清洁机器人系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)

清洁机器人系统设计本科毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

，实现清扫的目的。 如图 所示。 图 海尔公司的 SWRC1 8 论文构成及研究内容 本文主要内容是清洁机器人系统设计，主要完成了控制部分软硬件的设计，其中包括硬件控制电路的设计，以及相应的软件程序的编制、调试。 主要内容安排如下： 第一章阐述了智能清洁机器人的相关概念，分析了清洁机器人国内外的研究 动态和发展趋势，提出了课题的研究背景、 意义和主要内容。 第二章对清洁机器人的设计方案比较以及对总体设计进行了说明，包括整个机电系统的结构组成和工作原理。 第三章对清洁机器人的硬件控制电路进行了详细的设计，包括单片机系统、传感器器系统、电机驱动电路以及主要控制芯片的介绍等。 9 2 清洁机器人的总体设计 总体设计方案比较论证 方案一：采用组合逻辑电路控制清洁机器人运行 利用数字电路知识用各种逻辑电路搭建出清洁机器人的控制系统，对车速和车的行进方向进行控制，再利用红外对管实现避障和对台阶的检测，以及利用 逻辑电路控制电机驱动，从而达到并实现题目要求和发挥。 这种方案下，所有控制电路都要手工制作，非常复杂，规模大不易实施，而且这种控制电路精度不高，反应不够灵敏，可行性差。 方案二：采用智能控制器控制清洁机器人运行 利用控制芯片作为智能小车的核心控制系统，例如单片机、 FPGA 和 DSP 等等。 用控制芯片控制清洁机器人的系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，适应科技先进性，而且各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。 因此，采用方案二作为智能小车的控制系统。 核心模块方 案设计 控制系统的核心模块也就是控制器，是小车的大脑，主要用于传感器信号的接收、辨认和处理、以及对电机控制等。 下面列出三种控制器的选择方案： 方案一：采用先进的 FPGA 编程控制器件。 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性。 FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。 由检测模块输出的信号并行输入 FPGA， FPGA 通过程序设计控制小车作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高， FPGA 的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二：采用 DSP 编程控制器件。 DSP 因为数字处理与通信领域的空前发展而近显火爆，应用面很广泛， DSP 10 主要是面对数字信号方面的处理，其针对性有速度快，精度高等优点，但是，而DSP 强调的是较大的数据处理能力 ,如在运行控制 ,图像处理等方面，占有较大优势，而在这个智能车小系统中则没有必要使用如此精确的控制器件，而且价格方面也不低，固不宜采用。 方案三：采用单片 机编程控制器件。 用 ATMEL 公司生产的 AT89S52 单片机作为系统控制器，单片机也叫单片微型计算机，在控制领域应用非常广泛，具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强 I/O 功能及较好的结构兼容性等优点，是小型控制系统的首选。 而且单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。 本系统属于小型控制系统，用单片机作为控制芯片非常合适，因此采用方案三。 避障模块方案设计 方案一：采用超声波传感器。 利用超声波的特性实现对障碍墙壁的测量和有效规避， 超声波传感器波的发射角小，检测灵敏度高，但是超声波传感器使用成本不低，而且不能体现设计才能，不宜采用。 方案二：采用激光传感器。 通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，这在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。 激光测距虽然原理简单、结构简单，但是因为激光测距传感器售价太高，不适合自主设计使用。 方案三：采用红外对管传感器。 用红外对管传感器采集信息，以红外线为介质测量判断障碍，从而达到避障的效果。 它的优点是消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，制作 也比较简单。 因此，方案三在小系统中非常适用，采用方案三。 清洁机器人系统的整体构架 整体设计方案的系统框图如图 所示 11 图 清洁机器人硬件系统结构原理图 各模块的组成和功能介绍如下： （ 1） 控制器（单片机）：主要由单片机 STC89C52RC 组成，它的主要功能是完成主控程序对模块接口的控制，是程序运行的载体并实现对整个机器人的控制。 （ 2） 传感器：主要由红外避障传感器、红外防跌倒传感器、碰撞传感器组成，这些传感器用来控制小车的行走方向以及实现避障、防跌倒功能。 （ 3） 电源模块：将充电电池的 电压转 换为稳定的 5V 电压供单片机、传感器以及其他模块使用。 （ 4） 电机驱动：主要由行走电机驱动、毛刷电机驱动和吸尘电机驱动组成，其中行走电机主要控制左右行走轮从而带动清洁机器人的运动，毛刷电机和吸尘电机负责清洁除尘工作。 12 3 清洁机器人的硬件设计 STC89C52 单片机介绍 本设计采用常用的 STC89C52 作为主控芯片，具备编程简单，价格便宜的特点，而且在电动小车的领域中使用广泛。 以下是对该单片机进行简单的介绍。 STC89C52 的主要性能 STC89C52 是 STC 公司生产的 一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器。 STC89C52 使用经典的 MCS51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。 在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 （ 1）标准功能 具有以下标准功能： 8k 字节 Flash， 512 字节 RAM， 32 位 I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM， MAX810 复位电路， 3 个 16 位定时器 /计数器， 4 个 外部中断，一个 7 向量 4 级中断结构（兼容传统 51 的 5 向量 2 级中断结构），全双工串行口。 另外 STC89C52 可降至 0Hz 静态逻辑操作，支持 2 种软件可选择节电模式。 空闲模式下， CPU 停止工作，允许 RAM、定时器 /计数器、串口、中断继续工作。 掉电保护方式下， RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 最高运作频率 35MHz， 6T/12T 可选。 （ 2）主要特性 1） 8K 字节程序存储空间； 2） 512 字节数据存储空间； 3）内带 4K 字节 EEPROM 存储空间。 4）可直接使用 串口下载； （ 3）器件参数 1）增强型 8051 单片机， 6 时钟 /机器周期和 12 时钟 /机器周期可以任意 选择，指令代码完全兼容传统 8051. 2）工作电压： ～ （ 5V 单片机） /～ （ 3V 单片机） 3） 工作频率范围： 0～ 40MHz，相当于普通 8051 的 0～ 80MHz，实际工作 频率可 13 达 48MHz 4）用户应用程序空间为 8K 字节 5）片上集成 512 字节 RAM 6）通用 I/O 口（ 32 个），复位后为： P0/P1/P2/P3 是准双向口 /弱上拉， P0 口是漏极开路输出，作为总 线扩展用时，不用加上拉电阻，作为 I/O 口用时，需加上拉电阻 7） ISP（在系统可编程） /IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器可通过串口（ RxD/,TxD/）直接下载用户程 序，数秒即可完成一片 8） 具有 EEPROM 功能 10）共 3 个 16 位定时器 /计数器。 即定时器 T0、 T T2 4 路，下降沿中断或低电平触发电路， Power Down 模式可 由外部中断低电平触发中断方式唤醒 11）通用异步串行口（ UART），还可用定时器软件实现多个 UART 12）工作温度范围： 40～ +85℃（工业级） /0～ 75℃（商业级） 13） PDIP 封装 STC89C52 单片机最小系统 STC89C52 单片机的最小系统电路如图 所示。 图 单片机最小系统 （ 1）复位电路 为使单片机正常工作，必须保证良好的复位。 本系统复位电路采用上电复位 14 和按键复位。 上电复位是指单片机在接通电源时对 MCU 自动复位。 按键复位由复位按键产生一个持续时间大于两个机器周期的高电平到复位引脚 RST对 MCU复位。 当电源刚接通时，电容 C3 对下拉电阻开始充电，由于电容两边的电压不能突变，所以 RST 端维持高电平，实现对单片机的上电复位，即接通电源就完成对系统的初始化。 在此基础上加上一个开关，就能实现按键复位。 （ 2）振荡电路 单片机系统里都有晶振，在单片机系统里晶振作用非常大，全称叫晶体振荡器， 它结合单片机内部电路产生单片机所需的时钟频率，单片机晶振提供的时钟频率越高，那么单片机运行速度就越快，单片接的一切指令的执行都是建立在单片机晶振提供的时钟频率。 单片机晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号。 电源转换电路的设计 电源是任何一个系统稳定运行的前提条件，本设计采用以 LM7805CV 稳压芯片为核心设计的稳压电源， 其工作原理为：当两节 干电池串联后通过 P4端输入，经过稳压芯片 LM7805CV 转换后输出稳定的 5V 电压。 为了使运行稳定，单片机和电机的供电系统采用独立供电的方法。 所以该电源模 块设计为两路稳压5V 输出。 其电路原理图如图 所示。 图 5V 稳压电源模块 L298N 驱动芯片的介绍 L298N是 ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。 该芯片的主要特点是 :工作电压高 ， 最高工作电压可达 46V； 输出电流大，瞬间峰值电流可达 3A， 15 持续工作电流为 2A；内含两个 H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准 TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端， 使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。 直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H 型全桥式驱动电路。 这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。 L298N芯片如图 ： 图 L298N 芯片原理图 L298N 的工作原理 L298N 内部电路如图 所示。 图 L298N 内部电路 16 其工作原理是： L298N内部集成了两个由四只 NPN型三极管组成的 H桥电路（ A、 B）。 ENA与内部编号为“ 1”的与门相连和其下面的与门相连。 ENA常处于高电位（ 5V）。 信号输入端 IN1直接与“ 1”与门相连与“ 1”与门下方的与门取反后相连。 当从IN1输入高电位时“ 1”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截 止， OUT1端口输出高电平。 信号输入端 IN2直接与“ 2”与门相连与“ 2”与门下方的与门取反后相连。 当从 IN2输入高电位时“ 2”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截止， OUT2端口输出高电平。 同理当 IN1与 IN2分别输入低电平时 OUT1与OUT2分别输出低电平。 在这两种情况之下由于 OUT1与 OUT2的点位相同故不能驱动电机转动。 只有当 IN IN2其中一个输入高电平另一个输入低电平信号时才能驱动电机转动且 IN IN2的高低还可控制电机的正反转（即 IN1=H、 IN2=L与 IN1=L、 IN2=H驱动电机的转动方向是相反的）。 IN IN OUT OUT4与IN IN OUT OUT2的原理完全相同。 左右轮驱动电机电路设计 图 是本模块设计的电路原理图，整个模块由两部分组成，分别为 L298N 17 和保护电路部分。 以下是对保护电路部分的介绍： 如图 J1和 J2是两个输出端口是接电机线圈，势必就会产生反电势，对 L298N 形成冲击，易造成损坏，特别是对于大于电源电压和负电压更容易损坏 L298N，所以在每根线上都加上 2个二极管 1N4007进行保护。 工作过程是这 样：当反电势为正，超过电源 +，下端二极管导通，这样输出线就被限位在电源电压 + 上，不会超过这个数值（对电源充电）。 当反电势为负，低于 ，上端二极管导通，这样输出线就被限位在 ，不会低于。 这两个二极管是作为箝位使用，使得输出线上电压（或叫电位）被箝位在 ~+Vcc+。 保护电路部分的主要构成为八只 1N4007整流二极管组成。 1N4007主要具有以下特性： (1)较强的正向浪涌承受能力为 30A； (2)最大正向平均整流电流。