智能掃地機器人設計與制作說明書

智能掃地機器人設計與制作DESIGNANDMANUFACTUREOFINTELLIGENTSWEEPINGROBOT緒論1.1發(fā)展背景目前，智能掃地機成為機器人技術研究的熱門。從科學理論與技術角度來講，智能掃地機器人在服務型移動機器人領域中具有較強的代表性，體現(xiàn)了較多關鍵性技術；從目前的市場發(fā)展前景講，智能掃地機器人的誕生可以使人們從繁瑣的家務中解放雙手，降低人們的勞動強度的同時大大提高了勞動效率；家用智能掃地機器人一般用于對室內(nèi)大面的清潔，適用于家庭、圖書館、候車室以及酒店等等場合；綜上，對智能掃地機的研究不但有極大的挑戰(zhàn)，還有非常寬廣的市場發(fā)展空間。此外，對吸掃式機器人的研究開始于20世紀后期，因此智能掃地機器人是服務類移動機器人實際應用發(fā)展的先行者。隨著研究的深入，科學技術的進步，目前市場上已經(jīng)生產(chǎn)了一些類似的服務型機器人產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品促進了智能掃地機器人的發(fā)展，如吸塵器的誕生等。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前掃地機器人在海內(nèi)外發(fā)展十分迅速，飽受廣大顧客歡迎；國外的品牌有美國的IROBOT、NEATO，德國的凱馳、斐納，荷蘭的飛利浦等，其中美國iRobot和Neato掃地機器人服務類機器人的代表產(chǎn)品；國內(nèi)的品牌有科沃斯、海爾、TCL等，其中臺灣Proscenic也是比較熱門的品牌。各品牌產(chǎn)品如圖1-1和1-2所示；圖1-1RC300和充電站圖1-2iRobot公司的Roomba和dirtdog從20世紀后期至今，智能掃地機器人作為服務類機器人的新一代產(chǎn)品已經(jīng)取得了一定的成果，但仍然存在一些關鍵的技術尚未成熟，如掃地機器人的行走路線設計便是其中的一項非常重要且尚未成熟的技術。目前市場上的不同品牌的掃地機器人所具有的功能也各不同，如有的機器人可以在地面上隨意行走，有的品牌機器人則可以在有限的小范圍內(nèi)按照一定的路徑行走(不能全部覆蓋)。通過市場反饋發(fā)現(xiàn)，雖然有些公司推出了一些樣機或產(chǎn)品，但效果卻不能令人滿意，如清掃效率低，遍歷時間長等。隨著當代科學技術的進步和社會的發(fā)展，人們越來越希望有效降低勞動力并從繁瑣的日常事務中擺脫出來，這就使得自主性高的智能掃地機器人進入各家各戶成為可能。如若智能掃地機具有較好的性價比智能掃地機的前景自然將會被認可。目前市場上智能掃地機主要為吸掃式，這種方式掃地機具有效率高，功耗低，運行平穩(wěn)等優(yōu)點，使其成為目前世界市場上使用最多的一款清掃機種類；這種吸掃式掃地機器人的清掃部分通常由邊刷和邊刷電機、風機和儲灰盒等部分組成，其中使用邊刷清掃有效增大了清掃范圍以及有利于對角落的清掃；邊刷將側面的雜物帶動到風機的工作區(qū)域內(nèi)，然后再通過風機旋轉產(chǎn)生的吸力將雜物吸到儲灰盒內(nèi)，從而完成清掃工作。這種類型智能掃地機的主要工作是對室內(nèi)地面的清潔，特別是對雜物、灰塵、毛發(fā)等清掃且其清掃效果非常好。智能掃地機的誕生不但帶動了社會的經(jīng)濟發(fā)展，還為社會帶來了十分明顯的社會效益。1.3研究的目的和意義人類在機器人方面的研究已經(jīng)取得巨大的進步，打開了時代的大門。中國的發(fā)展如雨后春筍，相信在未來的10幾年內(nèi)機器人將融進人類的日常生活中，機器人將會像電腦和手機一樣成為人們生活的必須品。從實用角度來看，機器人大致可分為娛樂型、服務型以及制造型機器人等等。本文要研究的智能掃地機便屬于服務型。智能掃地機具有省時、省力，安全可靠等優(yōu)點；整個工作過程中不需要人們的干預，從而降低人們的勞動強度；另外智能掃地機比普通吸塵器的噪音要小，工作過程能夠有效避免噪音的滋擾；高端的掃地機還具有清潔空氣等功能，內(nèi)部放置的活性炭能夠吸收空氣中污染氣體，清潔效率極高；智能掃地體積小，質量輕且功率小，能夠從容地清掃一般吸塵器無法清潔的邊角。綜上所述，智能掃地機具有使用方便，自主性高、性能穩(wěn)定、工作效率高等特點。1.4本課題的主要研究內(nèi)容本課題設計的智能掃地機包括方案總體設計、機械部分方案設計、硬件部分方案設計以及軟件部分方案設計。主要工作如下：（1）根據(jù)任務書對智能掃地機器人的要求，對所應該實現(xiàn)的功能進行系統(tǒng)分析，確定本設計總體方案。（2）智能掃地機的機械部分方案設計，其中包括掃地機的行走機構和吸掃機構；（3）硬件電路方案設計，包括掃地機的主控電路設計、驅動電路設計、傳感器電路設計、電源電路設計，遙控電路設計等；（4）根據(jù)對應的硬件電路，設計系統(tǒng)程序；畫出整個系統(tǒng)的軟件程序綜框圖，包括主程序、初始化程序、延時程序、藍牙遙控程序、紅外避障程序、防跌落程序、自動清掃模式程序以及電機驅動程序（5）將編寫好的軟件程序進行調(diào)試；根據(jù)實物現(xiàn)象，調(diào)試程序，直到實現(xiàn)所需要的功能。

2智能掃地機器人整體方案設計本課題設計的是一款集電機學、智能檢測學、電工電子學、單片機學，計算機學等于一體的智能掃地機。其主要實現(xiàn)的功能是智能掃地機器人既可以在一個沒有人干預的環(huán)境下完成房間地面的清掃工作，也可以在人為的控制作用下完成清掃工作。本文設計的智能掃地機具智能充電，紅外避障以及防墜落等功能；用戶可還以通過藍牙芯片對智能掃地機器人進行無線遙控，控制清掃路徑及在電量不足時控制其停止工作并返回充電座進行充電。本智能掃地機設計方案如圖2-1所示，主要由3部分組成：機械方案設計、硬件控制系統(tǒng)方案設計、軟件方案設計。其中機械設計部分包括智能掃地機的行走機構設計和吸掃機構設計；硬件控制系統(tǒng)設計包括控制系統(tǒng)設計、電機控制電路設計、傳感器方案設計以及系統(tǒng)電源方案設計。對于機械設計中的行走部分設計，市場有四輪結構和三輪結構，其中三輪機構占多數(shù)。本設計主要采用的是三輪結構，由雙輪電機通過齒輪減速箱驅動的左右雙驅動輪和一個從動萬向輪；對于吸掃機構設計，智能掃地機器人主要由離心風機和邊刷電機組成，其功率的大小決定了智能掃地機器人的吸掃效率。驅動電機、渦輪離心風機以及邊刷電機都將采用直流電機；電路控制系統(tǒng)中的主控系統(tǒng)部分使用單片機控制，包括對執(zhí)行電機的控制，以及對傳感器的響應等；傳感器部分主要為了保障機器人能夠安全工作，實現(xiàn)對障礙物的避障。由于各個器件所需要的工作電壓不同，電源電路部分就是使為了實現(xiàn)對各個用電器件進行供電，保證其工作在額定電壓內(nèi)，使機器正常工作。軟件設計部分目的是通過程序實現(xiàn)對各電機，傳感器等的控制。圖2-1智能掃地機方案設計圖2.1機械部分方案設計智能掃地機的機械部分包括底板部分、行走部分、吸掃部分和充電座；底盤為了有一定的硬度，保證整體機構不會變形，采用PVC硬質板。行走機構包括直流驅動電機、小型減速箱、驅動輪以及萬向從動輪；吸掃機構由離心風機、邊刷電機、毛邊刷以及儲灰盒。直流電動機憑借效率高，功率大，運行平穩(wěn)等顯著優(yōu)點，被廣泛應用于器人領域；另外，直流電機具有較好的可調(diào)速性，它可以通過電子開關變化轉向，通過PWM進行脈沖調(diào)速，此外，較高的使用壽命；因此，本設計的驅動部分采用直流電機。電機調(diào)速可以通過單片機I/0口模擬脈沖信號的方法實現(xiàn)。本課題將選用單片機I/0口程序模擬脈沖信號的方法對電機進行調(diào)速控制。風機和帶動毛刷的邊刷電機全部采用直流電機，由于只需要控制電機的通斷，所以采用利用晶體管的開關特性實現(xiàn)對其控制。2.2控制系統(tǒng)方案設計本方案設計大致可分為主控系統(tǒng)方案設計、驅動電路方案設計、傳感器方案設計和電源電路方案設計。總框圖如下圖2-2所示；圖2-2控制系統(tǒng)方案設計框圖2.2.1主控系統(tǒng)方案設計根據(jù)掃地機器人要實現(xiàn)的各個功能，主控器既要方便地執(zhí)行各個子系統(tǒng)，又要響應各傳感器輸入的數(shù)據(jù)。因而主控器需要有多個中斷源和輸入輸出接口，同時較大程序存儲內(nèi)存，保證程序在掉電情況不會丟失。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸，主控系統(tǒng)還有支持串口數(shù)據(jù)通訊。由于STC單片機性能可靠，使用簡單，在各個領域使用較多。因此選用STC51單片機，其足夠存儲空間，可以滿足算法的需求，而且可以制作成本；此系列的MCU正常工作電壓為5V。采用12MHz的晶振頻率，其功率消耗非常小。單片機可以讀取外圍的傳感器設備的輸入數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)系統(tǒng)的避障，溫度采集等功能。2.2.2驅動電路方案設計電機的控制電路是為了使掃地機具有控制電機的轉向，調(diào)速等功能；整個系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用單片機，單片機的I/O口的輸出電壓是5V，為了便于直接通過單片機對電機的正反轉，調(diào)速等實現(xiàn)控制，本設計采用L298N作為電機的控制模塊。此芯片功耗低，可控性好，散熱性能好，支持PWM進行脈沖調(diào)速。此芯片可以同時驅動兩臺直流電機。由于邊刷電機和風機只需要控制他們的啟動和停止，所以利用三極管的開關特性和繼電器設計電路實現(xiàn)對其的控制。2.2.3傳感器方案設計傳感器是人類器官的拓展，是人們研究自然和利用自然種種現(xiàn)象的方式方法。傳感器的使用范圍和能力甚至遠遠超過人類；傳感器一般可以把非電信號變換為電信號，因此其一般由三個部分組成。傳感器按照被測量大致可分為溫度、電壓、濕度、距離、壓力傳感器等等。選用的傳感器類型取決于掃地機器人要實現(xiàn)的功能和對工作性能的要求。一般對傳感器的要求有：（1）較高的靈敏度；較高的靈敏度可以在輸入量很小時，有較大的輸出量。（2）較高的分辨率。指傳感器引起輸出量產(chǎn)生可觀測的微小變化所需要最小△X。較高分辨率傳感器可以檢測量更加準確，保證數(shù)據(jù)精度。（3）較高的重復性和線性度；在線性度和重復性較高的情況下了，可以更加方便處理數(shù)據(jù)，同時可以降低數(shù)據(jù)誤差。（4）較好的抗干擾能力和穩(wěn)定性；機器人的工作環(huán)境是變化的，所以在不同的環(huán)境中保證其正常工作時就要求傳感器不會受環(huán)境的影響。躲避障礙物是家用掃地機的必備功能；由于室內(nèi)環(huán)境復雜，為了能夠保證機器人在沒有人干預的情況下自主完成室內(nèi)的清掃工作，機器人就必須能夠識別障礙物并躲避。目前廣泛使用的類型可分為兩大類；一種是碰摸式，另一種是非碰摸式。碰摸式傳感器有碰撞傳感器，其主要是當碰撞時將產(chǎn)生的力傳遞到壓力開關上，以此作為輸入信號，其優(yōu)點是靈敏度高但是沖擊力大，要緩解力的作用，機械設計部分會復雜很多。非觸碰式有紅外傳感器，其可以使得掃地機與障礙物間接碰觸。為了使掃地機能夠穩(wěn)定工作，就必須保證兩個輪子速度相同。這樣就必須用到測速傳感器。本設計中采用光電編碼式傳感器，這件不僅可以測量機器人的速度，還可以測量出機器人移動的距離。2.2.4電源電路方案設計為了使掃地機器人在一次充電后有一定的工作時間，本設計采用鎳氫電池，這種電池耐過充過放，具有較強的速放電能力，使用較安全，而且相對于其他電池經(jīng)濟性更強。此外這種材料的電池不含有毒材料，可以避免對大氣造成危害。由于智能到底機器人一般是工作在室內(nèi)，而鎳氫電池可適應的溫度范圍是0-45℃。綜上合理選擇鎳氫電池。(1）采用的鎳氫電池輸出電壓為9V，而單片機的工作電壓為5V左右，所以在整個系統(tǒng)中要采用變壓電路。本設計將采用7805降壓模塊，穩(wěn)定輸出電壓為5V。(2）為了使智能掃地機器人能夠實現(xiàn)自動返回充電功能，系統(tǒng)要對電源電壓進行檢測，當電池電量不足時，智能掃地機執(zhí)行返回充電程序。本設計將通過A/D模塊對電池實施檢測。(3）本設計將通過機械式對智能掃地機進行充電；在充電站上布有兩根平行的直線電極，掃地機尾端同樣配置2根正負金屬電極。通過紅外對光管實現(xiàn)兩者的充電對接。2.3軟件方案設計因為對掃地機移動速度和精度不需要太嚴格，所以在本設計中選擇用C編寫程序實現(xiàn)軟件功能。將在KEILL軟件平臺上使用C語言進行編程；用C編寫的程序便于理解、編寫簡單，且有較高的可轉移性以及可實現(xiàn)模塊化編寫程序。C語言的高可移植性是指在不同平臺上編寫的C語言程序能夠在不修改的情況下移植到不同的平臺上使用。本設計的軟件方案主要包括主系統(tǒng)、初始化、延時、藍牙遙控、紅外避障、自動清掃以及電機控制程序等。

3機械部分設計3.1行走機構行走機構如圖3-1所示，采用輪式結構；其中左右兩個驅動輪由可調(diào)速的直流電機控制，轉向輪可任意方向轉動，便于機器人在行走過程中改變方向。圖3-1行走機構直流電機具有調(diào)速區(qū)域大，速度便于調(diào)節(jié)，啟動、停止轉矩大、容易驅動，穩(wěn)定性能好等特點。掃地機器人的工作主要是對室內(nèi)地面的清掃，為了防止機器人在工作時打滑，無法有效完成工作，本設計將采用的橡膠防滑輪。減速電機如圖3-2所示；減速電機的具體參數(shù)如表3-1所示。速度計算公式見式(3.1)圖3-2直流減速電機表3-1減速電機參數(shù)額定電壓3V6V7.2V9V空載電流≤80MA≤100MA≤110MA≤120MA空載電流4600±10%9800±10%11000±10%14800±10%負載電流≤150MA≤160MA≤180MA≤200MA負載轉速80轉/分180轉/分220轉/分290轉/分扭矩0.4kg.cm0.8kg.cm1.0kg.cm1.2kg.cm電機轉速公式如式3.1所示：式(3.1)式中：U——為電樞端電壓；I——為電樞電流；R——為電樞總電阻；——為每極磁通量；K——為直流電動機的性能參數(shù)。從上式中可得，n和電壓、電流相關，此外可以被控制的量只有U和I，那么便可以利用改變U和I的大小進行調(diào)速。事實上，可以調(diào)整電壓的值來調(diào)整I的值，通常使用PWM產(chǎn)生電壓波形進行速度調(diào)整。本設計中將采用單片機I/O模擬PWM脈沖信號對電機實現(xiàn)轉速控制。脈沖占空比將決定電機的平均功率，因此實現(xiàn)了電機轉速值的控制。通過計算，市場數(shù)據(jù)采集和已有產(chǎn)品的分析，本設計的電機采用智能小車專用減速電機，額定電壓為9V,額定電流為18mA,額定轉速為300轉/分鐘，減速比48:1，可以帶動1.2kg的負載。3.2吸掃機構智能掃地機的吸掃機構包括邊刷電機和邊刷、風機以及儲灰盒。邊刷電機和離心風機都是直流電機，只是所需要的電機功率不同，因此需要的驅動電流也有差異。（1）由于掃地機器人使工作在室內(nèi)，在保證具有足夠風力的同時，還必須保證機器人有較低的噪音。綜上，本設計采用的渦輪離心風機工作電壓為12V，額定電流為1.2A，噪音為50dB-A，尺寸為120*120*32mm。渦輪離心風機如圖3-3所示。圖3-3渦輪離心風機（2）邊刷電機的作用時使邊刷轉動，然后將地面的雜物清掃到吸風口處；邊刷質量很輕，不必較大的驅動力，所以使用一個小功率的電機。當電壓為3V時，最大轉速為80轉/分鐘；當電壓為5V時，電機最大轉速為150轉/分鐘。3.3底盤設計底盤是智能掃地機器人的基架；底盤需要具有一定的硬度及考慮到材料對環(huán)境的污染，本設計采用PVC材質的3mm硬紙板。此外，根據(jù)已經(jīng)確定的器件尺寸，將機器底盤尺寸設計為直徑400mm的圓。設計如圖3-4所示；圖3-4底盤設計3.4充電座設計智能掃地機的后端裝有正負金屬電極，便于掃地機在電壓不足時進行對接充電。將兩條正負平行電極裝在充電站上，當掃地機上的兩個電極與這對電極接觸時便可以對電池實施充電。智能掃地機的左側和后端裝配有兩個信號接收探頭，各個信號接收器能夠接收一定區(qū)域內(nèi)的發(fā)射信號。充電座上裝有一個信號發(fā)射探頭，一直發(fā)出信號便于智能掃地機尋找到充電位置。設定清潔機器人在自主尋找充電站時機器人將按照順時針方向行進，這樣左側的紅外傳感器將先檢測到信號，掃地機將順時回轉270°，旋轉后其后端的紅外傳感器將檢測到來自充電站的紅外信號，同時智能掃地機靠近充電站直到尾端上的兩個金屬電極和充電站上的充電電極接到一起；充電座設計如圖3-5所示。圖3-5充電站系統(tǒng)組成示意圖

4硬件部分設計整個硬件控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、電機控制電路、傳感器、電源電路組成。4.1主控系統(tǒng)設計51系列的單片機被應用于控制領域時間非常早，使用它作為主控開發(fā)的產(chǎn)品又非常多，這為我們在編程時提供了非常寶貴經(jīng)驗。此外，52單片機還擁有損耗低、性能高、價格低廉等特點。因此本設計將使用STC公司的89C52作為MCU。4.1.1STC89C52單片機簡介STC89C52是STC公司生產(chǎn)的低電壓，性能穩(wěn)定的八位機，其片內(nèi)配置有8KB的可重復擦除1000次ROM和256字節(jié)的RAM；該芯片的密度極高、還能夠和MCS-51指令集相互兼容。芯片內(nèi)部還配置有8位CPU和可擦除內(nèi)存單元。STC89C52單片機功能強大，適用范圍廣。（1）主要特點片內(nèi)只讀程序存儲器可擦寫1000次；晶振支持頻率范圍：0Hz-40Hz；可對程序進行三級加密內(nèi)存；3個16位定時/計數(shù)器。即定時器T0、T1、T2；52單片機具有6個中斷源（T0，T1，T2，INT0,INT1）；支持全UART功能，可通過定時器軟件編程實現(xiàn)多個UART；具有兩種省電模式：空閑模式和掉電模式；內(nèi)部具有看門狗定時器。支持ISP/IAP，可以不使用專門的編程器和仿真器；（2）參數(shù)此MCU的12個振蕩周期構成一個機器周期；可承受溫度值：-40～+85℃；采用40PDIP封裝。4.1.2單片機引腳介紹單片機根據(jù)封裝的不同包括PDIP，PLCC和PTQFP；51系列單片機為第一種，兩列的PDIP封裝，引腳圖如圖4-1；圖4-1STC52單片機引腳圖如圖所示，STC89C52芯片共有40個引腳，其中芯片的1腳頂上有個凹點，這40個引腳分別為外電源引腳有2個(VCC,GND)，外接晶體振蕩器引腳2個(XTAL1，XTAL2)，控制引腳4個(RST,EA,PROG/ALE,PSEN)以及4組8位可編程I/O引腳32根(P0，P1，P2，P3)。第40引腳（VCC）：電源輸入引腳，接+5V電壓；第20引腳(GND)：接電源負極引腳；第19引腳(XTAL1)：接晶振一端；第18引腳（XTAL2）：振蕩電路的輸出端，接晶振另一端；第9引腳（RST）：MCU將自動恢復到初始狀態(tài)引腳；第30引腳（ALE/PROG）：當外部拓展ROM/RAM時用做鎖存控制引腳；第29引腳（PSEN）：外部存儲器讀選通信號端，外部拓展程序存儲器時使用；第31引腳（EA/VPP)：當此引腳與GND相連接時，CPU將從外擴的ROM讀取程序；此引腳與VCC相連接時，CPU將從內(nèi)部ROM讀取程序。此外，STC89C5單片機有4組8位的可編程I/O口，分別位P0、P1、P2、P3口，每組共有8個PIN，全部芯片共32根。以下介紹各I/O口；P0口：P0可以作為輸入輸出口使用外，還可以作為DB/AB總線使用；作AB總線低8位使用；一般在使用時為了提高驅動能力需要外接10K上拉電阻；P1口：作輸入輸出口使用，能夠一次性帶動四個TTL邏輯電路。P2口：可作為輸入輸出口使用外，還可以復用作高八位AB總線使用，一次能夠帶動四個TTL電路。P3口：可作為輸入輸出口使用；P3口一次同樣能夠帶動四個TTL電路。此外,P3口各個引腳還具有其他功能，如表4-1所示：表4-1P3口引腳與復用功能P3.0RXD(串口輸入口)P3.1TXD（串口輸出口）P3.2INT0(外部中斷0)P3.3INT1(外部中斷1)P3.4T0(定時器0)P3.5T1(定時器1)P3.6WR(拓展RAM寫控制引腳)P3.7RD(拓展RAM讀控制引腳)4.1.3單片機電路設計（1）I/O設計P00、P01作為兩邊刷電機控制信號端；P02作為渦輪離心風機的控制信號端；P03、P04作為智能掃地機器人的工作模式選擇按鍵輸入信號端；P20、P21、P26、P27作為四路紅外傳感器的信號采集端；P22、P23、P24、P25作為兩驅動電機正反轉的控制信號端；P30、P31作P3的復用功能用，P30作為藍牙模塊的信號輸入端，P31作為藍牙模塊的信號輸出端；REST引腳為復位信號輸入引腳；EA接VCC時，MCU將從內(nèi)部ROM讀取指令。（2）復位電路及最小系統(tǒng)設計51單片機高電平復位。復位是指MCU配置恢復到原始狀態(tài)；復位后CPU將從ROM的第一個單元讀取并執(zhí)行指令。就本設計采用的51MCU來看，當RST引腳上出現(xiàn)連續(xù)的12個狀態(tài)周期的高電平時，MCU將自動恢復到初始狀態(tài)。復位方式有兩種：手動復位：手動操作時，復位引腳將于VCC相連得到12個狀態(tài)周期以上的高電平，MCU將自動恢復到原始狀態(tài)；當按鈕松開后，單片機從0000H讀取程序開始工作。上電復位：給單片機上電瞬間，電源對電容進行充電，這就相當于電容被導通；此時，電源正極通過一個30uF的電容和MCU的RST引腳接通，將RST處于高電壓；此外，串聯(lián)的電阻與地連接對電容進行放電，由于電荷的流失RST引腳將被拉低。一段時間之后RST引腳與GND連接，MCU將重新進行運行。晶振電路人的心臟，具有起振作用。從理論上分析，當設置的頻率越大時，CPU處理指令的速度將越高效，以此同時，這就要求ROM/RAM具有較高的的處理速度以及對PCB的制作要求也更嚴格。MCU處理指令性能的優(yōu)劣不僅與CPU的運行頻率相關聯(lián)，而且與RAM/ROM的運行頻率、以及其他外部拓展設備等的速度都密切相關。STC89系列最高頻率可達到40MHZ，雖然從理論上講選擇的頻率越高，MCU的運行指令的速度便也越高，但同時MCU的穩(wěn)定性也較差；根據(jù)STC89C52的數(shù)據(jù)手冊可得其最適合使用的頻率為11.0592MHZ，這是常用的晶振頻率。雖然對電容的大小沒有具體的設計標準，但是這兩個電容的大小就一定要相等，否則這將干擾到振蕩器電路的可靠性以及振蕩器的開始振動的速度特性等等，因此，在設計51系列MCU晶振電路時一般C1、C2選值30uF；單片機的最小系統(tǒng)如圖4-2所示。圖4-2單片機最小系統(tǒng)4.1.4藍牙遙控設計智能掃地機器人需要實現(xiàn)自動清掃模式和可人工遙控模式，其中自動清掃模式可通過設置程序實現(xiàn)；對于遙控模式，本設計采用藍牙模塊實現(xiàn)遙控功能。人們可以在手機上安裝藍牙應用程序，然后利用藍牙構成連接以達到控制掃地機器人的目的。本設計采用HC-05藍牙串口通訊模塊；此模塊具有通訊范圍廣，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，最主要的是此模塊可直接與單片機相連，與手機進行通訊；因此用戶無需使用專門的控制器，利用手機即可控制智能掃地機。值得應該注意的是，需要將BCM模塊的串口發(fā)送引腳要和MCU的串口接收引腳連接起來，同樣BCM模塊的串口接收引腳要和MCU的串口發(fā)送引腳連接起來；這是因為藍牙模塊從TXD發(fā)送的數(shù)據(jù)由單片機接收；其應用電路如圖4-3所示圖4-3藍牙模塊電路圖（1）引腳定義及接線方法：VCC:電源正輸入引腳，接+5V電源；GND:和電源GND相連；RXD:串口數(shù)據(jù)接收引腳；此引腳接單片機的發(fā)送端TXD；TXD:串口數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；此引腳接單片機的接收端RXD；EN:開關控制端；需要開啟自動模式時需要和電源+5V相連接；（2）參數(shù)：PCB尺寸:37.3mm(長)*15.5mm(寬)；重量:3.5g；輸入電壓:3.6V--6V,禁止超過7V；帶有電源接反時防止燒掉功能；電源接反時模塊將不工作；引出6個腳:EN/VCC/GND/RXD/TXD/STATE；帶有LED運行狀態(tài)指示燈；LED快閃時表示芯片與MCU沒有實現(xiàn)連接；LED間隔閃爍時表示模塊開啟命令等待模式，連接成功；模塊上載有穩(wěn)定5V輸出的芯片,輸入的電壓值范圍為4.5伏-5.5伏;當模塊未連接成功時,電路I大致為28毫安，由于發(fā)光二極管閃爍，此電路I不穩(wěn)定；當配對成功后,電流在10mA上下波動；輸入電壓為5V,能夠與51MCU的串口RXD/TXD引腳直接相連,但不可以和MAX232芯片的引腳相連；空曠地帶有效傳輸距離10米；初始設置的波特率為4800，初始化的連接密碼是4567、初始化使用的的用戶名為LANYA-00；帶透明熱縮管保護；4.2電機驅動電路設計控制電動機的電路設計主要是為了控制電機的開啟關閉以及轉動方向；本設計采用L298N，即雙H橋電機驅動模塊；4.2.1L289N驅動模塊簡介該芯片采用15引腳封裝。其主要具有驅動電壓大，輸入電流小，正常工作的功率20W等特點；此外模塊配置有2個大功率的H橋驅動芯片，這有利于控制功率較大的電機以及線圈等負載；L298模塊還可以通過標準的TTL信號控制，其具有兩個控制使能（ENA,ENB）；一個電機控制模塊可以控制兩個直流電機，并支持PWM技術，可通過程序實現(xiàn)對電機進行調(diào)速。4.2.2引腳及其運用L298N共有15個端口引腳，其中VSS引腳支持規(guī)范的TTL信號，可接電壓范圍為5V～6.5V，在本設計中將此引腳和5V電源正極相連；4腳VS直接電源電壓正，可接受電壓范圍為＋2．5～46V，在本設計中接9V電壓，此時輸出的最大電流為1.5安培，能夠驅動電感性負載。此模塊可同時驅動2個直流電機，引腳中的OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4可分別接兩個電動機的正負極；IN1和IN2端口接MCU的P22,P23，用于控制電機1的正反轉；IN3和IN4腳接MCU的P24，P25端口，用于控制電機2的正反轉；這四個引腳可輸入PWM脈沖對電機進行速度調(diào)制，如通過單片機I/O給IN3輸入一個PWM脈沖，然后給IN4通過單片機輸入IN3相反的PWM脈沖，此時電機將正轉；當然產(chǎn)生PWM脈沖的方法有很多，但這里建議使用單片機I/O通過程序模擬設置較為方便簡單，這樣可以減少硬件電路的設計與焊接，盡可能避免出現(xiàn)更多問題。如果想要實現(xiàn)電機轉速方向轉換，那么為IN3、IN4輸入正好相反PWM就可以完成；EA、EB端口為開關引腳端口，控制電機是否可以工作；使能端接電源負極時，電機將終止工作。其引腳及單片機連接如下圖4-4所示；其邏輯關系如表4-2所示。圖4-4引腳及連線圖表4-2邏輯關系表直流電機旋轉方式IN1IN2IN3IN4控制使能信號ENAENBM1正轉10//1/反轉01//1/停止00//1/M2正轉//10/1反轉//01/1停止//00/1本設計采用PWM對電機進行調(diào)速；產(chǎn)生PWM信號常用的3種方法如下：PWM信號發(fā)生器；此方式利用硬件電路生成PWM信號；這種方法早期使用較多，但其可靠性較低；軟件程序產(chǎn)生；利用MCU的I/O端口，利用程序對該端口輸出電壓信號來仿真脈沖信號；利用單片機片內(nèi)的PWM口；目前新產(chǎn)生的單片機很多都具有PWM脈沖調(diào)制調(diào)速功能；這種方式適用于對直流電機的轉速控制，特點是簡單、穩(wěn)定。本設計采取第三種通過MCU的I/O口產(chǎn)生脈沖信號對電機進行調(diào)速。4.2.3風機及邊刷電機控制電路設計由于機器人的風機及邊刷電機只需要實現(xiàn)控制其開啟與關閉，正反轉不予考慮，因此，在電路設計時只需要設計實現(xiàn)其開關功能。（1)風機的控制電路設計本設計使用1路5V低電平觸發(fā)繼電器控制風機的開關。其工作原理如下:當P02為“0”時，集體管飽合，為導通狀態(tài)，此時LED亮，繼電器的線圈通電，產(chǎn)生電流，由電磁效應可得有磁場產(chǎn)生，在磁場的作用下將使繼電器的常開觸點閉合，從而電機電路導通，電機開始工作；當P02為“1”時，晶體管處于截止狀態(tài)，此時LED熄滅，繼電器線圈不得電，從而無磁場產(chǎn)生，常開觸點無法閉合，因此，電機無法工作；因此利用晶體管的開關特性，當發(fā)射結，集電結都正向偏置時，晶體管飽合；當發(fā)射結，集電結都反向偏置時，晶體管截止，即可通過單片機控制基極來控制電機的開關。此繼電器一般分為兩路，分別為低電壓電路和高電壓電路。電路如圖4-5所示；圖4-5繼電器控制電路（2）邊刷電機的控制電路設計邊刷電機同風機控制電路一樣，只要實現(xiàn)開關控制；本部分設計同樣采用三極管實現(xiàn)開關控制。其控制電路如圖4-6所示；圖4-6邊刷電機控制電路此邊刷電機的控制方法同風機的相同，D02口接單片機P00口即可。注意：此電路基極處必須串聯(lián)個大小為1K電阻，用來保護基極和 MCU的I/0口；本電路中使用的PNP必須使用上拉電阻，增強驅動能力；集電極電阻阻值根據(jù)驅動電流實際情況調(diào)整。同樣基極電阻也可以根據(jù)實際情況調(diào)整。為了提高晶體管的穩(wěn)定性使晶體管截止時更加可靠，晶體管基極必須有輸入不能懸空；當輸入信號不確定時必須加加下拉電阻使得基極有效接地。4.3傳感器部分設計4.3.1測速裝置模塊本設計中測速裝置采用光電式測速編碼器。這種測速裝置主要由編碼盤、光電開關等組成；將帶有黑白條紋的圓盤裝在電動機的轉子上，當電機轉動時將帶動編碼盤一起轉動；然后利用光電開關產(chǎn)生一個電壓脈沖信號；通過MCU對這個信號進行頻率，幅值等數(shù)據(jù)測量便可以計算出電機的轉動速度。這種利用光電開關和編碼盤測速的傳感器具有價格低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點；當被測電機轉速較低且被測量的速度精度要求也較低時可以采用這種類型的裝置進行速度檢測；此外，此裝置還能配置成里程表裝置，通過單片機檢測光電開關回饋的電壓脈沖信號便能計算出機器人移動位移，同時間接得到機器人的速度值。4.3.2紅外避障裝置模塊本設計使用四路紅外避障傳感器模塊；這種紅外傳感器對光線具有很強的適應能力，且具有可調(diào)性強、性能穩(wěn)定、靈敏度高、干擾小、便于裝配、使用方便等特點。此裝置具有四路探頭，每路探頭配有信號發(fā)射管和信號接收管；發(fā)射管可發(fā)射出一定周期和幅值的紅外線，一旦探測到前方存在障礙物時，信號就會被障礙物面反射，同時信號被接收管探測到；經(jīng)過電壓比較器處理之后便可輸出高低電壓(有信號返回時，電壓輸出“1”；沒有信號返回時，電壓輸出“0”)，MCU便可以通過對輸出端口讀取信號并判斷是不是存在障礙物；此類型傳感器應用范圍廣，如一般用于機器、智能小車等眾多場合。（1)模塊參數(shù)當模塊探測到前方障礙物信號時，電路板上紅色指示燈點亮。通過調(diào)節(jié)電位器的角度，此裝置檢測距離將變少。此裝置的檢測方式是利用信號的反射探測理論；因此，此傳感器具有局限性，如探測距離有限，當障礙物為黑色物體時，由于紅外線無法反射回被接收，由此無法檢測黑色障礙物。連接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。比較器采用LM339，工作穩(wěn)定。可采用3.3V-5V直流電源對模塊進行供電。具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝。尺寸大小（長×寬×高）：中控板42mm×38mm×12mm；小板25mm×12mm×12mm；模塊反射距離越大，越容易誤觸發(fā)；（2）模塊接口說明紅外探頭VCCGNDOUT對應接入中控板VCCGNDInx；中控板供電：模塊6p排針接口處VCC外接3.3V-5V電壓（可以直接與5v單片機和3.3v單片機相連）；GND外接GND;OUT1-OUT4接單片機IO口；4.3.3防跌落開關防跌落開關的作用來檢測智能掃地機的機身是否懸??；此開關由三個探頭組成，分別安裝在智能掃地機機身的前端，尾端兩個輪子的旁邊，方向對準地面；當機身處于懸空狀態(tài)，向單片機輸入一個信號并對CPU申請中斷；這樣單片機發(fā)送中斷程序，使得機器人動作，避開懸空區(qū)域，并發(fā)出警報，從而實現(xiàn)了機器人的防跌落功能。4.4電源電路設計4.4.1變壓電路設計（1）充電電源電路設計充電站也像其他家用電器那樣需要220V交流電進行供電，但智能掃地機硬件系統(tǒng)中所有元件都需要5V-9V的直流電壓，這就要求充電座為系統(tǒng)提供工作所需要的直流電壓。本設計中系統(tǒng)電源采用鎳氫電池供電；這種電池所需要的充電電壓要求大于18.5V,且需要使用恒流源進行充電，在這種情況下電壓可以在一個范圍值內(nèi)上下波動。本設計中設計的供電范圍為19V-22V之間。其電路圖如下圖4-7所示；這里采用變比為10:1的變壓器以及KBL406來對整個電路進行整流；3300uF的電容構成濾波電路。圖4-7充電電源電路圖（2）系統(tǒng)應用電路設計智能掃地機采用鎳氫電池供電整個系統(tǒng)，總電壓為9V；由正負極板，隔離板，安全排氣孔等部件組成。整個機器人系統(tǒng)電壓分為5V和9V。7805電源芯片具有設計電路簡單、價格便宜、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點，并且足夠機器人、單片機以及L298N模塊供電使用，因此在本設計中將采用7805芯片作為掃地機器人的電源變壓系統(tǒng)7805芯片包含有3個引腳，分別為電源輸入端、+5輸出端以及接電源負極端；此芯片電路最大能夠提供1.5A大小的電流，輸入的電壓范圍為8.5V-14.5V，但其輸出電壓穩(wěn)定在+5V左右。根據(jù)7805電源芯片的情況，以及整個系統(tǒng)所需要的電壓工作情況，本設計將采用9V電源為芯片進行供電。如圖4-87805引腳圖及4-9電源應用圖。圖4-87805芯片引腳圖4-9系統(tǒng)應用電路圖4.4.2檢測電壓電路設計為了使掃地機在欠壓的情況下能夠實現(xiàn)自主尋找充電站進行充電功能，在智能掃地機上必須檢測電壓的大小。在本設計中采用ADC0832轉換芯片檢測電壓。ADC0832具有較高的分辨率，支持兩個通道對模擬信號轉換為數(shù)字信號。它具有體積小，兼容性強，性價比高，普及率高等特點。其引腳如圖4-10所示，應用電路如圖4-11所示。圖4-10ADC0832引腳參數(shù)：分辨率,比特:8bit；采樣率:29kSPS；數(shù)據(jù)接口:串行口；電源電壓范圍-模擬:4.5V到6.3V；電源電流:900μA；芯片封裝類型:DIP，針腳數(shù):8；工作溫度范圍:0°C到+60°C；SVHC(高度關注物質):NoSVHC(20-Jun-2011)；InputType:差分，單端；電源電壓最大:6.3V；電源電壓最小:4.5V；表面安裝器件:通孔安裝；輸入通道類型:差分，單端通道數(shù):1；圖4-11電壓檢測電路圖4.4.3充電控制路設計為了達到無論在什么情況下都能精確地實現(xiàn)對電源的電量飽合情況進行檢測這一目的，結合本課題自身的特點，選用BQ2002F集成芯片實現(xiàn)對電源電量的飽合狀況進行控制。BQ2002F能夠實現(xiàn)對電源快速充電電量的控制，檢測電池是否充電飽合。它價格低廉并且是一款非常實用的CMOS電量控制器。當電源完成充電時，它能夠非?？煽康亟K止充電動作。此外，BQ2002F不僅可以制作成質量好價格低的獨立充電器，還能夠制作成為機內(nèi)充電器。為了確保每次電源可以充滿電，此芯片還能夠實現(xiàn)電量補充的功能。其構成的充電控制器的原理圖如圖4-12所示。充電站充電控制器的功能如表4-3所示；（1）定時控制：BQ2002F具有定時功能，可以利用TM端與三種不同的電壓相接來設置三種不同的定時值。表4-3不同定時時間定時參數(shù)快充率TM端所接電壓定時時間（分）是否支持慢充充電率C/2中電平150是C/481C低電平75是C/482C高電平35否C/24典型條件為25℃，VCC=5V;中電壓為0.5xVcc±%；所有時間的容限為20%。將TM端接分壓電阻來選擇第一種模式。（2）電池電壓檢測；BQ2002F的BAT端為電壓檢測端；此外，由R1，R2組成的分壓器的電阻值必須大于200KΩ。電源系統(tǒng)中選用的電池節(jié)數(shù)為8節(jié)，則選用R2為470K。BQ2002F芯片的CC端為充電控制端。充電電流由三引腳可調(diào)穩(wěn)壓器LM317T組成的電流源提供1.9A電流,采用4個2.5Ω電阻并聯(lián)來實現(xiàn)。當晶體管截止時，CC端呈現(xiàn)出高阻態(tài)，這時LM317通過R4-R7對電池進行充電。當晶體管導通時，LM317T通過開關形成回路，此時停止充電。其中LED為充電指示燈，綠色時表示在充電。圖4-12充電站控制電路

5智能掃地機器人的軟件設計5.1軟件總體設計設計總框圖如下圖5-1所示，是整個智能掃地機的功能框圖；整個程序可分為主程序和子程序；子程序包括初始化、延時、藍牙遙控、紅外避障、防跌落、自動清掃以及電機驅動程序等；其中電機驅動部分是保證掃地機器人正常工作的基本部分，它實現(xiàn)了對輪子電機和風機及邊刷電機的控制；其他子程序部分保證了智能掃地機能夠具有設定的功能。圖5-1總體設計框圖5.2初始化程序通常智能掃地機剛開啟的時需要進行程序初始設定；在特別狀況下，也需要軟件對裝置進行初始設定。初始程序主要是為了給整個程序中用到的變量、寄存器等寫入特定的值，當程序出現(xiàn)跑飛等情況時，能夠立即將裝置，變量等恢復到初始值。一般在寫程序時將初始化程序寫在開始以使上電后立即進行初始化。一經(jīng)編寫好的程序非特殊下不需要變動，這是因為隨意變動設定好的程序可能會導致一些異常情況發(fā)生。5.3主程序設計在執(zhí)行程序之前，要對整個智能掃地機完成程序的初始狀態(tài)設定，然后進入主程序；此時需要先對系統(tǒng)電源執(zhí)行電壓檢測，檢測電源電壓是否充足；當電源欠壓時，將執(zhí)行自動充電程序，尋找充電站并進行充電程序；期間不斷檢測電源是否充滿，充滿后將返回執(zhí)行主程序，分別執(zhí)行清掃程序，障礙物檢測程序；當探頭探測到存在障礙物時，CPU將執(zhí)行避障程序；當掃地機執(zhí)行完避障程序之后，將跳轉到工作程序；當探頭檢測到機身懸空時，定時器申請中斷，跳轉到防跌落程序并執(zhí)行；當智能掃地機完成此程序時跳轉到工作程序。程序流程圖如圖5-2。圖5-2主程序流程圖5.4紅外避障程序設計紅外避障程序功能用來檢測機器人前方是否存在障礙物，以此保證在遇到障礙物時能夠從旁邊繞開；避障程序主要是通過單片機控制電機的旋轉方向，以保證掃地機能夠成功繞開障礙物；機器人機身配備有4個紅外探頭；當前方探頭探測到障礙物時，其掃地機向后運動然后向左轉，之后跳轉到避障程序；當左探頭探測到障礙物，掃地機將向后行走，右轉，然后跳轉到避障程序；當右探頭探測到障礙物時，掃地機將向后行走，然后向左轉動，再跳轉到避障程序；其具體設計程序流程如圖5-3。圖5-3避障程序流程圖5.5防跌落程序設計防跌落程序可當智能掃地機器人的機身懸空時發(fā)揮作用，保護機器人的安全，使得機器人立即停止工作或后退遠離懸空區(qū)域。在底盤上裝有3個紅外探頭，用來探測機器人是否懸空；1號探頭裝于萬向輪前方，當檢測到前方機身懸空時，機器人將立即停止工作，延時自動后退90ms，然后再左轉90ms后返回防跌落程序；2號紅外探頭配置于左輪后方，當機器人后退時檢測后方是否處于懸空狀態(tài)；當探頭檢測到機身懸空時，機器人將停止工作，延時一段時間后向前行走90ms，然后向右旋轉90ms后返回防跌落程序；三號探頭裝在右輪后方，用于檢測后方是否處于懸空狀態(tài)；當探頭檢測到掃地機的尾部懸空時，掃地機將向前行走90毫秒，然后再向左旋轉90毫秒，最后跳轉到防跌落程序。程序流程如圖5-4所示。圖5-4防跌落流程圖5.6藍牙遙控程序設計本程序流程圖如圖5-5所示；在初始狀態(tài)設置中設置SCON為方式1，然后將T1設置成方式2，并將串口的波特率設置為9600b/s；在主程序中檢測SBUF寄存器中接受到值并判斷，執(zhí)行相對應的電機驅動程序。當人工按下遙控模式按鍵時，延時去