【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 度和方向 ；由 I/O 口信號(hào)控制三極管進(jìn)而控制繼電器驅(qū)動(dòng)清掃、吸塵電機(jī) ； 通過(guò)捕獲 2 個(gè)電機(jī)編碼器信號(hào)檢測(cè)輪速 ； 通過(guò)多個(gè) I/O 口控制 LCD； 利用串口變并口芯片控制多個(gè) LED 指示燈和按鍵等。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 31 所示。 軟件流程設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用匯編語(yǔ)言相結(jié)合的方式。首先用匯編語(yǔ)言把系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊編出 ， 然后把這些編譯過(guò)的模塊加入到控制器的使用庫(kù)中 ， 調(diào)用各功能模塊 ， 完成對(duì)硬件的操作。 總體軟件流程 開始 圖 32 總流程圖 初始化并開中斷 啟動(dòng)各電路模塊 收到前進(jìn)命令？ 啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng) 遇到障礙？ 前進(jìn) 啟動(dòng)清掃和避障系統(tǒng) 結(jié)束 Y N Y N 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 總流程圖如圖 32 所示，是整個(gè)清掃機(jī)運(yùn)行過(guò)程的流程圖。其中包括初始化整個(gè)系統(tǒng)、啟動(dòng)各電路模塊、等待接收命令、 啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、檢測(cè)障礙、啟動(dòng)清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過(guò)程。 （ 1） 首先，啟動(dòng)清掃機(jī)電源 ， 使各模塊持續(xù)供電。 （ 2） 啟動(dòng)各電路模塊，啟動(dòng)液晶顯示系統(tǒng) ， 以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運(yùn)行時(shí)間。此過(guò)程通過(guò)軟件編程控制液晶顯 示系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)向單片機(jī)控制系統(tǒng)反饋實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)清掃機(jī)傳感器系統(tǒng) ， 此項(xiàng)內(nèi)容主要作用是使清掃機(jī)對(duì)周圍環(huán)境有一個(gè)了解，通過(guò)對(duì)周圍環(huán)境的感知來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)距、清掃、避障。本過(guò)程主要是通過(guò)單設(shè) 置 串 口 方 式 1 ， T 1方 式 1 ， T 0 方 式 2外 部 中 斷 0 和 T 0 開 中 斷 ，T 0 設(shè) 置 為 中 斷 優(yōu) 先 級(jí)設(shè) 置 顯 示 、 定 時(shí) 、啟 動(dòng) 停 止 標(biāo) 志 位定 時(shí) 顯 示 否 ？2 位 L E D 顯 示 時(shí) 間有 鍵 按 下 否 ？1 分 鐘 到 否 ？進(jìn) 入 低 功 耗恢 復(fù) R 5YNNYYN 圖 33 紅外發(fā)射電路流程圖 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 片機(jī)控制 各傳感器及傳感器向單片機(jī)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)。啟動(dòng)紅外接收系統(tǒng)，等待接收紅外信號(hào)。 （ 3） 當(dāng)接收到前進(jìn)指令時(shí)，啟動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。 （ 4） 當(dāng)遇到障礙時(shí)啟動(dòng)清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過(guò)程是整個(gè)清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過(guò)程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。 紅外遙控系統(tǒng)流程 發(fā)射電路主程序的流程圖如圖 33 所示主程序中設(shè)置串口工作方式 1 和定時(shí)器 T1 方式 2 是為了發(fā)射按鍵代碼時(shí)產(chǎn)生 2021b/s 的波特率；定時(shí)器 T0 工作方式2 是用來(lái)在 引腳上輸出 38kHz 的載波信號(hào)。有按鍵下時(shí)產(chǎn)生外部中斷 0，寄存器 R5 和 R4 中存放的數(shù)據(jù)是用來(lái)控制 1 min 的定時(shí)時(shí)間。 1 min 之內(nèi)無(wú)按鍵，則遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定時(shí)器 T0 中斷程序是將 引 腳取反產(chǎn)生 38kHz的載波信號(hào)，此信號(hào)為方波信號(hào)。外部中斷 0 的中斷程序用于判斷按鍵并發(fā)射按鍵代碼，同時(shí)還包括按鍵去抖動(dòng)和檢查設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位。 部分程序如下： MOV TMOD,22 ；設(shè)置定時(shí)器 T0 和 T1 工作方式 2 MOV TH0,0F3H ；產(chǎn)生 38kHz 載波信號(hào)的時(shí)間常數(shù)送給 T0 MOV TL0,0F3H MOV TH1,0E03 ；產(chǎn)生 2021b/s 的波特率的時(shí)間常數(shù)送給 T1 MOV TL1,0E0H MOV SCON,60H ；設(shè)置串口工作于方式 1 ORL PCON,80H ； SMOD 置 1 串口方式 1 和 T1方式 2 外部中斷 0和串口開中 斷 串口中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí) 設(shè)置定時(shí)、啟動(dòng)停止標(biāo)志位 設(shè)置調(diào)速和定時(shí)控制初值 圖 34 紅外接受電路流程圖 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 SETB EA ； CPU 開中斷 SETB EX0 ；允許外部中斷 0 中斷 SETB IT0 ；允許定時(shí)器 T0 中斷 SETB PT0 ；將定時(shí)器 T0 中斷設(shè)置為高優(yōu)先級(jí) 接收電路主程序的流程圖如圖 34 所示，接收電路串口和 T1 的工作方式與發(fā)射電路完全相同，是為了與發(fā)射的波特率一致，能可靠接收數(shù)據(jù)。串口中斷用于接收按鍵代碼并設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位。外部中斷 0 產(chǎn)生移相脈沖改編移相角，從而改變可控硅的導(dǎo)通角，并判斷是否有定時(shí)，進(jìn)而控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間 。 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程 首先是系統(tǒng)初始化工作 ， 即設(shè)置寄存器、配置 GPIO、定時(shí)器、 A/D 轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動(dòng) A/D 轉(zhuǎn)換。然后檢測(cè) GPIO 有沒(méi)有啟動(dòng)信號(hào) ， 檢測(cè)到啟動(dòng)信號(hào)后 ， 從另一個(gè) GPIO 發(fā)出控制信號(hào)給直流電機(jī)加電。從 A/D 轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號(hào)數(shù)據(jù) ， 再通過(guò)求平均值得到電機(jī)的電流值 ； 對(duì)輸出脈沖信號(hào)的數(shù)據(jù)進(jìn)行 FFT變換 ， 求出基波的頻率 ， 再根據(jù)電機(jī)的具體型號(hào)乘以一個(gè)系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)上電 初始化 有啟動(dòng)信號(hào)？ 數(shù)據(jù)采集調(diào)理 數(shù)據(jù)處理 數(shù)據(jù)送至單片機(jī) 結(jié)束 Y N 圖 35 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)流程 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 12 最后把測(cè)試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度 ， 啟動(dòng)總線傳輸，把測(cè)試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī) ， 以對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖 35 所示。 清掃避障系統(tǒng)流程 清掃壁障流程圖如圖 36，該流程是智能清掃機(jī)執(zhí)行清掃命令及躲避障礙的流程。 （ 1） 紅外 光電 傳感器的紅外發(fā)光管發(fā)射紅外光，光波在遇到障礙物后反射，被紅外接收管接收，產(chǎn)生一個(gè)與光強(qiáng)相對(duì)應(yīng)的電流，電流經(jīng) LM358 組成的兩極放大電路放大后，輸出一個(gè)模擬電壓，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后輸入單片機(jī)。 （ 2） 由 接觸 傳感器感知障礙物性質(zhì)，判斷其是否是清掃機(jī)可清掃的垃圾。若可清掃則由單片機(jī)向清掃機(jī)械電機(jī)發(fā)出清掃指令，執(zhí)行清掃命令，完成清掃后繼續(xù)等待紅外傳感器接收信號(hào)。 （ 3） 若不可清掃，判斷其為墻角類障礙，此時(shí)累加器累加判斷為墻角的次數(shù)。 （ 4） 判斷墻角累加次數(shù)的奇偶，若為奇數(shù)則通過(guò)控制電機(jī)調(diào)速模塊來(lái)控制左右輪速度，控制清掃機(jī)行進(jìn)方向，使其左后轉(zhuǎn)行進(jìn)。若判斷為偶數(shù)，則使其右后轉(zhuǎn)行進(jìn)，本過(guò)程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)的蛇形行進(jìn)清掃方式，盡可能提高清掃機(jī)清掃效率。 遇到障礙物？ 是垃圾 清掃 累加遇到墻角次數(shù) 遇墻角數(shù) 為奇數(shù)？ 右后轉(zhuǎn)前進(jìn) N N N Y Y Y 圖 36 清掃避障流程圖 左 后轉(zhuǎn)前 進(jìn) 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 4 自動(dòng)掃地機(jī)硬件電路設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)以 AT89C51 單片機(jī)作為檢測(cè)和控制核心。用超聲波傳感器、紅外光電傳感器、接觸傳感器完成自動(dòng)避障 。 用光電編碼器檢測(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用 PWM（ 脈寬調(diào)制 ） 技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò)軟件編程實(shí)現(xiàn)清掃機(jī)行進(jìn)、執(zhí)行清掃任務(wù)、繞障、停止的精確控制以及檢 測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示。通過(guò)對(duì)電路的優(yōu)化組合 ， 可以最大限度地利用 AT89C51 單片機(jī)的全部資源。 P0 口用于數(shù)碼管顯示， P1 口用于電動(dòng)機(jī)的 PWM 驅(qū)動(dòng)控制， P P3 口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點(diǎn)是：充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源 ， 降低了總體設(shè)計(jì)的成本。 傳感器系統(tǒng)電路 超聲波傳感器檢測(cè)電路 超聲波發(fā)射脈沖是由 口輸出的，由于 P3 口的輸出電流最大不過(guò) 20mA，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波束，因此需要加入放大電路以增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力。圖 41 為發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路，圖中 J2 的 2 引 腳分別接超聲波發(fā)生器的兩個(gè)端腳， PULSE 接控制器 口，這里采用了兩級(jí)與非門 74LS00 來(lái)增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，電路簡(jiǎn)單實(shí)用。接收器接收到的超聲回波也是 mv 級(jí)的，為了能夠觸發(fā)中斷，需要對(duì)此信號(hào)進(jìn)行放大、整形，其信號(hào)接收電路如圖 42 所示，圖中 J1 的 2引腳分別接超聲波接收器的兩個(gè)端腳， INT1接控制器 。采用放大器 LM324將接收信號(hào)兩級(jí)放大，放大信號(hào)經(jīng)過(guò)比較器 LM339 調(diào)理成方脈沖，再經(jīng)過(guò)非門74HC14 整形后送入控制器外部中斷 INT1 口，觸發(fā)外部中斷。為了濾去干擾信號(hào)，電路中還適當(dāng)接入了一些電容 。 圖 41 發(fā)射波驅(qū)動(dòng)電路 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 紅外光電傳感器檢測(cè)電路 本文選用 JY043W 型紅外反射式傳感器。紅外光電傳感器檢測(cè)單元信號(hào)處理電路如圖 43 所示，圖中 J17 為紅外光電傳感器接口（其引腳 2 分別紅外光電傳感器的發(fā)射腳和接收腳，引腳 3 為紅外光電傳感器的發(fā)射管和接收管共用接地端）， OUT1 接控制器 口（另外五路檢測(cè)單元分別接控制器的 ~口）， ZHISHI1 為其它五組檢測(cè)單元 LED 指示燈共用端， R15 為發(fā)射限流電阻（用以將發(fā)射管的發(fā)射電流限定在 10~20mA 左右）。當(dāng)接收管接收到反射回來(lái)的紅外光時(shí)，接 收管導(dǎo)通，比較器 LM324 的 3 端輸入低電平，使得 3 端電壓小于 2 端的門檻電壓，則輸出端 1 腳輸出低電平，指示燈 L3 被點(diǎn)亮。 圖 42 回波接收電路 J 1 7R E D 1R 1 52 7 0R 1 62 0 KV C CR 1 81 0 KGATE_VR 1 72 KZ H I S H IL 3L E DO U T 1+U 6 AL M 2 3 4123 圖 43 紅外光電傳感器檢測(cè)電路 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 接觸傳感器檢測(cè)電路 接觸傳感器通過(guò)與目標(biāo)物體的接觸來(lái)識(shí)別障礙物。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，裝卸方便，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。鑒于清潔機(jī)器人結(jié)構(gòu)緊湊、便于裝卸的要求，本文選擇RV1631C25 型微動(dòng)開關(guān)作為接觸傳感器，該型號(hào)開關(guān)結(jié)構(gòu)小巧，使用簡(jiǎn)單可靠，信號(hào)無(wú)需調(diào)理。接觸傳感器檢測(cè)單元的接口電路如圖 44 所示，圖中 OUT7 接控制器 口端口（另一檢測(cè)單元接 口）， R1 為指示燈 L1 的限流電阻， A1為接觸傳感器，其 1 腳接地。當(dāng)觸碰到障礙物時(shí)，探測(cè)簧片被壓下，傳感器的 1腳和 3 腳導(dǎo)通，工作電路形成回路， OUT1 端輸出低電平，指示燈 L1 被點(diǎn)亮。OUT1 端輸出的低電平能夠直接被控制器識(shí)別。 繼電器控制電路 在電氣控制領(lǐng)域或產(chǎn)品中，凡是需要邏輯控制的場(chǎng)合，幾乎都需要使用繼電器，從家用電器到工農(nóng)業(yè)應(yīng)用，甚至國(guó)民經(jīng)濟(jì)各個(gè)部門，可謂無(wú)所不見(jiàn)。繼電器是一種利用各種物理量的變化，將電量或非電量信號(hào)轉(zhuǎn)化為電磁力（有觸頭式）或使輸出狀態(tài)發(fā)生階躍變化（無(wú)觸頭式），從而通過(guò)其觸頭或突變量促使在同一 圖 45 繼電器控制電路 V C C2 KR 1L 1L E DA 1C o n t a c tO U T 7 圖 44 接觸傳感器檢測(cè)單元接口電路 安 徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 電路或另 一電路中的其它器件或裝置動(dòng)作的一種控制元件。根據(jù)轉(zhuǎn)化的物理量的不同，可以構(gòu)成各種各樣的不同功能的繼電器，以用于各種控制電路中進(jìn)行信號(hào)傳遞、放大、轉(zhuǎn)換、連鎖等，從而控制主電路和輔助電路中的器件或設(shè)備按預(yù)定的動(dòng)作程序進(jìn)行工作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制和保護(hù)的目的。被轉(zhuǎn)化或施加于繼電器的電量或非電量稱為繼電器的激勵(lì)量，當(dāng)繼電器被激勵(lì)，從一個(gè)起始位置達(dá)到預(yù)定的工作位置，并完成電路的切換動(dòng)作，稱為繼電器的工作特性，包括吸合和松開，保持與釋放狀態(tài)。當(dāng)輸入量變化到高于它的吸合值或低于它的釋放值時(shí)，