【正文】 式， BDM 有效；但是如果進(jìn)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(kuò)展寬模式 1 1 本系統(tǒng)中的 MC9S12DG128 單片機(jī) MC9S12DG128 有 8 路 PWM 輸出，本系統(tǒng)利用 PWM 輸出來(lái)控制兩輪轉(zhuǎn)速，實(shí)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(lái)檢測(cè)樓梯，另外它的定時(shí)器功能 可以精確進(jìn)行定時(shí)中斷，為 自動(dòng)掃地機(jī) 提供精確周期來(lái)完成采集信號(hào)、決策、行走等。詳細(xì)的功能如下 ： (1)自動(dòng)避障 自動(dòng)掃地機(jī) 的任務(wù)是在室內(nèi)清潔地面，房間的環(huán)境信息對(duì)于機(jī)器人是未知的，在 自動(dòng)掃地機(jī) 移動(dòng)的過程中可能會(huì)碰撞到諸如家具、寵物之類的物體，這時(shí) 自動(dòng)掃地機(jī) 需要感知前面 碰撞到了物體 ； 當(dāng) 自動(dòng)掃地機(jī) 被卡在了一個(gè)小空間內(nèi)時(shí)它要來(lái)回移動(dòng)找到出口，這時(shí)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(dòng)掃地機(jī) 發(fā)送指令，機(jī)器人通過無(wú)線接收模塊接收信息，根據(jù)信息采取相應(yīng)行動(dòng)。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半則是以開環(huán)方式進(jìn)行操作。最常被采用的車體外形是圓形車體，具有運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)的 自動(dòng)掃地機(jī) 采用圓形車體。 單片機(jī) 根據(jù)所有的輸入信號(hào)，對(duì)微型吸塵器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液晶顯示進(jìn)行控制，對(duì)微型吸塵器的控制信號(hào)來(lái)自 單片 機(jī) 的普通 I/O 口，用三極管放大后再對(duì)微型吸塵器進(jìn)行開關(guān)控制。 IMP813L 是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡(jiǎn)單、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場(chǎng)合的單片機(jī)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(gè)電機(jī)，系統(tǒng)使用了四片 MC33886，兩兩并聯(lián)來(lái)提高電流驅(qū)動(dòng)能力并減小單片 MC33886 的發(fā)熱。 電源模塊設(shè)計(jì) 機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強(qiáng)健的電源供給作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ) 。為了創(chuàng)建友好的人機(jī)界面，還需要擴(kuò)展顯示模塊和一些狀態(tài)指示燈，方便了圖 41 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖 單 片 機(jī)碰 撞 傳 感 器（ 4 個(gè) ）紅 外 測(cè) 距 傳 感 器（ 4 個(gè) ） （ 路 徑 規(guī) 劃 ）紅 外 測(cè) 距 傳 感 器（ 2 個(gè) ） （ 檢 測(cè) 樓 梯 ）檢 測(cè) 電 壓 芯 片（ 測(cè) 電 池 電 壓 ）紅 外 接 收 頭 （ 2 個(gè) ）（ 尋 找 充 電 器 ）無(wú) 線 串 行 接 口（ 無(wú) 線 遙 控 用 ）攝 像 頭 接 口撥 碼 開 關(guān)（ 選 擇 清 掃 模 式 ）驅(qū) 動(dòng) 電 路 左 輪 電 機(jī)驅(qū) 動(dòng) 電 路 右 輪 電 機(jī)三 極 管 清 掃 模 塊L C D 顯 示 模 塊（ 實(shí) 時(shí) 顯 示 機(jī) 器 人 狀 態(tài) ） 隔 離隔 離 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 18 解機(jī)器人的運(yùn)行狀況，其中 LCD 采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健１驹O(shè)計(jì)中 自動(dòng)掃地機(jī) 只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。 本系統(tǒng)采用 Faulhaber 的 2342 系列有刷直流電機(jī)，型號(hào)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(shí)反饋 自動(dòng)掃地機(jī) 的當(dāng)前狀態(tài)。 (2)全區(qū)域遍歷清潔 這是 自動(dòng)掃地機(jī) 最核心最重要的功能，全區(qū)域遍歷時(shí)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(nèi)螺旋遍歷法、外螺旋遍歷法、隨機(jī)遍歷 法。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 信息采集模塊 控制 模塊 運(yùn)動(dòng)模塊 清掃模塊 圖 31 自動(dòng)掃地機(jī) 系統(tǒng)典型組成示意圖 3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)掃地機(jī) 系統(tǒng)組成 自動(dòng)掃地機(jī) 需要完成的任務(wù)是能夠在房 間中自動(dòng)清潔地面。 PP0/KWP0/PWM0/MISO1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使 單片機(jī) 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(hào)，該中斷使 單片機(jī) 退出停止或等待模式；同時(shí)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(gè)以 16 位中央處理器為核心的 16 位 單片機(jī) ， 128K 的字節(jié)的 Flash EEPROM 存儲(chǔ)器， 8K 字節(jié)的 RAM， 2K 字節(jié)的 EEPROM，兩個(gè)異步串行通信接口（ SCI），兩個(gè)串行外圍接口（ SPI），兩個(gè) 8 通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ ADC）， 1 個(gè) 8 通道脈寬調(diào)制模塊，兩個(gè)兼容 ， 1 個(gè) Byteflight 模塊和內(nèi)部集成電路總線。當(dāng)碰撞障礙物后，會(huì)順著障礙物前行，移動(dòng)一定距離后，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng) 90 度，并不斷重復(fù)上面的過程。開始于 20 世紀(jì) 80 年代的研究，現(xiàn)在已經(jīng)有多重樣機(jī)和產(chǎn)品，并且促進(jìn)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像、語(yǔ)音識(shí)別、傳感器等技術(shù)的發(fā)展。 盡管目前國(guó)內(nèi)外在這方面的研究開發(fā)方面已經(jīng)取得一定的成果 ， 但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決或提高 ， 如 路徑規(guī)劃就是其中的一個(gè)比較重要的技術(shù)。尤其在當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)使人類的生活和思維方式不斷變革，科技產(chǎn)品已深入到人類 生活的個(gè)個(gè)角落。工作過程中電量不足時(shí)，它會(huì)停止工作移動(dòng)到充電器進(jìn)行自動(dòng)充電，充電完畢后，會(huì)返回到原來(lái)中斷的清掃地點(diǎn)繼續(xù)清掃工作。 韓國(guó) Samsung 公布的 一 種交新型吸塵機(jī)器人 使用交新 型 3D 地圖影射技術(shù)定位自身位置，操作者能夠連接任意電腦互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)操作自己的 自動(dòng)掃地機(jī) 。 PH3/KWH3/ ：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使 單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)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(chǎn)生一個(gè)使 單片機(jī) 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(yùn)行期間指示當(dāng)前操作模式。 清掃模塊 清掃模塊的功能是在 自動(dòng)掃地機(jī) 行走的同時(shí)完成清掃的工作，一般只需完成吸塵功能，這時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)小型吸塵器裝在機(jī)器人上，也有一些 自動(dòng)掃地 機(jī) 設(shè)計(jì)成既可吸塵又可擦地，需要擦地時(shí)可在機(jī)器人底部放上棉布。本文采用 兩輪差速控制，前后各裝一個(gè)萬(wàn)向輪支撐，可以達(dá)到原地轉(zhuǎn)彎的要求。 或 176。電瓶常見的有鉛酸電瓶和免維護(hù)電瓶，主要用在需要大容量電池的場(chǎng)合，不過一般電瓶體積比較大。信息采集模塊要實(shí)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(cè)是用來(lái)防止機(jī)器人從臺(tái)階或者高處跌落，對(duì)實(shí)時(shí)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 與無(wú)源晶振相比，有源晶振不需要單片機(jī)內(nèi)部起振電路，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡(jiǎn)單 (通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的 PI 型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號(hào)即可 )，不需要復(fù)雜的配置電路，本系統(tǒng)選用了 16MHZ 的有源晶振，封裝選用標(biāo)貼的，體積與無(wú)源晶振相當(dāng)，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖 42 所示。芯片的 FS 引腳是錯(cuò)誤狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)芯片由于上述三種錯(cuò)誤狀態(tài)中的某種發(fā)生時(shí)該信號(hào)將變低，表示芯片進(jìn)入了保護(hù)狀態(tài)。隔離 5V 負(fù)責(zé)給各種傳感器、 LCD 等 供電， 電源負(fù)責(zé)給 隔離 PWM 模塊 供電，這些控制部分的地是數(shù)字地。 子板設(shè)計(jì) MC9S12DG128 單片機(jī)為整個(gè)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(gè)安裝孔，不需要額外的撐架，可直接用螺絲進(jìn)行固定。因此在選擇電池時(shí)，對(duì)容量、效能及體積等諸方面因素應(yīng)綜合考慮。 自動(dòng)掃地機(jī) 軟件框架 自動(dòng)掃地機(jī) 開始工作后，通過撥碼開關(guān)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(yùn)行自動(dòng)充電程序，完成充電后，開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，工作過程中液晶顯示當(dāng)前機(jī)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(gè)輪子的前方，向下檢測(cè)距離，如果比預(yù)定的距離大則認(rèn)為己處在樓梯邊沿，進(jìn)行后退。信息采集模塊返回當(dāng)前自動(dòng)掃地機(jī) 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(jìn)行決策，控制運(yùn)動(dòng)模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)讓清掃模塊進(jìn)行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。 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(hào)，表示通信中信息格式錯(cuò)誤或者非法脈沖信號(hào)；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(yīng)性比較強(qiáng)，能夠在家具的縫隙間自由移動(dòng)，動(dòng)作靈巧快捷。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 國(guó)內(nèi)外 自動(dòng)掃地機(jī) 的發(fā)展現(xiàn)狀 哈爾濱工業(yè) 大學(xué)在此領(lǐng)域的探索工作開始于 90 年代，前后負(fù)責(zé)國(guó)家 863 高科技計(jì)劃資助項(xiàng)目 高樓壁面清潔爬壁機(jī)器人的研究任務(wù)，完美的做完了樣機(jī)的研制工作。由碰撞傳感器、紅外測(cè)距傳感器等來(lái)探測(cè)周圍的環(huán)境 ， 由紅外接收頭實(shí)現(xiàn)無(wú)線手動(dòng)遙控功能，由直流電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，采用改進(jìn)的 “ 井 ” 字形路徑遍歷法。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，為 自動(dòng)掃地機(jī) 的 控制模塊 的研究和開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)以及美好的未來(lái)發(fā)展藍(lán)圖；信息采集模塊依賴于傳感器技術(shù)，一般常用的傳感器有： CCD 攝像機(jī)、紅外測(cè)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(yùn)動(dòng)模塊是 自動(dòng)掃地機(jī) 的本體，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進(jìn)式或其他方式，輪式和履帶式適合移動(dòng)在平整的地面上，步進(jìn)式適合與條件較差的路面移動(dòng)；清掃模塊一般有：邊刷、地刷和吸塵器，邊刷和地刷用于強(qiáng)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(jī)器人 是瑞典家電公司伊萊克斯經(jīng)歷 12 年，向市場(chǎng)推出的世界首臺(tái)智能吸塵機(jī)器人。吸塵機(jī)器人裝有 CCD 相機(jī)，可以經(jīng)過手機(jī)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(jī) 擴(kuò)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(shè)計(jì)的 控制模塊 是 16 位的MC9S12DG128 單片機(jī)，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(dòng)掃地機(jī) 在打掃或者充電時(shí)，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(jī)和電池選型 電機(jī)選型 一般微電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種選擇，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。優(yōu)點(diǎn)是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒有記憶效應(yīng) ； 缺點(diǎn)是自放電率較高。 驅(qū)動(dòng)輪需要固定在電機(jī)軸上，電機(jī)出軸直徑 6mm，軸上有兩個(gè)垂直的橫截面，可以把輪子固定在上面，輪子直徑 60mm， 側(cè)面凸出部分上面有安裝孔，可以把輪子固定在電機(jī)軸上。晶振和單片機(jī)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(hào)過多的干擾周圍線路。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為 自動(dòng)掃地機(jī) 的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)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(huì)太大。系統(tǒng)中選用的 LM2576 芯片是一款在很多單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的性能優(yōu)秀的開關(guān)電源芯片，其輸入電壓最大可達(dá) 45V，輸出電 流可以達(dá)到 3A，工作溫度范圍為 40℃到 125℃。 時(shí)鐘電路設(shè)計(jì) 時(shí)鐘電路在 單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾，尤其是對(duì)模擬部分如 AD 轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的干擾；若晶振工作不正常，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)無(wú)法運(yùn)行。該電機(jī)直徑 30mm， 長(zhǎng)度 85mm，出軸直徑 6mm，出軸長(zhǎng)度 35mm，出軸周圍有三個(gè)直徑 3mm 的安裝孔。電池容量方面以使用最廣泛的 5 號(hào) (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(chǎn)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(jié)束