掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計

新能源科學(xué)與工程掃地機(jī)的智能控制系統(tǒng)設(shè)計組員掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第1頁。01020304CONTENTS智能掃地機(jī)控制系統(tǒng)簡介采用單片微控器智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析掃地機(jī)系統(tǒng)設(shè)計掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第2頁。01智能掃地機(jī)控制系統(tǒng)簡介PartOne掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第3頁。智能掃地機(jī)控制系統(tǒng)簡介

目前，各式各樣的服務(wù)機(jī)器人越來越多應(yīng)用于人們的生活中，從事著與人們生活息息相關(guān)的服務(wù)工作，極大地提高和改善了人們的生活質(zhì)量。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人就是在這種背景下誕生的一種家庭服務(wù)機(jī)器人。室內(nèi)智能掃地機(jī)器人的路徑規(guī)劃采用區(qū)域充滿的規(guī)劃方法，目標(biāo)是在設(shè)定區(qū)域內(nèi)尋找一條從始點到終點且經(jīng)過所有可達(dá)點的連續(xù)路徑。根據(jù)建立的掃地機(jī)器人平臺，提出清掃機(jī)器人隨機(jī)運動路徑規(guī)劃算法。機(jī)器人利用其上安裝的紅外傳感器和攝像頭來識別和感知房間環(huán)境，機(jī)器人開始以螺旋運動方式覆蓋房間的空白區(qū)域，當(dāng)遇到障礙物時，啟動障礙物應(yīng)對策略，通過計算機(jī)軟件仿真和在房間環(huán)境中進(jìn)行實驗驗證了該算法的有效性。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第4頁。02采用單片微機(jī)控制器PartTwo掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第5頁。單片微控器

本設(shè)計以AT89C51單片機(jī)作為檢測和控制核心。是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)。兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第6頁。AT89C51主要性能參數(shù)1.與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容2.有4K字節(jié)可重擦寫Flash閃速存儲器3.有1000次的擦寫周期4.全靜態(tài)操作：0Hz~24MHz5.有128×8字節(jié)的內(nèi)部RAM6.有32個可編程I/O口7.有2個16位定時/計數(shù)器8.有6個中斷源9.低功率空閑和掉電模式掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第7頁。AT89C51引腳VCC：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O，也即地址/數(shù)據(jù)總線復(fù)用口。P1口：P1口是一個攜帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P2口：P2口是一個帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P3口：P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅(qū)動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第8頁。AT89C51引腳表2.1端口引腳第二功能表端口引腳第

二

功

能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2

（外中斷0）P3,3

（外中斷1）P3.4T0（定時/計數(shù)器0）P3.5T1（定時/計數(shù)器1）P3.6

（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通）P3.7

（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第9頁。03智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析PartThree掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第10頁。3智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析

該智能系統(tǒng)采用紅外傳感器、光電傳感器、接觸傳感器完成自動避障。用光電編碼器檢測電機(jī)的轉(zhuǎn)速。利用PWM技術(shù)來動態(tài)控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實現(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數(shù)據(jù)的存儲、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合最大限度地利用AT89C51單片機(jī)的全部資源。P0口用于數(shù)碼管顯示，P1口用于電動機(jī)的PWM驅(qū)動控制，P2、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)點是：充分利用了單片機(jī)的內(nèi)部資源,降低了總體設(shè)計的成本?？傁到y(tǒng)框圖下圖所示。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第11頁。掃地機(jī)各系統(tǒng)傳感器系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)紅外遙控系統(tǒng)浮動開關(guān)電路看門狗電路液晶顯示電路紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。主要用來來控制智能掃地機(jī)的清掃方式及開機(jī)與關(guān)機(jī)。浮動開關(guān)是一個安裝在輪子內(nèi)側(cè)的機(jī)械開關(guān)，輪子上有彈簧裝置，當(dāng)輪子浮起時，開關(guān)斷開掃地機(jī)停止前進(jìn)，實現(xiàn)了防跌落功能。采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機(jī)連接，編程，完成顯示時間及清掃機(jī)行進(jìn)速度的功能。3智能掃地機(jī)各系統(tǒng)分析掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第12頁。3.1傳感器系統(tǒng)內(nèi)傳感器系統(tǒng)主要用于采集系統(tǒng)自身狀態(tài)的信息,比如速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器主要有測速發(fā)電機(jī)、加速度計、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器系統(tǒng)外傳感器負(fù)責(zé)采集系統(tǒng)外部環(huán)境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。

本設(shè)計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關(guān)、三種傳感器來構(gòu)建清掃機(jī)器的傳感器系統(tǒng)。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第13頁。3.1.1測速裝置模塊

測速信號通過在電機(jī)的轉(zhuǎn)子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再利用光電開關(guān)得到電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生若干個脈沖信號，據(jù)此可以算出電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速。這種簡易的光電開關(guān)測速法成本低，性能可靠，可以在電機(jī)轉(zhuǎn)速不高，精度沒有嚴(yán)格要求的情況下使用，這種測速裝置可以構(gòu)成里程計。根據(jù)里程計的返回脈沖數(shù)可以計算出電機(jī)行走的距離，并間接得到行走速度。3.1.2碰撞檢測

碰撞檢測采用霍爾元件EW462，芯片的內(nèi)部原理框圖如圖3-4所示，芯片的工作方式如圖3-5所示。芯片的供電電壓范圍為4.5V~18V，靈敏度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為15mA。當(dāng)芯片的正上方有S極磁場時，霍爾元件輸出高電平，當(dāng)元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場極性，可以控制元件輸出信號的變化趨勢。當(dāng)極性相反時，元件在偏離磁場時為高電平，正對磁場時為低電平。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第14頁。3.1.2碰撞檢測圖3-4EW462芯片的內(nèi)部原理框圖掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第15頁。

驅(qū)動器就是驅(qū)動掃地機(jī)的動力部件，最常用的就是電機(jī)。掃地機(jī)最主要的控制量就是控制掃地機(jī)的移動，掃地機(jī)驅(qū)動器中最根本的問題就是控制電機(jī)，控制電機(jī)轉(zhuǎn)的圈數(shù)就可以控制掃地機(jī)移動的距離和方向、清掃機(jī)械的彎曲的程度或者移動的距離等。一般有專門的控制卡和控制芯片來進(jìn)行控制。有了這些控制卡和芯片，然后把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機(jī)。機(jī)器人的工作電機(jī)分為行走、吸塵和毛刷電機(jī)。清掃結(jié)構(gòu)主要使用真空吸塵器和由電機(jī)帶動的旋轉(zhuǎn)毛刷。永磁無刷電動機(jī)具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點在機(jī)器人領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。選用的輪子驅(qū)動電機(jī)即為無刷直流電機(jī)，其工作電壓是10~15V，最大工作電流0.84A，正常工作電流0.4A，有專門的換向控制引腳，高低電平控制正反轉(zhuǎn)。該電機(jī)可以由PWM信號直接驅(qū)動，3.2驅(qū)動系統(tǒng)電機(jī)用PWM控制技術(shù)所謂PWM控制技術(shù)，就是通過控制半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通與關(guān)斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達(dá)到變壓的目的。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第16頁。3.3看門狗電路系統(tǒng)看門狗電路系統(tǒng)單幾乎所有的單片機(jī)都需要復(fù)位電路，對復(fù)位電路的基本要求是：在單片機(jī)上電時能可靠復(fù)位，在下電時能防止程序亂飛導(dǎo)致EPROM中的數(shù)據(jù)被修改；另外，單片機(jī)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(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)本身的看門狗定時器(有些單片機(jī)無看門狗定時器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機(jī)系統(tǒng)還要求在掉電瞬間單片機(jī)能將重要數(shù)據(jù)保存下來，因掉電的發(fā)生往往是根隨機(jī)的，因而此類單片機(jī)系統(tǒng)需要電源監(jiān)控電路，在掉電剛發(fā)生時能告知單片機(jī)。IMP813L剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點及使用方法。

IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如圖所示，引腳功能如下：

第1腳為手動復(fù)位輸入，低電平有效；第2、3腳分別為電源和地；第4腳為電源故障輸入；第5腳為電源故障輸出；第6腳為看門狗輸入，第7腳為復(fù)位輸出，第8腳為看門狗輸出。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第17頁。3.3看門狗電路系統(tǒng)看門狗電路系統(tǒng)

IMP813L的典型應(yīng)用電路：IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖3.6所示。圖中單片機(jī)以AT89C51為例，IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機(jī)的復(fù)位腳(AT89C51的第9腳)；第6腳與單片機(jī)的P1.4相連。在軟件設(shè)計中，P1.4不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機(jī)進(jìn)入死循環(huán)，則P1.4無脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使IMP813L產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)有效復(fù)位，擺脫死循環(huán)的困境。另外，當(dāng)電源電壓低于門限值4.65V時，IMP813L也產(chǎn)生復(fù)位輸出，使單片機(jī)處于復(fù)位狀態(tài)，不執(zhí)行任何指令，直至電源電壓恢復(fù)正常，可有效防止因電源電壓較低時單片機(jī)產(chǎn)生錯誤的動作。電源故障輸入PFI通過一個電阻分壓器監(jiān)測未穩(wěn)壓的直流電源。當(dāng)PFI低于1．25V時，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進(jìn)行電源故障處理，或?qū)⒅匾獢?shù)據(jù)保存下來。把分壓器接到未穩(wěn)壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。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(fù)位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號為高電平場合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第18頁。04掃地機(jī)系統(tǒng)設(shè)計PartFour掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第19頁。4掃地機(jī)系統(tǒng)設(shè)計自動充電系統(tǒng)驅(qū)動系統(tǒng)電路總體軟件流程紅外系統(tǒng)遙控流程驅(qū)動系統(tǒng)流程清掃避障系統(tǒng)流程掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第20頁。自動充電系統(tǒng)01

自動充電是用對接充電來實現(xiàn)的，對接充電過程主要用了紅外信號，在智能吸塵機(jī)器人的左側(cè)和后面都有紅外接收器，發(fā)射傳感器則安裝在充電座上，當(dāng)內(nèi)部電源檢測到電壓低于一定值是，掃地機(jī)器人將沿墻壁尋找充電座。一般掃地機(jī)器人按右手法則尋找充電座，所以在掃地機(jī)器人貼墻的一側(cè)（選左側(cè)）和后部各裝有一個紅外接收傳感器，當(dāng)側(cè)面的一側(cè)在貼邊過程中收到紅外信號時，掃地機(jī)器人順時針旋轉(zhuǎn)90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時檢測充電座充電電壓即可確定是否已經(jīng)對接上。4.1自動充電系統(tǒng)掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第21頁。02

驅(qū)動系統(tǒng)電路包括驅(qū)動器、光電隔離模塊以及驅(qū)動器保護(hù)電路等部分。在具體電路中，由于單片機(jī)使用5V弱電，而電機(jī)的驅(qū)動電壓為12V或者更高，考慮到單片機(jī)會受到驅(qū)動部分的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制部分和驅(qū)動部分隔離開來。單片機(jī)輸出端口的電流一般只有20mA左右，不足以或者不能穩(wěn)定地驅(qū)動光電耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245來增強(qiáng)驅(qū)動能力，為光電耦合器TLP521提供合適的驅(qū)動電流。驅(qū)動器保護(hù)電路由8個高速大電流肖恩特二極管1N5822（圖中D1~D8）組成，用來消除電機(jī)在起停、制動及換向時產(chǎn)生的反電勢。

系統(tǒng)工作時，單片機(jī)P1口輸出的控制信號經(jīng)過驅(qū)動器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機(jī)驅(qū)動芯片L298N，控制電機(jī)動作。當(dāng)需要調(diào)速時只需改變PWM調(diào)速脈沖（本設(shè)計中由單片機(jī)P1.3和P1.6端口產(chǎn)生）的占空比即可，理論上可以實現(xiàn)256級調(diào)速。驅(qū)動系統(tǒng)電路4.2驅(qū)動系統(tǒng)電路掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第22頁。總體軟件流程03包括初始化整個系統(tǒng)、啟動各電路模塊、等待接收命令、啟動驅(qū)動系統(tǒng)、檢測障礙、啟動清掃避障系統(tǒng)、結(jié)束清掃等過程。(1)首先，啟動清掃機(jī)電源，使各模塊持續(xù)供電。

(2)啟動各電路模塊，啟動液晶顯示系統(tǒng)，以便顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度及運行時間。(3)當(dāng)接收到前進(jìn)指令時，啟動驅(qū)動系統(tǒng)。(4)當(dāng)遇到障礙時啟動清掃系統(tǒng)及避障系統(tǒng)，此過程是整個清掃系統(tǒng)的關(guān)鍵，此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.3總體軟件流程掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第23頁。紅外遙控系統(tǒng)流程04發(fā)射電路主程序的流程圖如圖4.3所示主程序中設(shè)置串口工作方式1和定時器T1方式2是為了發(fā)射按鍵代碼時產(chǎn)生2000b/s的波特率；定時器T0工作方式2是用來在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號。有按鍵下時產(chǎn)生外部中斷0，寄存器R5和R4中存放的數(shù)據(jù)是用來控制1min的定時時間。1min之內(nèi)無按鍵，則遙控器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。定時器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產(chǎn)生38kHz的載波信號，此信號為方波信號。外部中斷0的中斷程序用于判斷按鍵并發(fā)射按鍵代碼，同時還包括按鍵去抖動和檢查設(shè)置相關(guān)標(biāo)志位。4.4紅外遙控系統(tǒng)流程掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第24頁。驅(qū)動系統(tǒng)流程流程05首先是系統(tǒng)初始化工作,即設(shè)置寄存器、配置GPIO、定時器、A/D轉(zhuǎn)換器和外部中斷、啟動A/D轉(zhuǎn)換。然后檢測GPIO有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發(fā)出控制信號給直流電機(jī)加電。從A/D轉(zhuǎn)換器里讀取電流信號數(shù)據(jù),再通過求平均值得到電機(jī)的電流值;對輸出脈沖信號的數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換,求出基波的頻率,再根據(jù)電機(jī)的具體型號乘以一個系數(shù)得到電機(jī)的轉(zhuǎn)速。最后把測試電流和轉(zhuǎn)速送給液晶顯示系統(tǒng)顯示清掃機(jī)行進(jìn)速度,啟動總線傳輸，把測試結(jié)果傳輸?shù)絾纹瑱C(jī),以對數(shù)據(jù)進(jìn)行保存和分析。軟件流程如圖4.4所示。4.5驅(qū)動系統(tǒng)流程掃地機(jī)智能控制系統(tǒng)設(shè)計全文共27頁，當(dāng)前為第25頁。清掃避障系統(tǒng)流程06該流程是智能清掃