【正文】 8 電樞電阻 Ω 9 最大效率 % 80 10 轉(zhuǎn)矩常數(shù) mNm/A 11 速度常數(shù) rpm/V 713 12 機(jī)械時(shí)間常數(shù) ms 6 13 轉(zhuǎn)子慣量 gcm2 14 轉(zhuǎn)子電感 uH 65 15 熱阻 K/W 3/15 電池選型 電池的選擇是 自動(dòng)掃地機(jī) 設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的 內(nèi)容，本系統(tǒng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微型吸塵器需同時(shí)工作，另外還要給控制系統(tǒng)供電，但受到機(jī)器人的尺寸限制，電源的體積不能太大。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。 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(hào) (AAA 型 )、 5 號(hào) (AA 型 )、 1 號(hào)、 2號(hào)以及工業(yè)專用型號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是自放電率較鎳氫電池低、內(nèi)阻小、價(jià)格相對(duì)便宜；缺點(diǎn)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(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。 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(hào)與鎳福電池相同。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。電池容量方面同樣以使用最廣泛的 5 號(hào) (AA 型 )電池為例，單節(jié)電池的容量可達(dá) 10001300mAh。 可充電的聚合物鏗離子電池是目前比較先進(jìn)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(diǎn)，單體電池容量為 ，單安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 體 電池電壓一般為 。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。 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 16 4 系統(tǒng)硬件電路和軟件流程 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 自動(dòng)掃地機(jī) 本體設(shè)計(jì) 機(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)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(yùn)動(dòng)靈活，控制簡單的優(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。 機(jī)器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種 ： 輪式、履帶式和步行式。本設(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。 輪式移動(dòng)機(jī)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(jì)中采用四輪結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)輪子是驅(qū)動(dòng)輪，前后兩個(gè)萬向輪起支撐作用，在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度差來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，并且 自動(dòng)掃地機(jī) 可以實(shí)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(gè)安裝孔，不需要額外的撐架，可直接用螺絲進(jìn)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(gè)大旋轉(zhuǎn)扣來固定該傳感器，因此需要自制一個(gè)零件使其可以夾在上面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè) L 形配件把紅外避障傳感器固定在機(jī)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(gè)螺絲將該配件固定到底盤上。 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 本系統(tǒng)選用 Faulhaber 的有刷直流 電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，將電機(jī)安裝在機(jī)器人底盤下面。該電機(jī)直徑 30mm， 長度 85mm，出軸直徑 6mm，出軸長度 35mm，出軸周圍有三個(gè)直徑 3mm 的安裝孔。通過設(shè)計(jì)一個(gè) L 型配件進(jìn)行安裝，側(cè)面用于固定電機(jī)，底面固定在底盤上。 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。 安徽理工大學(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 17 硬件電路設(shè)計(jì) 硬件電路總體結(jié)構(gòu) 根據(jù) 自動(dòng)掃地機(jī) 功能要求， 自動(dòng)掃地機(jī) 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖 41 所示。 其中，信號(hào) 輸入部分主要包括信息采集模塊 (碰撞傳感器、測(cè)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(cè)芯片。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。其它信號(hào)采用普通 I/O口接收，采用定時(shí)查詢方式進(jìn)行信號(hào)處理即可。另外為了方便使用，還擴(kuò)展了紅外遙控模塊，可以手動(dòng)控制機(jī)器人的行走。 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。電機(jī)需要特定的驅(qū)動(dòng)芯片， 單片機(jī) 產(chǎn)生 PWM 波通過驅(qū)動(dòng)芯片來對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制。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 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(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? 機(jī)器人工作時(shí)，首先根據(jù)電壓檢測(cè)芯片的返回值判斷電池是否欠壓，如果欠壓則利用兩個(gè)紅外接收頭尋找充電器并進(jìn)行充電，充好電后開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，其中行走機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制。四個(gè)碰撞傳感器用來實(shí)時(shí)避障，當(dāng)機(jī)器人任何一個(gè)方向碰到物體時(shí)反饋信 息給 單片機(jī) ，以做出避障決策，紅外測(cè)距傳感器用來路徑規(guī)劃，液晶在機(jī)器人工作時(shí)顯示機(jī)器人的狀態(tài)。 子板設(shè)計(jì) MC9S12DG128 單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)核心。為了便于調(diào)試和功能擴(kuò)展，單片機(jī)的最小系統(tǒng)做成獨(dú)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(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的 5V 電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘； 看門狗電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)掃地機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置手動(dòng)復(fù)位按鈕； LED 狀態(tài)顯示，調(diào)試子板時(shí)下載跑馬燈程序用。 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)無法運(yùn)行。 MC9S12 系列單片機(jī)的時(shí)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(gè) 16M 的晶振體。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。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對(duì)信號(hào)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(hào)進(jìn)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 與無源晶振相比，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，體積與無源晶振相當(dāng)，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖 42 所示。另外根據(jù)時(shí)鐘模式選擇要求將 PE7 引腳進(jìn)行下拉。 看門狗 電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響 ，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)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(jī)本身的看門狗定時(shí)器外，還需外加看門狗電路 。 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。 IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖 43 所示。 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) 。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(hào)兩部分隔離輸出，即單片機(jī)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(hào)電源供應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電壓檢測(cè)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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和微型吸塵器工作，電壓檢測(cè)芯片直接檢測(cè)總電源電壓，如果低于 10V 則輸出一個(gè)跳變信號(hào)給單片機(jī)， 12V 通過LM2576 轉(zhuǎn)換成 5V，給 MC33886 的 FS 和 D2 引腳供電，功率 部分對(duì)應(yīng)的地是功率地。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。 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(fù)責(zé)為單片機(jī)、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(xué) 畢業(yè)設(shè)計(jì) 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(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℃。 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(cè)中的典型接法， 電源模塊原理圖如圖 45 所示。 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。本系統(tǒng)選用了飛思卡爾公司的 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片 MC33886，該芯片采用 20 引腳貼片封裝，驅(qū)動(dòng)電壓范圍可以從 5V 到 40V，最大輸出電流可達(dá)到 6A。 該芯片包含內(nèi)部控 制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動(dòng)和低阻輸出，可用頻率最高可達(dá) l0KHz的 PWM 波調(diào)節(jié)輸出電壓，帶有欠壓、過流、過溫自動(dòng)保護(hù)功能，在輸入壓降過大、輸出電流過大或芯片溫度過高時(shí)能夠自動(dòng)切斷輸出，以保護(hù)電路不被損壞。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)。此時(shí)，如果是欠壓狀態(tài)，當(dāng)欠壓狀況消除后芯片會(huì)自動(dòng)恢復(fù)輸出，而如果是過流或過溫狀態(tài)，則需要通過單片機(jī)向 MC33886 芯片的 Dl 和 D2 引腳發(fā)送復(fù)位信號(hào)來恢復(fù) 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(gè)電機(jī)，系統(tǒng)使用了四片 MC33886，兩兩并聯(lián)來提高電流驅(qū)動(dòng)能力并減小單片 MC33886 的發(fā)熱。在具體的使用中，單片機(jī)C C PFSI N 1I N 2