【文章內(nèi)容簡介】 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，F(xiàn)PGA通過程序設(shè)計控制小車作出相應(yīng)的動作，但由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高，F(xiàn)PGA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(fù)雜，加重了電路設(shè)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(lǐng)域的空前發(fā)展而近顯火爆，應(yīng)用面很廣泛，DSP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(diào)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(chǎn)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(lǐng)域應(yīng)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(jié)構(gòu)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(shù)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(shè)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(shè)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(biāo)所需時間來確定目標(biāo)距離，這在檢測領(lǐng)域中的應(yīng)用十分廣泛，技術(shù)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(jié)構(gòu)簡單，但是因為激光測距傳感器售價太高，不適合自主設(shè)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(zhì)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(gòu)架 清潔機器人硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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?qū)δK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：、傳感器以及其他模塊使用。（4） 電機驅(qū)動：主要由行走電機驅(qū)動、毛刷電機驅(qū)動和吸塵電機驅(qū)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(zé)清潔除塵工作。3 清潔機器人的硬件設(shè)計 STC89C52單片機介紹本設(shè)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(lǐng)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(chǎn)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(jīng)典的MCS51內(nèi)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(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。（1）標(biāo)準功能具有以下標(biāo)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(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)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(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級中斷結(jié)構(gòu)），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?？臻e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(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)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(nèi)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(dāng)于普通8051 的0～80MHz，實際工作 頻率可達48MHz4）用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)5）片上集成512 字節(jié)RAM6）通用I/O 口（32 個），復(fù)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(yīng)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、TT2 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UART12）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)。 單片機最小系統(tǒng)（1）復(fù)位電路為使單片機正常工作，必須保證良好的復(fù)位。本系統(tǒng)復(fù)位電路采用上電復(fù)位和按鍵復(fù)位。上電復(fù)位是指單片機在接通電源時對MCU自動復(fù)位。按鍵復(fù)位由復(fù)位按鍵產(chǎn)生一個持續(xù)時間大于兩個機器周期的高電平到復(fù)位引腳RST對MCU復(fù)位。當(dāng)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(fù)位，即接通電源就完成對系統(tǒng)的初始化。在此基礎(chǔ)上加上一個開關(guān)，就能實現(xiàn)按鍵復(fù)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(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)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(zhuǎn)換電路的設(shè)計電源是任何一個系統(tǒng)穩(wěn)定運行的前提條件，本設(shè)計采用以LM7805CV穩(wěn)壓芯片為核心設(shè)計的穩(wěn)壓電源，其工作原理為：，經(jīng)過穩(wěn)壓芯片LM7805CV轉(zhuǎn)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(shè)計為兩路穩(wěn)壓5V輸出。 5V穩(wěn)壓電源模塊 L298N驅(qū)動芯片的介紹L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)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，持續(xù)工作電流為2A；內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)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(biāo)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(nèi)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(qū)動電路使用最廣泛的就是H 型全橋式驅(qū)動電路。這種驅(qū)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(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。： L298N芯片原理圖 L298N的工作原理。 L298N內(nèi)部電路其工作原理是：L298N內(nèi)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(nèi)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(dāng)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(dǎo)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(dāng)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(dǎo)通下面的一只截止，OUT2端口輸出高電平。同理當(dāng)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(qū)動電機轉(zhuǎn)動。只有當(dāng)ININ2其中一個輸入高電平另一個輸入低電平信號時才能驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動且ININ2的高低還可控制電機的正反轉(zhuǎn)（即IN1=H、IN2=L與IN1=L、IN2=H驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)動方向是相反的）。ININOUTOUT4與ININOUTOUT2的原理完全相同。 左右輪驅(qū)動電機電路設(shè)計，整個模塊由兩部分組成，分別為L298N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(chǎn)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(dāng)反電勢為正，超過電源+，下端二極管導(dǎo)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(dāng)反電勢為負，上端二極管導(dǎo)通。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）~+Vcc+。保護電路部分的主要構(gòu)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為1A；(3)最高的反向耐壓為1000V；(4)較低的反向漏電流，為5uA（最大值）；(5)正向?qū)▔航禐?V。因為這種二極管具有高耐壓、高承受電流、低反向電流等特性而且它價格便宜容易得到，因此采用它來搭建保護電路。 清潔機構(gòu)電機驅(qū)動電路清潔機構(gòu)的邊刷電機和吸塵電機都是由繼電器驅(qū)動的，單片機的I/O口只需給出一個控制信號，經(jīng)三極管放大后驅(qū)動繼電器，常開端口閉合就可以驅(qū)動電機工作。，此種驅(qū)動方式簡單實用。因為清掃電機和吸塵電機并不需要對速度進行控制，同時也不需要經(jīng)常的停啟。故將模塊的輸入端口接一個低電平電壓（電源地）來控制繼電器吸和就行。 紅外傳感器 紅外避障傳感器模塊該傳感器模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm。該傳感器的探測距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應(yīng)用于機器人避障、避障小車、流水線計數(shù)及黑白線循跡等眾多場合。： 紅外傳感器避障模塊電路 紅外臺階檢測傳感器紅外臺階檢測使用集成的紅外傳感器。當(dāng)傳感器前方?jīng)]有物體時，其輸出高電平，有物體時輸出為低電平。使用時不需要再外接元件，只需要給其提供+5V的電源就可以工作，但有效檢測距離較近，比較適用于機器人地盤用于臺階的檢測。機器人地盤上在前進方向共使用了兩個集成的紅外傳感器，分別安裝在兩個驅(qū)動輪的前端，這樣只要其中任意一個傳感器檢測不到地面（遇到有臺階情況），輸出即為高電平，單片機檢測到這個高電平就立即停止前進，防止跌落。 碰撞傳感器在實際應(yīng)用中，紅外避障傳感器探測的范圍存在盲區(qū)，因此在機器人前端設(shè)計了一個約120度的碰撞板。在碰撞板的左右兩側(cè)各裝有一個碰撞傳感器