【正文】 吸塵器需同時工作，另外還要給控制系統(tǒng)供電，但受到機器人的尺寸限制，電源的體積不能太大。因此在選擇電池時，對容量、效能及體積等諸方面因素應(yīng)綜合考慮。 常見的充電電池有鎳氫電池、鎳鎬電池、鏗電池電池和電瓶。鎳福電池是較早出現(xiàn)的一種可充電電池，單體電壓為 ，常見的有 7 號 (AAA 型 )、 5 號 (AA 型 )、 1 號、 2號以及工業(yè)專用型號，優(yōu)點是自放電率較鎳氫電池低、內(nèi)阻小、價格相對便宜；缺點是容易產(chǎn)生記憶效應(yīng)。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(chǎn)品。 鎳氫電池是一種新型的高容量可充電電池，性能優(yōu)于鎳福電池，鎳氫電池的單體電壓 ，常見型號與鎳福電池相同。優(yōu)點是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒有記憶效應(yīng) ； 缺點是自放電率較高。電池容量方面同樣以使用最廣泛的 5 號 (AA 型 )電池為例，單節(jié)電池的容量可達 10001300mAh。 可充電的聚合物鏗離子電池是目前比較先進的電池，它具有能量密度高的特性，使鏗電池具備重量輕、體積小、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，單體電池容量為 ，單安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 15 體電池電壓一般為 。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。 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計采用鏗電池，通過 3 串 2 并的方式組合成電池組，電壓范圍在 ，容量為 。 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 16 4 系統(tǒng)硬件電路和軟件流程 機械結(jié)構(gòu)設(shè)計 自動掃地機 本體設(shè)計 機器人本體的良好設(shè)計是實現(xiàn)其 他各功能模塊的基礎(chǔ)。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(shè)計的 自動掃地機 采用圓形車體。 機器人在地面上移動的方式通常有三種 ： 輪式、履帶式和步行式。本設(shè)計中 自動掃地機 只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動方式。 輪式移動機器人的輪系一般有三輪、四輪和六輪等，由于四輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，承載能力較大，在本設(shè)計中采用四輪結(jié)構(gòu)，左右兩個輪子是驅(qū)動輪，前后兩個萬向輪起支撐作用，在機器人的左、右輪上分別裝上兩個獨立的驅(qū)動電機，通過控制左右輪的速度差來實現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向， 控制簡單，易于實現(xiàn)，可以方便地實現(xiàn)吸塵機器人的前進、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，并且 自動掃地機 可以實現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑 (即原地旋轉(zhuǎn) )。 傳感器配置與安裝 紅外避障傳感器、碰撞傳感器等需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。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。紅外避障傳感器直徑為 18mm 長 45mm 左右，外面旋鈕直徑 26mm左右，通過上面的兩個大旋轉(zhuǎn)扣來固定該傳感器，因此需要自制一個零件使其可以夾在上面，本系統(tǒng)設(shè)計了一個 L 形配件把紅外避障傳 感器固定在機器人底盤上，配件的一面固定該紅外避障傳感器，另一面通過兩個螺絲將該配件固定到底盤上。 運動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)選用 Faulhaber 的有刷直流電機作為驅(qū)動元件，將電機安裝在機器人底盤下面。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。通過設(shè)計一個 L 型配件進行安裝，側(cè)面用于固定電機，底面固定在底盤上。 驅(qū)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(cè)面凸出部分上面有安裝 孔，可以把輪子固定在電機軸上。 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 17 硬件電路設(shè)計 硬件電路總體結(jié)構(gòu) 根據(jù) 自動掃地機 功能要求， 自動掃地機 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計框圖如圖 41 所示。 其中，信號輸入部分主要包括信息采集模塊 (碰撞傳感器、測距傳感器、攝像頭、紅外接收頭 )、無線串行接口 (紅外遙控接收模塊 )、電壓檢測芯片。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。其它信號采用普通 I/O口接收，采用定時查詢方式進行信號處理即可。另外為了方 便使用，還擴展了紅外遙控模塊，可以手動控制機器人的行走。 單片機 根據(jù)所有的輸入信號，對微型吸塵器、驅(qū)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(guān)控制。電機需要特定的驅(qū)動芯片， 單片機 產(chǎn)生 PWM 波通過驅(qū)動芯片來對電機進行驅(qū)動與控制。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(shè)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(guān)（ 選 擇 清 掃 模 式 ）驅(qū) 動 電 路 左 輪 電 機驅(qū) 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(shè)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)姆绞健? 機器人工作時，首先根據(jù)電壓檢測芯片的返回值判斷電池是否欠壓，如果欠壓則利用兩個紅 外接收頭尋找充電器并進行充電，充好電后開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進行清掃，其中行走機構(gòu)采用閉環(huán)控制。四個碰撞傳感器用來實時避障，當機器人任何一個方向碰到物體時反饋信息給 單片機 ，以做出避障決策，紅外測距傳感器用來路徑規(guī)劃，液晶在機器人工作時顯示機器人的狀態(tài)。 子板設(shè)計 MC9S12DG128 單片機為整個控制系統(tǒng)核心。為了便于調(diào)試和功能擴展，單片機的最小系統(tǒng)做成獨立的子板，其他模塊制成一塊電路板作為母板，子板通過插針、插座與母板連接。 子板由以下幾個模塊構(gòu)成：電源部分，負責提供穩(wěn)定的 5V 電源；晶振電路 ，為系統(tǒng)提供時鐘； 看門狗電路，實時監(jiān)測掃地機運行狀態(tài)，并設(shè)置手動復位按鈕； LED 狀態(tài)顯示，調(diào)試子板時下載跑馬燈程序用。 時鐘電路設(shè)計 時鐘電路在單片機系統(tǒng)硬件設(shè)計中往往是一個關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計不當就很有可能使其工作時的產(chǎn)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(zhuǎn)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。 MC9S12 系列單片機的時鐘輸入接口在其 46(EXTAL)和 47(XTAL)引腳上 (112引腳封裝 )，通常是接一個 16M 的晶振 體。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。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對信號質(zhì)量要求高的器件的線路。晶振的周圍和下面盡量用地線包圍和覆蓋，將晶振的噪聲阻擋起來，也防止其他干擾信號進來。 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(shè)計 19 與無源晶振相比，有源晶振不需要單片機內(nèi)部起振電路，信號質(zhì)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(gòu)成的 PI 型濾波網(wǎng)絡(luò)，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。另外根據(jù)時鐘模式選擇要求將 PE7 引腳進行下拉。 看門狗 電路設(shè)計 單片機系統(tǒng)在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機現(xiàn)象導致單片機系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分利用單片機本身的看門狗定時器外，還需外加看門狗電路 。 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(yīng)用于復位信號為高電平場合的單片機系統(tǒng)的理想芯片。 IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖 43 所示 。 電源模塊設(shè)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(chǔ)。本系統(tǒng)中采用了電源隔離變換模塊，將系統(tǒng)電源分為功率和信號兩部分隔離輸出，即單片機最小系統(tǒng)、各傳感器接口、 LCD 模塊、無線串行模塊的電源由信號電源供應(yīng)；電機驅(qū)動、電壓檢測芯片、微型吸塵器的電源由功率電源供應(yīng)。 R 1R 2+ 5 V P F 1V C CMRPFOW D 1R E S E TG N DWDOP H 0P H 1M C 9 S 1 2 DG 1 2 8R E S E T I M P 8 1 3 L5 3 04 7 0 圖 43 看門狗接口電路 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 20 電源模塊需要向系統(tǒng)的其它各模塊提供三種電壓的電源供給，分別是 12V， 5V 和，其中 12V 電源直接來自于電池組，負責驅(qū)動直流電機和微 型吸塵器工作，電壓檢測芯片直接檢測總電源電壓，如果低于 10V 則輸出一個跳變信號給單片機， 12V 通過LM2576 轉(zhuǎn)換成 5V，給 MC33886 的 FS 和 D2 引腳供電，功率部分對應(yīng)的地是功率地。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。 系統(tǒng)選用的電源芯片 LM1117330 以及 LM2576 是兩款表現(xiàn)出色的電源芯片，具有較寬的輸入電壓范圍、穩(wěn)定的輸出電流以及較小的發(fā)熱量，能夠很好的勝任本系統(tǒng)電源方案。 5V 電源模塊主要負責為單片機、傳感器模塊 、 LCD、攝 像頭提供穩(wěn)定的電源，I NO N / O F FG N DF BO U TL M 2 5 7 6L 2 1 0 0 m HD 1I N 5 8 2 2C 21 0 0 u F2 5 VV b aC 1 71 0 0 0 u F2 5 VC 51 0 4V D D5 VR 7 5 1 0 RL E DC 41 0 41 2 V 圖 44 5V 電源模塊 I NG N DO U TN CC 2 40 . 1 u FC 2 24 7 u F / 2 5 VL M 1 1 1 7 3 3 0C 2 31 0 u F / 2 5 VV D D5 VV C C3 . 3 VC 2 50 . 1 u FR 1 75 0 圖 45 電源 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)計 21 是電源系統(tǒng)中最重要的部分。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(guān)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℃。 5V 電源模塊的原理圖如圖 44 所示，其連接方法使用了 LM2576 使用手冊中的典型接法， 電源模塊原理圖如圖 45 所示。 電機驅(qū)動模塊設(shè)計 電機驅(qū)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(qū)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。本系統(tǒng)選用了飛思卡爾公司的 H 橋驅(qū)動芯片 MC33886，該芯片采用 20 引腳貼片封裝，驅(qū)動電壓范圍可以從 5V 到 40V，最大輸出電流可達到 6A。 該芯片包含內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動和低阻輸出，可用頻率最高可達 l0KHz的 PWM 波調(diào)節(jié)輸出電壓，帶有欠壓、過流、過溫自動保護功能，在輸入壓降過大、輸出電流過大或芯片溫度過高時能夠自動切斷輸出，以保護電路不被損壞。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)。此時，如果是欠壓狀態(tài)，當欠壓狀況消除 后芯片會自動恢復輸出，而如果是過流或過溫狀態(tài)，則需要通過單片機向 MC33886 芯片的 Dl 和 D2 引腳發(fā)送復位信號來恢復 33886 的輸出。 MC33886 的應(yīng)用示意圖如圖 46 所示。 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(qū)動能力并減小單片 MC33886 的發(fā)熱。在具體的使用中，單片機C C PFSI N 1I N 2D 1V +O U T 1O U T 2P G N DA G N D2M O T O RI NO U TO U TO U TO U TMC9S12DG1281 2 V5 VMC33886 圖 46 MC33886 應(yīng)用示意圖 安徽理工大學 畢業(yè)設(shè)