智能掃地機器人畢業(yè)設(shè)計

1、Abstract南 通 理 工 學(xué) 院畢業(yè)設(shè)計題 目：基于單片機的掃地機器人的設(shè)計副 標(biāo) 題：學(xué) 生 姓 名：所在系、專業(yè)：新能源工程系、電子信息工程技術(shù)班 級：指 導(dǎo) 教 師：日 期：摘 要本文主要設(shè)計并制作一個簡易掃地機器人。本掃地機器人具有自動清掃、自動充電、防撞、防跌落的功能。本文介紹了掃地機器人系統(tǒng)的總體的設(shè)計方案，它主要由MCU主控電路、防撞電路、防跌落電路、電壓檢測電路、穩(wěn)壓電路和充電位檢測電路組成。它完全解放了人民的雙手，能夠全自動的完成清掃工作，當(dāng)電量不足時，自動尋到充電座，進行充電，充滿后繼續(xù)工作本機采用stc89c52單片機為核心控制器件，雖然它的是一個入門級的單片機，但

2、成本低，效率高，編寫程序簡單等優(yōu)點，在市場上還是有很好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵字：掃地機器人；壁障；stc89c52單片機IAbstractIn this paper, the design and implementation of a simple cleaning robot. The sweeping robot with automatic cleaning, automatic charging, anti-collision, anti drop function. This paper introduces the design scheme of the overall cleani

3、ng robot system, which mainly consists of MCU main control circuit, protection circuit, fall protection circuit, voltage detection circuit, voltage stabilizing circuit and a charging position detection circuit. It is completely liberated people's hands, and can automatically complete the cleanin

4、g work, when electricity shortage, automatically find charging, charging, full continue to work the machine adopts STC89C52 microcontroller as the core control device, although it is an entry-level microcontroller, but low cost, high efficiency advantages, writing the program is simple, and has good

5、 application prospect in the market.Keywords：Sweeping robot，barrier, STC89C52I目 錄目 錄摘 要IAbstractII目 錄III1、概述1 1.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究背景1 1.2 研究的目的和意義1 1.3 課題的要內(nèi)容1 1.3.1 掃地機器人功能1 1.3.2 性能指標(biāo)2 1.3.3 論文的主要內(nèi)容22、電路設(shè)計、理論分析與計算3 2.1 電源電路設(shè)計3 2.1.1 電路原理3 2.2 總控制電路4 2.2.1 STC89C52單片機簡介4 2.2.2 總控制電路的設(shè)計6 2.3 防跌落電路8 2.4 防撞落電路1

6、0 2.5 電源電壓檢測電路10 2.6 電池充電電路11 2.6.1 電池充電電路設(shè)計11 2.7 電機驅(qū)動電路12 2.7.1電機的選擇12 2.7.2電機驅(qū)動電路設(shè)計133、PCB板的設(shè)計與制作16 3.1 PCB板的設(shè)計16 3.2 PCB板的制作174、電路焊接與調(diào)試20 4.1 電路焊接20 4.2 防撞電路的調(diào)試20 4.3 防跌電路的調(diào)試205、系統(tǒng)程序的設(shè)計21 5.1 C語言與匯編語言的優(yōu)缺點21 5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計21 5.2.1 程序的初始化21 5.2.2 主程序的設(shè)計21 5.2.3 防撞程序的設(shè)計22 5.2.3 防跌落程序的設(shè)計23 5.2.4 充電尋跡程序的

7、設(shè)計246、外殼制作26 6.1 有機玻璃的特性26 6.1 底板制作26 6.2 邊框制作27 6.3 儲灰盒制作287、整機調(diào)試與功能介紹297.1 存在的問題與解決方案29 7.2 系統(tǒng)缺陷30 7.2.1 傳感器缺陷30 7.2.2 電池缺陷30 7.2.3 吸塵器功率缺陷30 7.3 功能說明308、總結(jié)31致 謝32參考文獻33附 錄34III簡易掃地機的設(shè)計1、概述1.1 國內(nèi)產(chǎn)品研究背景在國內(nèi)的一些大學(xué)、如哈爾濱工業(yè)大學(xué)、華南理工大學(xué)、上海交通大學(xué)等單位也對清潔機器人進行了大量的研究并取得了一成果，對清掃機器人相關(guān)技術(shù)如機器感知、機器人導(dǎo)航和定位與路徑規(guī)劃、機器人控制、電源與電

8、源管理、動力 驅(qū)動等技術(shù)的研究則更多，這些都為清潔機器人的研究開發(fā)和推廣奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)和技術(shù)基礎(chǔ)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)于 90 年代開始致力于這方面的亞久，與香港中文大學(xué)合作，聯(lián)合研制開發(fā)出一種全方位移動清掃機器人。該機器人具有如下特點：采用全放位移動技術(shù)，使機器人可執(zhí)行對狹窄區(qū)域等死區(qū)的清掃任務(wù)；采用開放式機器人鉸制結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)硬件可擴展，軟件可移植、可繼承，使機器人作為服務(wù)載體具有更好的功能適應(yīng)性；在擁擠環(huán)境下的實時避障功能能更好地適應(yīng)不斷變化的清掃工作環(huán)境；遙控操作和自主運動兩種運動方式；吸塵機構(gòu)可實現(xiàn)吸塵腔路的自動轉(zhuǎn)換，提高了吸塵效率。浙江大學(xué)l999年初在浙江大學(xué)機械電子研究所開始進行智能吸

9、塵機器人的研究，兩年后設(shè)計成功國內(nèi)第一個左右初步朱能的自主吸塵機器人，這種智能吸塵機器人工作時，首先進行環(huán)境學(xué)習(xí)；利用超聲波傳感器測距，與墻保持一定距離行走， 在清潔這角落的同時獲得房間的尺寸信息，從而決定清掃時間；之后，利用隨機和局部遍歷規(guī)劃相結(jié)合的策略產(chǎn)生高效的清掃路徑；清掃結(jié)束以后，自行回到充電座補充電力。吸塵機器人在 5.5×3.5m2 的實際家庭環(huán)境中，工作 10 分鐘可以達到 90以上的覆蓋率。更大房間的清掃試驗還沒有進行。目前，系統(tǒng)正在引入機器視覺和全局定位功能，力圖在多房間環(huán)境下，提高自定位能力、 智能決策能力以及回歸充電效率，最終提高清掃效率。1.2 研究的目的和意

10、義 吸塵機器人將移動機器人技術(shù)和吸塵器技術(shù)有機地融臺起來，實現(xiàn)室內(nèi)環(huán)境（地面）的半自動或全自動清潔，替代傳統(tǒng)繁重的人工清潔工作近年來已受到國內(nèi)外的研究人員重視。作為智能移動機器人的一個特殊應(yīng)用，從技術(shù)方面講，智能化自王式吸塵器比較具體地體現(xiàn)了移動機器人的多項關(guān)鍵技術(shù)，具有較強的代 表性。性市場前景角度講，自主吸塵器將大大降低勞動強度、提高勞動效率，適用于家庭和公共場館的室內(nèi)清潔。因此，開發(fā)自主智能吸塵器既具有科研上的挑 戰(zhàn)性，又具有廣闊的市場前景。融合現(xiàn)代傳感器以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開發(fā)一部價格便 宜，全區(qū)域蓋，能夠充分滿足家庭需求且方便適用的智能家鹿清掃機器人。使它可以替代傳統(tǒng)

11、的家庭人工清掃方式，使家庭生活電氣化、智能化、使科技更好地 為人類服務(wù)。1.3 課題的要內(nèi)容1.3.1 掃地機器人功能（1）自動清掃（2）壁障（3）防撞（4）自動充電（5）虛擬墻1.3.2 性能指標(biāo)（1）輸入電壓：13V15V（2）輸入電流：1A（3）運行速度：10m/min（4）最大工作時間30min1.3.3 論文的主要內(nèi)容第一部分主要介紹課題的背景，研究的目的與意義。第二部分詳細(xì)說明了掃地機器人各部分電路的設(shè)計。第三部分詳細(xì)描述了PCB板的設(shè)計流程。第四部分詳細(xì)描述了焊接工藝和部分電路的調(diào)試。第五部分詳細(xì)說明了系統(tǒng)軟件設(shè)計，并給出詳細(xì)的流程圖。第六部分詳細(xì)介紹了掃地機的外殼制作過程。第七

12、部分對掃地機的整機裝配及調(diào)試進行了詳細(xì)的說明。第八部分設(shè)計總結(jié)。2、電路設(shè)計、理論分析與計算2.1 電源電路設(shè)計電源的好壞決定了整個電路的穩(wěn)定性，輸出波紋越平滑，性能越好。本電源采用兩塊LM7805作為穩(wěn)壓電源，一塊為控制電路和傳感器電路供電，另一塊單獨為電機供電。分開供電這樣做的好處，有利于減小干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。LM7805是國家半導(dǎo)體開發(fā)出來比較成熟，較早的一種線性穩(wěn)壓半導(dǎo)體器件，通常采用TO-220封裝，具有短路保護、過流保護、高溫保護等保護措施，同時只要用到很少的元件就能輸出穩(wěn)定的5V電壓，最大輸出電流能達到1.5A。外形如圖2-1所示。1管腳為輸入端，2管腳為地，3管腳為輸出.

13、圖2-1封裝圖2.1.1 電路原理 由于后級電路需要1A左右的大電流用于驅(qū)動各類電機，查找后發(fā)現(xiàn)E13003完全滿足這要求，集電極最大允許電流ICM可以到達1.5A。由于13003開關(guān)管需要較大的驅(qū)動電流，因此增加了一個Q1三極管與其構(gòu)成達林頓驅(qū)動管，Q3為控制管，當(dāng)DY引腳為低電平同時總開關(guān)K1閉合時電源部分才能正常供電。DY為高電平時電機供電部分停止工作。U4單獨為兩個減速電機和邊刷提供5V電源，由于需要輸出較大的電流，輸入壓降又比較大，因此在輸入端加了一個分壓電阻，降低U4上的電壓，從而降低管耗。U5為MCU和傳感器電路提供穩(wěn)定的5V工作電壓。在正常開機后連續(xù)保持輸出。電源電路如圖2-2

14、所示。 圖2-2電源電路2.2 總控制電路2.2.1 STC89C52單片機簡介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MCS-51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。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)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

15、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。1)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2K字節(jié)EEPROM存儲空間。4 可直接使用串口下載。2)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，工作電

16、壓：5.5V3.3V。2 工作頻率范圍：040MHz，相當(dāng)于普通8051 的080MHz，實際工作 頻率可達48MHz。用戶應(yīng)用程序空間為8K字節(jié)。3 片上集成512 字節(jié)RAM。4 通用I/O 口（32 個），復(fù)位后為：P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)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。5 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/P3.0,TxD/P3.1）直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。6 具有EEPROM 功能。7 共3 個16 位定時器/計數(shù)器。即定時

17、器T0、T1、T2。8 外部中斷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。9 通用異步串行口（UART），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個UART。10 工作溫度范圍：-40+85（工業(yè)級）/075（商業(yè)級）。11 PDIP封裝。 3) 引腳介紹STC89C52有PDIP、PLCC、TQFP三種封裝方式，其中最常見的就是采用40Pin封裝的雙列直封裝，外形結(jié)構(gòu)下圖。芯片共有40個引腳，引腳的排列順序為從靠芯片的缺口（如圖2-3）左邊那列引腳逆時針數(shù)起，依次為1、2、3、4。40，其中芯片的1腳頂上有個凹點。在單片機的40個引腳中，電源引腳2根，

18、外接晶體振蕩器引腳2根，控制引腳4根以及4組8位可編程I/O引腳32根。VCC(Pin40)：電源輸入，接5V電源GND(Pin20)：接地線XTAL1(Pin19)：片內(nèi)振蕩電路的輸入端XTAL2(Pin20)：片內(nèi)振蕩電路的輸出端RST/VPP(Pin9)：復(fù)位引腳，引腳上出現(xiàn)2個機器周期的高電平將使單片機復(fù)位。ALE/PROG(Pin30)：地址鎖存允許信號PSEN(Pin29)：外部存儲器讀選通信號EA/VPP(Pin31)：程序存儲器的內(nèi)外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內(nèi)部程序存儲器讀指令。 STC89C5單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、

19、P2、P3口，每個口有8位（8根引腳），共32根。每一根引腳都可以編程，比如用來控制電機、交通燈、霓虹燈等，開發(fā)產(chǎn)品時就是利用這些可編程引腳來實現(xiàn)我們想要的功能，盡情發(fā)揮你的想象力吧，實現(xiàn)你想要的：） 強大無比。 PO口（Pin39Pin32）：8位雙向I/O口線，名稱為P0.0P0.7 P1口（Pin1Pin8）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P1.0P1.7 P2口（Pin21Pin28）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P2.0P2.7 P3口（Pin10Pin17）：8位準(zhǔn)雙向I/O口線，名稱為P3.0P3.7上面就是STC89C5單片機引腳的簡單介紹，其它51系列家族的單片機8031、80

20、51、89C51等引腳和89S51兼容，只是個別引腳功能定義不同。如圖5-3為51單片機的引腳分布圖。圖2-3 51單片機引腳圖2.2.2 總控制電路的設(shè)計1)I/O口定義1 P00、P01、P02、P12、P13、P14為掃地機器人防撞信號輸入引腳；2 P03、P04、P05為防跌落信號引腳；3 P10為電機電源控制型號（低電平有效）；4 P11、P12為電池電壓檢測信號輸入引腳，P11為過放檢測，P12為過充檢測；5 P23、P24、P24、P26為充電時位置檢測信號輸入引腳；6 P34、P35、P35、P35為電機驅(qū)動信號，P34、P35控制左電機正反轉(zhuǎn)，P35、P35 控制左電機正反轉(zhuǎn)

21、；7 P20為兩邊刷電機控制信號；8 P21為吸塵器電機控制信號；9 P36、P37為晶振信號輸入引腳10 REST引腳為復(fù)位信號輸入引腳 2)復(fù)位電路設(shè)計51單片機高電平復(fù)位。以當(dāng)前使用較多的STC89系列單片機來說，在復(fù)位腳加高電平2個機器周期（即24個振蕩周期）可使單片機復(fù)位。復(fù)位后，主要特征是各IO口呈現(xiàn)高電平，程序計數(shù)器從零開始執(zhí)行程序。3）復(fù)位方式有兩種：1 手動復(fù)位：按鈕按下，復(fù)位引腳得到VCC的高電平，單片機復(fù)位，按鈕松開后，單片機開始工作。2 上電復(fù)位：上電后，電容電壓不能突變，VCC通過復(fù)位電容給單片機復(fù)位腳施加 高電平5V，同時，通過電阻向電容器反向充電，使復(fù)位腳電壓逐漸

22、降低。經(jīng)一定時間后復(fù)位腳變?yōu)?V，單片機開始工作。本復(fù)位電路采用上電自動復(fù)位電路，電阻和電容的阻值根據(jù)時間常熟=RC求出電阻和電容的阻值分別為10K與10uF。復(fù)位電路如圖2-4。晶振電路設(shè)計理論上來說，振蕩頻率越高表示單片機運行速度越快，但同時對存儲器的速度和印刷電路板的要求也就越高。如同木桶原理。同時單片機性能的好壞，不僅與CPU運算速度有關(guān)，而且與存儲器的速度、外設(shè)速度等都有很大關(guān)系。根據(jù)數(shù)據(jù)手冊上STC89系列單片機最高頻率可達到40MHZ，但頻率越高就越不穩(wěn)定，最終根據(jù)數(shù)據(jù)手冊所推薦使用12MHZ，這以常見的晶振。并聯(lián)諧振電路對電容的值沒有嚴(yán)格要求，但兩個電容必須，不然會影響振蕩器的

23、穩(wěn)定、振蕩器頻率高低、起振快速性等，所以一般C1、C2選值30pF。晶振電路如圖2-4。 4)I/O電路設(shè)計P0口是雙向指的是它被用作地址/數(shù)據(jù)端口時，只有在這個時候，P0口才處于兩個開關(guān)管推挽狀態(tài)，當(dāng)兩個開關(guān)管都關(guān)閉時，才會出現(xiàn)高阻狀態(tài)。當(dāng)P0口用于一般I/O口時，內(nèi)部接VCC的那個開關(guān)管是與引腳（端口）脫離聯(lián)系的，這個時候，只有拉地的那個開關(guān)管起作用，P0口作為輸出，是必須外接上拉電阻的，不然就無法輸出高電平。因此在P0口上加上一個10K說的排阻。I/O口如圖2-4。圖2-4總控制電路2.3 防跌落電路防跌落電路用于檢測掃地機器人機身前方是否處于懸空狀態(tài)，當(dāng)出于懸空狀態(tài)時，防跌落電路會發(fā)出

24、一個低電平給CPU,CPU做出相應(yīng)的動作來控制兩個輪子的電機，使機身始終處于非懸空狀態(tài)。LM393/339是高增益,寬頻帶器件，像大多數(shù)比較器一樣,如果輸出端到輸入端有寄生電容而產(chǎn)生耦合，則很容易產(chǎn)生振蕩。這種現(xiàn)象僅僅出現(xiàn)在當(dāng)比較器改變狀態(tài)時，輸出電壓過渡的間隙，電源加旁路濾波并不能解決這個問題，標(biāo)準(zhǔn)PC板的設(shè)計對減小輸入輸出寄生電容耦合是有助的。減小輸入電阻至小于10K將減小反饋信號，而且增加甚至很小的正反饋量(滯回1.010mV)能導(dǎo)致快速轉(zhuǎn)換，使得不可能產(chǎn)生由于寄生電容引起的振蕩。除非利用滯后,否則直接插入IC并在引腳上加上電阻將引起輸入輸出在很短的轉(zhuǎn)換周期內(nèi)振蕩，如果輸入信號是脈沖波形

25、，并且上升和下降時間相當(dāng)快,則滯回將不需要。比較器的所有沒有用的引腳必須接地。 LM393/339偏置網(wǎng)絡(luò)確立了其靜態(tài)電流與電源電壓范圍 2.030V無關(guān)。通常電源不需要加旁路電容。差分輸入電壓可以大于VCC并不損壞器件。保護部分必須能阻止輸入電壓向負(fù)端超過-0.3V。LM393/339的輸出部分是集電極開路，發(fā)射極接地的 NPN輸出晶體管，可以用多集電極輸出提供。輸出負(fù)載電阻能銜接在可允許電源電壓范圍內(nèi)的任何電源電壓上,不受 VCC端電壓值的限制。此輸出能作為一個簡單的對地SPS開路(當(dāng)不用負(fù)載電阻沒被運用)，輸出部分的陷電流被可能得到的驅(qū)動和器件的值所限制。當(dāng)達到極限電流(16mA)時，輸

26、出晶體管將退出而且輸出電壓將很快上升。輸出飽和電壓被輸出晶體管大約60ohm 的SAT限制。當(dāng)負(fù)載電流很小時，輸出晶體管的低失調(diào)電壓(約1.0mV)允許輸出箝位在零電平。 本電路采用電壓比較器來比較光電對管和基準(zhǔn)電壓信號之間的關(guān)系。當(dāng)光電對管處于懸空狀態(tài)時，接收管上的阻值加大，此時R28上的電壓低于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓高于同向輸入端，因此輸出高電平。當(dāng)光電對管處于非懸空狀態(tài)時，接收管上的阻值降低，此時R28上的電壓高于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓低于同向輸入端，因此輸出低電平。調(diào)節(jié)電位器R34、R37、R38改變參考電壓，可調(diào)節(jié)光電電頭探測的距離。防跌落電路如圖2-5。圖2

27、-5防跌落電路2.4 防撞落電路防撞電路作為掃地機器人的眼睛，用于檢測前方是否有障礙物，當(dāng)前方有障礙物時，相應(yīng)的探頭所連接的電路會發(fā)出一個低電平信號給CPU，CPU做出相應(yīng)的動作來控制兩個輪子的電機，使機身始終不撞向障礙物。當(dāng)紅外線對管前方無障礙時，紅外線接收管上的阻值加大，此時R27上的電壓低于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓高于同向輸入端，因此輸出高電平。當(dāng)紅外線對管處于有障礙時，紅外線接收管上的阻值降低，此時R28上的電壓高于基準(zhǔn)電壓，電壓比較器反向輸入端電壓低于同向輸入端，因此輸出低電平。調(diào)節(jié)電位器R33、R35、R36、R7、R8、R9改變參考電壓，可探測距離。防撞電路如圖2-6。

28、 圖2-6防撞電路2.5 電源電壓檢測電路電源電壓檢測電路用于監(jiān)測電池電壓，防止電池過充和過放。當(dāng)電池充滿電后，過充電路會向CPU發(fā)出一個高電平，提醒CPU電池已經(jīng)充滿電，應(yīng)停止充電。當(dāng)電池電壓不足時，過放電路會向CPU發(fā)出一個高電平，提醒CPU電池已經(jīng)欠壓，需要充電。R41與D4構(gòu)成2.4V的參考電壓，調(diào)節(jié)R43可改變過充電壓，調(diào)節(jié)R42可改變過放電壓。每節(jié)鎳鎘電池充滿電后電壓為1.4V，因此設(shè)置過充電壓為14V，過放電壓設(shè)置為11V。電壓檢測電路如圖2-7。 圖2-7電壓檢測電路2.6 電池充電電路電池充電電路用于檢測充電座的位置和充電提示。當(dāng)掃地機器人上的紅外線接收頭接收到充電座發(fā)出的紅

29、外信號后，向CPU發(fā)出信號，CPU控制電機，調(diào)節(jié)機身位置，進入充電區(qū)。當(dāng)掃地機器人與充電座連接后，會產(chǎn)生一個信號提示CPU以開始充電。2.6.1 電池充電電路設(shè)計Q1、Q2、Q3、Q4為紅外接收頭，用于接受充電座發(fā)出的紅外信號。當(dāng)掃地機器人處于欠壓狀態(tài)時，機身經(jīng)過充電座，紅外線接收管接收到充電座發(fā)出的紅外信號，此接收管所在的電路向CPU發(fā)出一個高電平，CUP產(chǎn)生相應(yīng)的動作。當(dāng)4個接受管都接到紅外信號后，表明機身與充電座處于垂直狀態(tài)，掃地機開始向前前進。當(dāng)充電觸電與充電座接觸后，會產(chǎn)生一個低電平信號，發(fā)送給CPU掃地機已經(jīng)充電位置，關(guān)閉所有電機，進入充電狀態(tài)。防撞電路電路如圖2-8。 圖2-8

30、防撞電路2.7 電機驅(qū)動電路電機驅(qū)動電路用于驅(qū)動兩路減速電機的正反轉(zhuǎn)、兩路邊刷和一個吸塵器風(fēng)機。2.7.1電機的選擇1） 輪胎減速電機的選擇本掃地機器人使用了智能小車專用減速電力，減速比為48：1可以帶動500克的負(fù)載。電機如圖2-9所示，具體參數(shù)如表2-1。圖2-9額定電壓3V6V7.2V9V空載電流90MA100MA110120MA空載轉(zhuǎn)速4600±10%9800±10%11000±10%14800±10%負(fù)載電流150MA160MA180MA200MA負(fù)載轉(zhuǎn)速90轉(zhuǎn)/分190轉(zhuǎn)/分230轉(zhuǎn)/分300轉(zhuǎn)/分扭矩0.4kg.cm0.8kg.cm0.1k

31、g.cm1.2kg.cm表2-1 減速電機參數(shù)2） 邊刷電機的選擇邊刷電機用于帶動邊刷，將掃地機四周的灰塵聚攏至吸塵口，并不需要多大的負(fù)載能力，因此選擇了一款微型減速電機。電壓范圍：DC3V-5V；轉(zhuǎn)速80-130轉(zhuǎn)/分鐘。電機實物如圖2-10所示。圖2-103) 吸塵器電機的選擇吸塵器電機需要較大的功率，5V電壓無法帶動較大的功率，因此選擇12V,為吸塵器電機的工作電壓。經(jīng)查找資料后最終選擇12V0.29A的渦輪離心電機。電機實物圖如圖2-11所示。圖2-112.7.2電機驅(qū)動電路設(shè)計L9110是為控制和驅(qū)動電機設(shè)計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片 IC 之中，使

32、外圍器件成本降低，整機可靠性提高。該芯片有兩個 TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅(qū)動能力，每通道能通過 750800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達 1.52.0A； 同時它具有較低的輸出飽和壓降； 內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功率管的使用上安全可靠。L9110被廣泛應(yīng)用于玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動和開關(guān)功率管等電路上。管腳定義如表2-2所示。表2-2管腳定義序號符號功能1OAA路輸出管腳2VCC電源電壓3VCC電源電壓4OBB路輸出管腳5GND地線6IA

33、A路輸出管腳7IBB路輸出管腳8GND地線電氣參數(shù)如表2-3所示。表2-3 電氣參數(shù)符號參數(shù)范圍單位最小典型最大VCC電源電壓2.5612VIdd靜態(tài)電流-02uAIin操作電流200350500uAIC持續(xù)輸出電流750800850mAImax電流峰值-15002000mA邏輯關(guān)系如表2-4所示。表2-4 邏輯關(guān)系IAIBOAOBHLHLLHLHLLLLHHHH三極管ss8050是一種常用的普通三極管。 它是一種低電壓,大電流,小信號的NPN型硅三極管。它是S8050的增強版，具體參數(shù)見表2-5。表2-5參數(shù)符號測試條件最小典型最大單位集電極-基級擊穿電壓VCBOIC=100uA,IE=04

34、0V集電極-發(fā)射級擊穿電壓VCE0IC=1mA,IB=025V發(fā)射極-基級擊穿電壓VEBOIE=100uA,IC=05V集電極截至電流ICBOVCB=30V,IE=0200nA發(fā)射機截至電流IEBOVBE=4V,IC=0200nA直流電流增益hFEVCE=5V,IC=5mA85500集電極-發(fā)射極飽和電壓VCE(SET)IC=800mA,IB=80mA0.5V當(dāng)Q3、Q4、Q5的基級接收到CPU的發(fā)出的高電平后，Q3、Q4、Q5飽和導(dǎo)通，邊刷和吸塵器電機開始工作。給低電平時，三極管所控制的電機就停止工作。J4、J5接邊刷電機，J6接吸塵器電機。當(dāng)1A與1B輸入引腳為10時，電機正轉(zhuǎn)，當(dāng)輸入為0

35、1時電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)輸入為11或00時電機停止運行。C5、C6為高頻濾波電容，過濾掉電機工作時對芯片的干擾，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。J3接左輪電機，J7接右輪電機。電機驅(qū)動電路如圖2-12。圖2-12 電機驅(qū)動電路3、PCB板的設(shè)計與制作3.1 PCB板的設(shè)計PROTEL99SE對于涉及電子方面的大專生而言，是一門必修的科目。學(xué)好這門科目就大大縮短了電路板設(shè)計的時間，同時具有在線DRC檢測功能，方便而實用。本次的掃地機器人的設(shè)計從原理圖到PCB的設(shè)計都是由該軟件制作而成。主電路板包含電源電路、過充/過放檢測電路、電機驅(qū)動、防跌電路和3路防撞電（如圖3-1）。圖3-1 主板電路紅外線充電位置檢測電路如圖3-

36、1。圖3-2 紅外線檢測電路紅外線充電檢測電路圖與光電對管電路如圖3-3。圖3-3 紅外線檢測頭電路3.2 PCB板的制作1）打印電路將繪制好的電路用菲林紙打印出來，注意一定要負(fù)向輸出，一般打印兩張電路板即一張紙上打印兩張電路板。在其中選擇打印效果最好的制作線路板。菲林打印效果圖如圖3-4所示。圖3-4 菲林紙負(fù)向打印效果圖2） PCB板預(yù)處理將打印好的電路板裁剪成合適大小，用砂紙打磨覆銅板，使表面光滑無油漬。然后均勻涂上感光藍油，等藍油干燥后，在表面貼上打印好的菲林紙放，在紫外線燈下曝光6分鐘。去除菲林紙，放在顯影劑中顯影。預(yù)處理后的PCB板如圖3-5所示。圖3-5 預(yù)處理后的PCB板3）腐

37、蝕電路板先檢查一下顯影后的電路板電路是否完整，若有少數(shù)線路不完整可以用黑色油性筆修補。然后就可以腐蝕了，等線路板上暴露的銅膜完全被腐蝕掉時，將線路板從腐蝕液中取出清洗干凈，這樣一塊線路板就腐蝕好了。腐蝕液的成分為濃鹽酸、濃雙氧水、水，比例為1：2：3，在配制腐蝕液時，先放水，再加濃鹽酸、濃雙氧水，若操作時濃鹽酸、濃雙氧水或腐蝕液不小心濺到皮膚或衣物上要及時用清水清洗，由于要使用強腐蝕性溶液，操作時一定注意安全。腐蝕后的電路板如圖3-6圖3-6 腐蝕后的電路板4）電路板切割與打孔將腐蝕好的電路板用切割機切割掉無用部分。線路板上是要插入電子元件的，所以就要對線路板鉆孔了。依據(jù)電子元管腳的粗細(xì)選擇不

38、同的鉆針，在使用鉆機鉆孔時，線路板一定要按穩(wěn)，鉆機速度不能開的過慢，否則會時鉆頭斷裂。打完孔后的電路板如圖3-7所示。圖3-7 最終成品圖 4、電路焊接與調(diào)試4.1 電路焊接電路焊接依據(jù)從小到大，從低到高的原則進行焊接。在焊接的時候每個焊點焊接時間應(yīng)該在23秒之間，不得超過4秒，在焊接芯片的時候應(yīng)該增加一個IC坐，先焊IC坐在裝IC，同時得用防靜電烙鐵，以防靜電擊穿芯片。焊點要求圓潤飽滿，成倒錐型，無毛刺、虛焊、假焊。焊點如圖4-1所示。圖4-1 焊點圖4.2 防撞電路的調(diào)試依次調(diào)節(jié)R7、R8、R9、R33、R35、R36的阻值使光電探頭與障礙物的距離大約在6cm左右，此時防撞模塊會向CPU發(fā)

39、出相應(yīng)的高電平。在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)探頭2和探頭3出現(xiàn)問題，不管怎樣調(diào)節(jié)電位器R7、R8,都無法輸出一個高電平信號，跟換紅外探頭，現(xiàn)象依舊，用萬用表分別檢測接收管上的電壓值，最終發(fā)現(xiàn)，電阻阻值不對，跟換電阻后恢復(fù)正常。4.3 防跌電路的調(diào)試依次調(diào)節(jié)R34、R375、R38的阻值使光電探頭檢測范圍正好與地面的位置相同，此時防跌模塊會向發(fā)出相應(yīng)的高電平，當(dāng)有一個探頭離開地面時，相應(yīng)的輸出引腳會輸出一個低電平。在調(diào)試期間發(fā)現(xiàn)探頭出現(xiàn)問題，不管怎樣調(diào)節(jié)電位器,輸出始終是低平信號，跟換紅外探頭，問題解決。5、系統(tǒng)程序的設(shè)計5.1 C語言與匯編語言的優(yōu)缺點C語言編屬于高級語言，具有可移植性，能夠結(jié)構(gòu)化編程。使用

40、標(biāo)準(zhǔn)C語言的程序，幾乎都可以不作改變移植到不同的微機平臺上，對于嵌入式等的微控制芯片，屬于標(biāo)準(zhǔn)C語言的部分也很少需要修改，而且程序很容易讀懂。C語言編寫程序結(jié)構(gòu)清晰，移植性好，容易維護和修改。匯編語言針對不同的操作系統(tǒng)平臺，不同的微控制器，指令都是完全不同的，即使指令相似，也不具有可移植性。但是匯編語言是針對專門的控制器的，所以運行速度可以精確到一個指令周期。匯編語言的程序讀懂需要借助微控制器的指令手冊以及各個寄存器的說明，所以很難讀懂。匯編語言編寫代碼實時性強，能夠直接控制硬件的工作狀態(tài)，但是不具有可移植性，維護和修改困難。5.2 系統(tǒng)程序設(shè)計由于掃地機器人的系統(tǒng)對運行速度的要求并不高，因此

41、選擇用C語言來進行編程。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要由初始化程序、主程序、防撞子程序、防跌落程序子程序、充電尋跡子程序等子程序組成。5.2.1 程序的初始化一般的情況下是在上電的時候程序進行初始化，還有就是程序跑飛和出現(xiàn)異常時也要初始化，初始化的目的就是把所有用到的標(biāo)志位、變量回到初始值，以及引腳的分配，配置寄存器寫入需要的值，像時鐘的選擇（內(nèi)部、外部）一般在上電時就做好，以后不是特殊需要是不改動的，引腳功能的分配也是一上來就設(shè)置好，之后如果可以就不改動，如果經(jīng)常性的改可能會引發(fā)異常。5.2.2 主程序的設(shè)計系統(tǒng)初始化后就執(zhí)行主程序，進入主程序先執(zhí)行電壓檢測程序，如發(fā)現(xiàn)電池電壓不足，就執(zhí)行充電尋跡程序

42、，找到充電座后執(zhí)行充電程序，待電池充滿后返回執(zhí)行主程序。再清掃程序，如發(fā)現(xiàn)前方有障礙物，則執(zhí)行避障程序，避開障礙物后繼續(xù)執(zhí)行清掃程序；如發(fā)現(xiàn)前方地面為懸空，則執(zhí)行防跌落程序，避開懸空區(qū)后繼續(xù)執(zhí)行清掃程序。程序流程圖如圖5-1。圖5-1 主程序流程圖5.2.3 防撞程序的設(shè)計防撞程序用于控制電機正反轉(zhuǎn)從而確保機身不會撞到障礙物，從障礙物的旁邊繞開，當(dāng)探頭1前方有障礙物時，機身右轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序；探頭2前方有障礙物時，機身右轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序 ；當(dāng)探頭3前方有障礙物時，機身反轉(zhuǎn)100ms后左轉(zhuǎn)100ms壁障程序；當(dāng)探頭4前方有障礙物時，機身左轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序；當(dāng)探頭5前

43、方有障礙物時，機身左轉(zhuǎn)100ms后返回壁障程序。程序流程如圖5-2。圖5-2 防撞程序流程圖5.2.3 防跌落程序的設(shè)計防跌程序當(dāng)掃地機器人，機身下方出現(xiàn)懸空時，防跌程序起作用，使掃地機器人自動遠(yuǎn)離懸空區(qū)域。探頭1處于萬向輪前方，當(dāng)前方懸空時，掃地機器人后退100ms，再向左轉(zhuǎn)100ms后返回防跌落程序；探頭2處于左輪后方，當(dāng)后方懸空時，掃地機器人前進100ms，再向右轉(zhuǎn)100ms后返回防跌落程序；探頭3右輪后方，當(dāng)后方懸空時，掃地機器人前進100ms，再向左轉(zhuǎn)100ms后返回防跌落程序。程序流程如圖5-3所示。圖5-3 防跌落流程圖5.2.4 充電尋跡程序的設(shè)計當(dāng)電池電壓處于欠壓時，掃地機器

44、人關(guān)閉吸塵器與邊刷的電機啟用充電尋跡程序，在紅外線接收頭沒有收到充電座的紅外發(fā)射信號時，執(zhí)行防撞和防跌程序。當(dāng)接受到信號后立馬執(zhí)行充電循跡程序。此時關(guān)閉防撞功能，充電座必須要放在放在沒有障礙物的墻邊。程序流程圖，如圖5-4所示。圖5-3充電尋跡流程圖6、外殼制作6.1 有機玻璃的特性有機玻璃的特性： 高度透明性。有機玻璃是目前最優(yōu)良的高分子透明材料，透光率達到92，比玻璃的透光度高。稱為人造小太陽的太陽燈的燈管是石英做的，這是因為石英能完全透過紫外線。普通玻璃只能透過 0.6的紫外線，但有機玻璃卻能透過73。 機械強度高。有機玻璃的相對分子質(zhì)量大約為200萬，是長鏈的高分子化合物，而且形成分子

45、的鏈很柔軟，因此，有機玻璃的強度比較高，抗拉伸和抗沖擊的能力比普通玻璃高718倍。有一種經(jīng)過加熱和拉伸處理過的有機玻璃，其中的分子鏈段排列得非常有次序，使材料的韌性有顯著提高。用釘子釘進這種有機玻璃，即使釘子穿透了，有機玻璃上也不產(chǎn)生裂紋。這種有機玻璃被子彈擊穿后同樣不會破成碎片。因此，拉伸處理的有機玻璃可用作防彈玻璃，也用作軍用飛機上的座艙蓋。 重量輕。有機玻璃的密度為1.18kg/dm3，同樣大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金屬鋁（屬于輕金屬）的43。 易于加工。有機玻璃不但能用車床進行切削，鉆床進行鉆孔，而且能用丙酮、氯仿等粘結(jié)成各種形狀的器具，也能用吹塑、注射、擠出等塑料成型的方

46、法加工成大到飛機座艙蓋，小到假牙和牙托等形形色色的制品。本掃地機器人整機外殼采用3MM透明有機玻璃制作。6.1 底板制作先在30x30cm的有機玻璃上畫一個直徑為29cm的圓圈，鋼絲鋸選用最細(xì)的鋸條，沿著圓圈邊緣線慢慢切割，最終切割出一個圓盤。用打磨機將圓盤的外圈打磨至圓潤光滑。按圖6-1所示，用鋼絲鋸鋸除兩個長方形和一的橢圓的區(qū)域，用于固定輪子。圖6-1 外形圖制作后的半成品底板實物圖，如圖6-2所示。圖6-2 底板實物圖6.2 邊框制作30x30cm的有機玻璃板切成四條6x30cm的長方形，并進行拼接，制成6x120cm的長條。算出圓盤的周長為91.5cm，因為存在厚度差異，和誤差因此取長

47、度為95cm。將熱風(fēng)槍溫度調(diào)制200度左右，均勻給有機玻璃加熱，使其變軟，變軟后，將其彎成一個圓環(huán)。邊框如圖6-7所示。圖6-7 邊框的制作制作好圓環(huán)后用有機玻璃專用的膠水粘合到底板上。成品如圖6-2所示。圖6-2邊框加底板6.3 儲灰盒制作儲灰盒底層由三層構(gòu)成，地面一層為有機玻璃，上面分布著3排3mm的洞，每排6個。中間一層為過濾網(wǎng)，頂層為四條有機玻璃粘合在邊緣，起固定作用。進灰口設(shè)計為45度角，這樣做的好處為，灰進去后不會隨機器的震動而灑出來。外形尺寸為7x5x5cm的長方體。實物圖如圖6-3.圖6-3儲灰盒7、整機調(diào)試與功能介紹經(jīng)過電路設(shè)計、PCB的制作、電路板焊接、電路調(diào)試、軟件編程、

48、外觀設(shè)計、外殼制作、整機裝配等步驟后最終完成的設(shè)計如圖7-1所示。圖7-1 整機圖7.1 存在的問題與解決方案由于使用的是紅外線接收頭，太陽光中的紅外線對紅外線探頭有著非常大的干擾。在進行防撞測試時正好是中午，陽光最足，因此單片機無法做出正確的判斷，拉下窗簾后問題解決。在電池存欠壓的情況下，掃地機器人尋找充電座的時候，當(dāng)最左邊的紅外線接收頭接受到充電座發(fā)出的紅外線號后，掃地機出現(xiàn)死機的現(xiàn)象。出現(xiàn)這種問題肯定是程序出現(xiàn)了問題，經(jīng)查詢充電尋跡程序出現(xiàn)了死循環(huán)，改動程序后問題解決。當(dāng)掃地機進入充電區(qū)域后，無法正確的執(zhí)行程序所編寫的要求，始終保持在前進的狀態(tài)。出現(xiàn)這種問題有兩種的能，一種硬件電路出現(xiàn)問

49、題另一種是有子程序沒有執(zhí)行。經(jīng)拆機后發(fā)現(xiàn)充電信號線沒有接入到主板上，連接上后，開機測試，問題解決。在防跌落測試時，左右電機出現(xiàn)混亂狀況，把掃地機器人放回平地，過了一段時間后，恢復(fù)正常，因此判斷程序出錯，查看程序后發(fā)現(xiàn)把電機驅(qū)動信號弄錯，更改后問題解決。7.2 系統(tǒng)缺陷7.2.1 傳感器缺陷由于缺少元器件的關(guān)系，所有的探頭都采用紅外線光電管，因此光線對它存在著嚴(yán)重的干擾，所以此掃地機器人無法在陽光直射的地方正常使用，只能避光使用。7.2.2 電池缺陷電池容量也是一個的缺陷，此掃地機器人采用的是12V700mAH的鎳鎘電池，掃地機在全速運行的時候，最多能運行30分鐘。7.2.3 吸塵器功率缺陷由于

50、吸塵器電機最大功率只有2.5W，因此在吸灰的時候存在較大的缺陷，對于大的污物而言，比較難以吸除。7.3 功能說明本掃地機器人具有如下幾種功能:1 清掃功能。2 壁障功能。3 防跌落功能。4 自動回充功能。5 虛擬墻功能。 29基于單片機的掃地機的設(shè)計8、總結(jié)畢業(yè)設(shè)計即將結(jié)束，也就意味著我的大學(xué)生活即將結(jié)束，但在這一個學(xué)期的時間里我學(xué)到了很多知識和技能。作為一名電子專業(yè)的專科生，我在大學(xué)三年的學(xué)習(xí)生活中，系統(tǒng)地學(xué)習(xí)了電子及其相關(guān)專業(yè)的個門課程。我們的課程以數(shù)電、模電為基礎(chǔ)，進一步又學(xué)習(xí)了PLC、FPGA單片機等課程。為了更深入的理解并掌握大學(xué)所學(xué)內(nèi)容，我的畢業(yè)設(shè)計課題選擇了由顧娜老師指導(dǎo)的簡易掃

51、地機的設(shè)計。 通過這次畢業(yè)設(shè)計使我掌握了做科學(xué)的基本方法和思路，為今后的工作打下了基礎(chǔ)，下面我對整個畢業(yè)設(shè)計的過程做一下簡單的總結(jié)。第一，接到任務(wù)以后進行選題。選題是畢業(yè)設(shè)計的開端，選擇恰當(dāng)?shù)?、感興趣的題目.第二，題目確定后則是找資料了。查資料是做畢業(yè)設(shè)計的前期準(zhǔn)備工作，所以不管通過哪種方式查的資料都是有利用價值的，要一一記錄下來以備后用。 第三，通過上面的過程，已經(jīng)積累了不少資料，對所選的題目也大概有了一些了解，這一步就是在這樣一個基礎(chǔ)上，綜合已有的資料來更透徹的分析題目。 第四，有了設(shè)計方向，就要動手實現(xiàn)。編寫源代碼的時候最好是編寫一個小模塊就進行調(diào)試，這樣可以避免設(shè)計的最后出現(xiàn)太多的錯誤

52、而亂成一團糟。一步步地做下去之后，你會發(fā)現(xiàn)要做出來并不難，只不過每每做一會兒會發(fā)現(xiàn)一處錯誤要修改，就這樣在不斷的修改調(diào)試，再修改再調(diào)試。3128致 謝致 謝大學(xué)三年一晃而過，當(dāng)我回首在這大學(xué)里生活和學(xué)習(xí)的種種往事，心里面有很多的感慨，如今我即將要畢業(yè)了，也有很多的不舍和留戀。感謝我的指導(dǎo)老師，在我大學(xué)最后的論文階段，對我的論文細(xì)心指導(dǎo)，認(rèn)真修改，給了我很多意見，使我的畢業(yè)設(shè)計漸漸的規(guī)整了起來。感謝所有在大學(xué)里教過我的老師還有輔導(dǎo)員，你們循循善誘，一絲不茍的工作作風(fēng)是我學(xué)習(xí)的榜樣。還要感謝曾經(jīng)幫助過我的同學(xué)，支持和鼓勵我的朋友們，謝謝你們，讓我過了一個這么充實美好的大學(xué)生活！I參考文獻參考文獻1. 楊素行.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京: 清華大學(xué)出版社.2008年. 2. 初玲、劉國堯 數(shù)字電子技術(shù)M