【文章內容簡介】 ，實現(xiàn)清掃的目的。如圖 所示。 圖 海爾公司的 SWRC1 8 論文構成及研究內容 本文主要內容是清潔機器人系統(tǒng)設計，主要完成了控制部分軟硬件的設計，其中包括硬件控制電路的設計，以及相應的軟件程序的編制、調試。 主要內容安排如下： 第一章闡述了智能清潔機器人的相關概念，分析了清潔機器人國內外的研究 動態(tài)和發(fā)展趨勢，提出了課題的研究背景、 意義和主要內容。 第二章對清潔機器人的設計方案比較以及對總體設計進行了說明，包括整個機電系統(tǒng)的結構組成和工作原理。 第三章對清潔機器人的硬件控制電路進行了詳細的設計，包括單片機系統(tǒng)、傳感器器系統(tǒng)、電機驅動電路以及主要控制芯片的介紹等。 9 2 清潔機器人的總體設計 總體設計方案比較論證 方案一：采用組合邏輯電路控制清潔機器人運行 利用數(shù)字電路知識用各種邏輯電路搭建出清潔機器人的控制系統(tǒng)，對車速和車的行進方向進行控制，再利用紅外對管實現(xiàn)避障和對臺階的檢測，以及利用 邏輯電路控制電機驅動，從而達到并實現(xiàn)題目要求和發(fā)揮。這種方案下，所有控制電路都要手工制作，非常復雜，規(guī)模大不易實施，而且這種控制電路精度不高，反應不夠靈敏，可行性差。 方案二：采用智能控制器控制清潔機器人運行 利用控制芯片作為智能小車的核心控制系統(tǒng)，例如單片機、 FPGA 和 DSP 等等。用控制芯片控制清潔機器人的系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，適應科技先進性，而且各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 因此，采用方案二作為智能小車的控制系統(tǒng)。 核心模塊方 案設計 控制系統(tǒng)的核心模塊也就是控制器，是小車的大腦，主要用于傳感器信號的接收、辨認和處理、以及對電機控制等。下面列出三種控制器的選擇方案： 方案一：采用先進的 FPGA 編程控制器件。 FPGA 可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性。 FPGA 采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。由檢測模塊輸出的信號并行輸入 FPGA， FPGA 通過程序設計控制小車作出相應的動作，但由于本設計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA 的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復雜，加重了電路設計和實際焊接的工作。 方案二：采用 DSP 編程控制器件。 DSP 因為數(shù)字處理與通信領域的空前發(fā)展而近顯火爆，應用面很廣泛， DSP 10 主要是面對數(shù)字信號方面的處理，其針對性有速度快，精度高等優(yōu)點，但是，而DSP 強調的是較大的數(shù)據(jù)處理能力 ,如在運行控制 ,圖像處理等方面，占有較大優(yōu)勢，而在這個智能車小系統(tǒng)中則沒有必要使用如此精確的控制器件，而且價格方面也不低，固不宜采用。 方案三：采用單片 機編程控制器件。 用 ATMEL 公司生產的 AT89S52 單片機作為系統(tǒng)控制器，單片機也叫單片微型計算機，在控制領域應用非常廣泛，具有多功能、高性能、低電壓、低功耗、低價格、大存儲容量、強 I/O 功能及較好的結構兼容性等優(yōu)點，是小型控制系統(tǒng)的首選。而且單片機算術運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制。 本系統(tǒng)屬于小型控制系統(tǒng)，用單片機作為控制芯片非常合適，因此采用方案三。 避障模塊方案設計 方案一：采用超聲波傳感器。 利用超聲波的特性實現(xiàn)對障礙墻壁的測量和有效規(guī)避， 超聲波傳感器波的發(fā)射角小，檢測靈敏度高，但是超聲波傳感器使用成本不低，而且不能體現(xiàn)設計才能，不宜采用。 方案二：采用激光傳感器。 通過測量激光往返目標所需時間來確定目標距離，這在檢測領域中的應用十分廣泛，技術含量十分豐富，具有方向性強、亮度高、單色性好等許多優(yōu)點。激光測距雖然原理簡單、結構簡單，但是因為激光測距傳感器售價太高，不適合自主設計使用。 方案三：采用紅外對管傳感器。 用紅外對管傳感器采集信息，以紅外線為介質測量判斷障礙，從而達到避障的效果。它的優(yōu)點是消除了外界光線的干擾，提高了靈敏度，制作 也比較簡單。 因此，方案三在小系統(tǒng)中非常適用，采用方案三。 清潔機器人系統(tǒng)的整體構架 整體設計方案的系統(tǒng)框圖如圖 所示 11 圖 清潔機器人硬件系統(tǒng)結構原理圖 各模塊的組成和功能介紹如下： （ 1） 控制器（單片機）：主要由單片機 STC89C52RC 組成，它的主要功能是完成主控程序對模塊接口的控制，是程序運行的載體并實現(xiàn)對整個機器人的控制。 （ 2） 傳感器：主要由紅外避障傳感器、紅外防跌倒傳感器、碰撞傳感器組成，這些傳感器用來控制小車的行走方向以及實現(xiàn)避障、防跌倒功能。 （ 3） 電源模塊：將充電電池的 電壓轉 換為穩(wěn)定的 5V 電壓供單片機、傳感器以及其他模塊使用。 （ 4） 電機驅動：主要由行走電機驅動、毛刷電機驅動和吸塵電機驅動組成，其中行走電機主要控制左右行走輪從而帶動清潔機器人的運動，毛刷電機和吸塵電機負責清潔除塵工作。 12 3 清潔機器人的硬件設計 STC89C52 單片機介紹 本設計采用常用的 STC89C52 作為主控芯片，具備編程簡單，價格便宜的特點，而且在電動小車的領域中使用廣泛。以下是對該單片機進行簡單的介紹。 STC89C52 的主要性能 STC89C52 是 STC 公司生產的 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 使用經典的 MCS51 內核，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。 （ 1）標準功能 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 級中斷結構（兼容傳統(tǒng) 51 的 5 向量 2 級中斷結構），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。空閑模式下， 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內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。最高運作頻率 35MHz， 6T/12T 可選。 （ 2）主要特性 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）內帶 4K 字節(jié) EEPROM 存儲空間 。 4）可直接使用 串口下載； （ 3）器件參數(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. 2）工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） 3） 工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作 頻率可 13 達 48MHz 4）用戶應用程序空間為 8K 字節(jié) 5）片上集成 512 字節(jié) RAM 6）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 7） 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/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 8） 具有 EEPROM 功能 10）共 3 個 16 位定時器 /計數(shù)器。即定時器 T0、 T T2 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 11）通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART 12）工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） 13） PDIP 封裝 STC89C52 單片機最小系統(tǒng) STC89C52 單片機的最小系統(tǒng)電路如圖 所示。 圖 單片機最小系統(tǒng) （ 1）復位電路 為使單片機正常工作，必須保證良好的復位。本系統(tǒng)復位電路采用上電復位 14 和按鍵復位。上電復位是指單片機在接通電源時對 MCU 自動復位。按鍵復位由復位按鍵產生一個持續(xù)時間大于兩個機器周期的高電平到復位引腳 RST對 MCU復位。當電源剛接通時，電容 C3 對下拉電阻開始充電，由于電容兩邊的電壓不能突變，所以 RST 端維持高電平，實現(xiàn)對單片機的上電復位，即接通電源就完成對系統(tǒng)的初始化。在此基礎上加上一個開關，就能實現(xiàn)按鍵復位。 （ 2）振蕩電路 單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全稱叫晶體振蕩器， 它結合單片機內部電路產生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。 電源轉換電路的設計 電源是任何一個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件，本設計采用以 LM7805CV 穩(wěn)壓芯片為核心設計的穩(wěn)壓電源， 其工作原理為：當兩節(jié) 干電池串聯(lián)后通過 P4端輸入，經過穩(wěn)壓芯片 LM7805CV 轉換后輸出穩(wěn)定的 5V 電壓。 為了使運行穩(wěn)定，單片機和電機的供電系統(tǒng)采用獨立供電的方法。 所以該電源模 塊設計為兩路穩(wěn)壓5V 輸出。其電路原理圖如圖 所示。 圖 5V 穩(wěn)壓電源模塊 L298N 驅動芯片的介紹 L298N是 ST公司生產的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片的主要特點是 :工作電壓高 ， 最高工作電壓可達 46V； 輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A， 15 持續(xù)工作電流為 2A；內含兩個 H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電動機、繼電器、線圈等感性負載；采用標準 TTL邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作；有一個邏輯電源輸入端， 使內部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。直流電機驅動電路使用最廣泛的就是 H 型全橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現(xiàn)直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。 L298N芯片如圖 ： 圖 L298N 芯片原理圖 L298N 的工作原理 L298N 內部電路如圖 所示。 圖 L298N 內部電路 16 其工作原理是： L298N內部集成了兩個由四只 NPN型三極管組成的 H橋電路（ A、 B）。 ENA與內部編號為“ 1”的與門相連和其下面的與門相連。 ENA常處于高電位（ 5V）。信號輸入端 IN1直接與“ 1”與門相連與“ 1”與門下方的與門取反后相連。當從IN1輸入高電位時“ 1”與門輸出高電平，它下面的與門輸出低電平，故處于上面的三極管導通下面的一只截 止， OUT1端口輸出高電平。信號輸入端 IN2直接與“ 2”與門相連與“ 2”與門下方的與門取反后相連。當從 IN2輸入高電位時“ 2”與門輸出高電平，它下面的與門輸出低電平，故處于上面的三極管導通下面的一只截止， OUT2端口輸出高電平。同理當 IN1與 IN2分別輸入低電平時 OUT1與OUT2分別輸出低電平。在這兩種情況之下由于 OUT1與 OUT2的點位相同故不能驅動電機轉動。只有當 IN IN2其中一個輸入高電平另一個輸入低電平信號時才能驅動電機轉動且 IN IN2的高低還可控制電機的正反轉（即 IN1=H、 IN2=L與 IN1=L、 IN2=H驅動電機的轉動方向是相反的）。 IN IN OUT OUT4與IN IN OUT OUT2的原理完全相同。 左右輪驅動電機電路設計 圖 是本模塊設計的電路原理圖，整個模塊由兩部分組成，分別為 L298N 17 和保護電路部分。 以下是對保護電路部分的介紹： 如圖 J1和 J2是兩個輸出端口是接電機線圈，勢必就會產生反電勢，對 L298N 形成沖擊，易造成損壞，特別是對于大于電源電壓和負電壓更容易損壞 L298N，所以在每根線上都加上 2個二極管 1N4007進行保護。工作過程是這 樣：當反電勢為正，超過電源 +，下端二極管導通，這樣輸出線就被限位在電源電壓 + 上，不會超過這個數(shù)值（對電源充電）。當反電勢為負，低于 ，上端二極管導通，這樣輸出線就被限位在 ，不會低于 。這兩個二極管是作為箝位使用，使得輸出線上電壓（或叫電位）被箝位在 ~+Vcc+。保護電路部分的主要構成為八只 1N4007整流二極管組成。 1N4007主要具有以下特性： (1)較強的正向浪涌承受能力為 30A； (2)最大正向平均整流電流