊 清掃模塊 圖 31 自動掃地機 系統(tǒng)典型組成示意圖 3 系統(tǒng)總體設計 自動掃地機 系統(tǒng)組成 自動掃地機 需要完成的任務是能夠在房 間中自動清潔地面。 PP0/KWP0/PWM0/MISO1:通用輸入或輸出引腳;可用于產生一個使 單片機 退出停止或等待模式的中斷;也可以作為 PWM 的 0 通道的輸出;還可以配置為 SPI1 的主模式的輸入( SI)引腳,或者從模式的輸出( MO)引腳,即配置為 MISO。 PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDA/RXCAN0:通用輸入或輸出引腳;可以配置為中斷輸入信號,該中斷使 單片機 退出停止或等待模式;同時也可以配置為 CAN0 或 CAN4 的數(shù)據(jù)接收引腳;還可以配置為 C 模塊的串行數(shù)據(jù)引腳 SDA。MC9S12DG128 是 一個以 16 位中央處理器為核心的 16 位 單片機 , 128K 的字節(jié)的 Flash EEPROM 存儲器, 8K 字節(jié)的 RAM, 2K 字節(jié)的 EEPROM,兩個異步串行通信接口( SCI),兩個串行外圍接口( SPI),兩個 8 通道模擬數(shù)字轉換器( ADC), 1 個 8 通道脈寬調制模塊,兩個兼容 , 1 個 Byteflight 模塊和內部集成電路總線。當碰撞障礙物后,會順著障礙物前行,移動一定距離后,會自動轉動 90 度,并不斷重復上面的過程。開始于 20 世紀 80 年代的研究,現(xiàn)在已經有多重樣機和產品,并且促進了家庭服務機器人行業(yè)的發(fā)展,也促進了移動機器人技術、圖像、語音識別、傳感器等技術的發(fā)展。 盡管目前國內外在這方面的研究開發(fā)方面已經取得一定的成果 , 但是仍有許多關鍵技術問題需要解決或提高 , 如 路徑規(guī)劃就是其中的一個比較重要的技術。尤其在當今世界,科學技術使人類的生活和思維方式不斷變革,科技產品已深入到人類 生活的個個角落。工作過程中電量不足時,它會停止工作移動到充電器進行自動充電,充電完畢后,會返回到原來中斷的清掃地點繼續(xù)清掃工作。 韓國 Samsung 公布的 一 種交新型吸塵機器人 使用交新 型 3D 地圖影射技術定位自身位置,操作者能夠連接任意電腦互聯(lián)網(wǎng)計算機操作自己的 自動掃地機 。 PH3/KWH3/ :通用輸入或輸出引腳;可以配置為中斷輸入信號,該中斷使 單片機退出停止或等待模式;同時也可以配置為 SPI1 的從選擇端。 PP3/KWP3/PWM3/SS1:通用輸入或輸出引腳;可用于產生一個使 單片機 退出停止或等待模式的中斷;也可以作為 PWM 的 3 通道的輸出。 MODE寄存器的 MODC, MODB, 和 MODA 位在運行期間指示當前操作模式。 清掃模塊 清掃模塊的功能是在 自動掃地機 行走的同時完成清掃的工作,一般只需完成吸塵功能,這時需要設計一個小型吸塵器裝在機器人上,也有一些 自動掃地 機 設計成既可吸塵又可擦地,需要擦地時可在機器人底部放上棉布。本文采用 兩輪差速控制,前后各裝一個萬向輪支撐,可以達到原地轉彎的要求。 或 176。電瓶常見的有鉛酸電瓶和免維護電瓶,主要用在需要大容量電池的場合,不過一般電瓶體積比較大。信息采集模塊要實現(xiàn)全區(qū)域路徑規(guī)劃、防止跌落和尋找充電器,其中防止跌落檢測是用來防止機器人從臺階或者高處跌落,對實時性要求比較高,需要占用外部中斷端口。 N CV C CG N DC L KE X T A LR 1 23 3 RC 2 00 . 1 u FL 1 52 m H 圖 42 有源晶振連接電路 安徽理工大學 畢業(yè)設計 19 與無源晶振相比,有源晶振不需要單片機內部起振電路,信號質量好,比較穩(wěn)定,而且連接方式相對簡單 (通常使用一個電容和電感構成的 PI 型濾波網(wǎng)絡,輸出端用一個小阻值的電阻過濾信號即可 ),不需要復雜的配置電路,本系統(tǒng)選用了 16MHZ 的有源晶振,封裝選用標貼的,體積與無源晶振相當,具體實現(xiàn)電路如圖 42 所示。芯片的 FS 引腳是錯誤狀態(tài)標志信號,當芯片由于上述三種錯誤狀態(tài)中的某種發(fā)生時該信號將變低,表示芯片進入了保護狀態(tài)。隔離 5V 負責給各種傳感器、 LCD 等 供電, 電源負責給 隔離 PWM 模塊 供電,這些控制部分的地是數(shù)字地。 子板設計 MC9S12DG128 單片機為整個控制系統(tǒng)核心。碰撞傳感器安裝在車體四周,它本身有兩個安裝孔,不需要額外的撐架,可直接用螺絲進行固定。因此在選擇電池時,對容量、效能及體積等諸方面因素應綜合考慮。 自動掃地機 軟件框架 自動掃地機 開始工作后,通過撥碼開關選擇人工遙控或者自主清掃,如果是自主清掃則首先檢查電池是否電量低,若電池電 量低則運行自動充電程序,完成充電后,開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進行清掃,工作過程中液晶顯示當前機器人的工作狀態(tài)。本文采用紅外避障傳感器,分別裝在兩個輪子的前方,向下檢測距離,如果比預定的距離大則認為己處在樓梯邊沿,進行后退。信息采集模塊返回當前自動掃地機 的位置信息,如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等,然后把這些信息送給 控制模塊 進行決策,控制運動模塊,使機器人轉彎或者后退等,在機器人運動的同時讓清掃模塊進行清掃,完成打掃地面的任務。 PS5/MOSI0:通用輸入或輸出引腳;可以配置為 SPI0 的主模式的輸出( MO)引腳,或者從模式的輸入( SI)引腳,即配置為 MOSI。 PM6/BF_PERR/RXCAN4:通用輸入或輸出引腳;可以配置為 Byteflight 模塊的BF_PERR 信號,表示通信中信息格式錯誤或者非法脈沖信號;也可以配置為 CAN4 的數(shù)據(jù)接收引腳。 EXTAL、 XTAL 分別是振蕩器的輸入和輸出引腳。 “ Roomba” 的環(huán)境適應性比較強,能夠在家具的縫隙間自由移動,動作靈巧快捷。 安徽理工大學 畢業(yè)設計 2 國內外 自動掃地機 的發(fā)展現(xiàn)狀 哈爾濱工業(yè) 大學在此領域的探索工作開始于 90 年代,前后負責國家 863 高科技計劃資助項目 高樓壁面清潔爬壁機器人的研究任務,完美的做完了樣機的研制工作。由碰撞傳感器、紅外測距傳感器等來探測周圍的環(huán)境 , 由紅外接收頭實現(xiàn)無線手動遙控功能,由直流電機帶動兩個驅動輪旋轉,采用改進的 “ 井 ” 字形路徑遍歷法。隨著計算機技術、人工智能技術、傳感器技術、移動機器人技術的飛速發(fā)展,為 自動掃地機 的 控制模塊 的研究和開發(fā)打下堅實的理論與技術基礎以及美好的未來發(fā)展藍圖;信息采集模塊依賴于傳感器技術,一般常用的傳感器有: CCD 攝像機、紅外測距傳感器、重力傳感器、碰撞傳感器等,采集外部的環(huán)境 信息;運動模塊是 自動掃地機 的本體,一般的結構有:輪式、履帶式、步進式或其他方式,輪式和履帶式適合移動在平整的地面上,步進式適合與條件較差的路面移動;清掃模塊一般有:邊刷、地刷和吸塵器,邊刷和地刷用于強力清掃地板上的吸附物,吸塵器吸取地板上較小的物體。 “ 三葉蟲 ” 吸塵機器人 是瑞典家電公司伊萊克斯經歷 12 年,向市場推出的世界首臺智能吸塵機器人。吸塵機器人裝有 CCD 相機,可以經過手機連接家用電腦查看房間清潔情況。 PA[70]/ADDR[158]/DATA[158]:通用輸入引腳;在 單片機 擴展操作模式中,這些引腳可作為數(shù)據(jù)總線。 PM1/TXCAN0/TXB:通用輸入或輸出引腳;也可以作為 CAN0 的發(fā)送引腳;也可以作為 BDLC 的傳輸引腳 TXB。 PS0/RXD0:通用輸入或輸出引腳;可作為串行通信接口 0 的接收引腳。本設計的 控制模塊 是 16 位的MC9S12DG128 單片機,隨著功能和要求的提高,并逐漸向 32 位處理器發(fā)展。 (6)自身狀態(tài)顯示 自動掃地機 在打掃或者充電時,可以把自身狀態(tài)顯示在 LCD 上,良好的界面可以更方便使用。 電機和電池選型 電機選型 一般微電機有直流電機和步進電機兩種選擇,步進電機和直流電機的主要區(qū)別在于它們的驅動方式。優(yōu)點是單體電池容量大、內阻低、基本沒有記憶效應 ; 缺點是自放電率較高。 驅動輪需要固定在電機軸上,電機出軸直徑 6mm,軸上有兩個垂直的橫截面,可以把輪子固定在上面,輪子直徑 60mm, 側面凸出部分上面有安裝孔,可以把輪子固定在電機軸上。晶振和單片機引腳之間的連線盡量要短,這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避免晶振的高頻信號過多的干擾周圍線路。 電機驅動模塊設計 電機驅動模塊為 自動掃地機 的行駛提供動力,機器人啟動、行駛和剎車時電機都會需要較大的驅動電流,該模塊必須能夠提供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會太大。系統(tǒng)中選用的 LM2576 芯片是一款在很多單片機系統(tǒng)中廣泛使用的性能優(yōu)秀的開關電源芯片,其輸入電壓最大可達 45V,輸出電 流可以達到 3A,工作溫度范圍為 40℃到 125℃。 時鐘電路設計 時鐘電路在 單片機系統(tǒng)硬件設計中往往是一個關鍵的部分,由于晶振的工作頻率很高,設計不當就很有可能使其工作時的產生的高頻信號對其他電路造成干擾,尤其是對模擬部分如 AD 轉換輸入信號的干擾;若晶振工作不正常,則會導致整個單片機系統(tǒng)無法運行。該電機直徑 30mm, 長度 85mm,出軸直徑 6mm,出軸長度 35mm,出軸周圍有三個直徑 3mm 的安裝孔。電池容量方面以使用最廣泛的 5 號 (AA 型 )電池為例,單節(jié)電池的容量可以做 到 500mAh850mAh,主流為 600700mAh 的產品。 初始化數(shù)據(jù) 尋找充電器 遍歷清掃 充電完畢 開始 是否有 電 結束
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