智能清潔機器人

1、摘要智能清潔機器人是通過一個控制芯片和其他模塊結(jié)合，能夠自動清掃家居環(huán)境，減少清掃難度所設(shè)計出來的智能機器人。本文將會對基于ATmega16為核心的智能清潔機器人的研發(fā)過程進行詳細的介紹，對該設(shè)計的所涉及的原理進行深入的分析。文章的基本組成包括系統(tǒng)方案的論證、硬件系統(tǒng)的設(shè)計、軟件系統(tǒng)的設(shè)計、系統(tǒng)的測試、總結(jié)等內(nèi)容。本設(shè)計最終將實現(xiàn)自動按照特定路線進行清掃工作、低電壓自動充電的功能。本系統(tǒng)采用的系統(tǒng)控制核心為ATmege16，通過超聲波模塊自身發(fā)射聲波，依靠超聲波的反射和接收的原理,可以簡單計算出機器人和障礙物的距離，設(shè)定安全距離來躲避障礙物，可以達到避障的目的;通過在充電處放置一個紅外發(fā)射模塊

2、，發(fā)射特定的38KHZ的紅外線，在清潔機器人上放置紅外接受模塊，當機器人的主控芯片單片機檢測到電量低于百分之二十時，可以自動行駛到充電插座處執(zhí)行自動充電。通過設(shè)定特殊的行走路線使智能清潔機器人更高效的進行清掃工作。清潔機器人使用的清掃工具為一個真空吸塵模塊。關(guān)鍵詞：智能清潔機器人；自動充電；超聲波避障；紅外模塊Cleaning Robot Based on AVR Single-chip ProcessorAbstractIntelligent cleaning robot is controlled by a chip is combined with other modules, auto

3、matically cleaning the household environment, reduce the difficulty of cleaning the design of intelligent robot.This paper will be based on ATmega16 as the core of intelligent cleaning robot research and development process in detail, involved in the design of the principle of in-depth analysis. Art

4、icle includes the basic component of system demonstration, design of hardware system, software system design, system testing, summary and so on. This design will automatically according to the specific route for cleaning work, low voltage automatic charging function.This system adopts the system con

5、trol core for ATmege16, through ultrasonic module emits sound waves, rely on the principle of ultrasonic reflection and receiving, can calculate the distance of the mobile robot and obstacles, simple setting safe distance to avoid obstacles, can achieve the purpose of obstacle avoidance; By charging

6、 put an infrared emission module, specific 38 KHZ ir, placed on the robot cleaner infrared receiving module, through the MCU A/D conversion,when the power is less than the aggregate percentage, and can be run automatically to the outlet to perform automatic charging. By setting special route to make

7、 intelligent cleaning robot for cleaning work more efficient. Cleaning robot cleaning tools to a vacuum dust collection module.Keywords: intelligent cleaning robot; automatic charging; ultrasonic obstacle avoidance; infrared module目錄第一章 前言11.1 清潔機器人研究背景11.2 研究的實際意義1第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案的論證32.1 核心控制模塊的論證與選擇32.2

8、 避障模塊的論證和選擇32.3 電機驅(qū)動模塊的論證和選擇4第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計53.1 ATmega16單片機的簡介53.2 ATmega16單片機的系統(tǒng)設(shè)計53.3 超聲波避障模塊63.4電機驅(qū)動電路設(shè)計73.5紅外線發(fā)射、接收模塊設(shè)計83.6 無線控制模塊設(shè)計103.7防跌落裝置113.8碰撞開關(guān)裝置設(shè)計123.9吸塵模塊設(shè)計12第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計134.1 系統(tǒng)程序簡介134.2 程序的流程圖134.3 自動充電流程的設(shè)計174.4清掃路線的設(shè)定184.5電量測量的程序設(shè)計21第五章 系統(tǒng)的測試和總結(jié)225.1主控模塊的測試225.2電機驅(qū)動模塊的測試225.3超聲波避障模塊的測試22

9、5.4紅外線發(fā)射模塊測試23第六章 結(jié)束語25參考文獻26附錄（一）電路圖27附錄（二）主程序29致謝374第一章 前言1.1 清潔機器人研究背景社會在進步,人們對物質(zhì)和精神生活質(zhì)量的要求不斷提高,對于一些自動化的產(chǎn)品的需求也不斷提升。人們希望有一種機器能夠自動智能的在自己的家中進行環(huán)境打掃的工作。智能清潔機器人就是這樣孕育而生的眾多產(chǎn)品中的一種。它將現(xiàn)代智能移動機器人技術(shù)和真空吸塵技術(shù)合理的運用起來，并將它們合二為一,成功的解除了人們室內(nèi)清掃對雙手的依賴性。智能清潔機器人在現(xiàn)如今的世界中具有廣闊的市場前景，人們對一些自動智能化家具的依賴性逐年遞增，隨我國工業(yè)設(shè)計水平的不斷進步,產(chǎn)品制作能力的

10、不斷提升，使得吸塵器的產(chǎn)銷量也大幅增加,對家庭的清掃工作也產(chǎn)生了很大的變化。吸塵器對現(xiàn)代家庭生活中處在一個不可或缺的地位，傳統(tǒng)的吸塵器一般都是半自動的工作方式，這就意味著人們還是需要花費自身的時間來清掃在家的室內(nèi)環(huán)境。然而這一些傳統(tǒng)吸塵器仍然不能有效的清掃掉室內(nèi)的灰塵，當你辛辛苦苦清掃玩這一邊時，另一邊又會布滿了剛才你揚起來的灰塵。然而智能清潔機器人可以幫你完美的解決這一麻煩，你只需要簡單的摁下開始鍵，它便可以立即進行室內(nèi)清潔工作。每天出門上班的時候打開它，回家后迎接你的是一個清潔無塵的環(huán)境。 在二十一世紀以來,工業(yè)發(fā)展迅猛的世界已經(jīng)為人們研發(fā)出多種符合老百姓需求的智能清潔機器人。而所謂的智能

11、清潔機器人是指能夠在無人指導的情況下對房間地面進行清掃的智能機器人系統(tǒng)1。它們一般內(nèi)置高能芯片，可以準確計算出房間的大小與障礙物區(qū)域，配合設(shè)計員預定多種情節(jié)模式，自動調(diào)節(jié)清掃房間；能夠自動偵測地板表面的高低情況，自動調(diào)整速度和吸力來更好地清掃房間，清掃任務(wù)完成后自動回到充電座進行充電待機2。隨著科技力量的不斷壯大，清潔機器人不僅僅只用于清掃室內(nèi)環(huán)境，在原本吸塵清掃的基礎(chǔ)上加了許多功能，例如：增加一個防水套后智能清潔機器人可以搖身變成一個能夠用于吸水的清潔機器人，再比如在清潔機器人的機身上放置一些清香劑，可以使清潔機器人一邊工作一個還可以進行室內(nèi)空氣的清潔工作。可以看出，在現(xiàn)代清潔機器人的設(shè)計在

12、慢慢向其他拓展性功能前進，已經(jīng)不僅僅在于完成清潔衛(wèi)生這一功能需求，而是在盡最大的可能去迎合現(xiàn)代消費者在各個感官和情感上的感受，從而提升自己在行業(yè)里面的競爭力。1.2 研究的實際意義隨著生活壓力越來越大，人們都向往更加便捷的生活方式都希望一些麻煩事例如一些家務(wù)事能夠不需要經(jīng)過自己的雙手便可以解決，比如打掃室內(nèi)衛(wèi)生對人們來說是一個大麻煩，特別是在完成繁重的工作之后，仍需要花費大量的時間很精力去打掃衛(wèi)生，那樣肯定會讓你更加勞累。對大多數(shù)城市家庭來說，吸塵器已經(jīng)成為家庭清潔必不可缺少的工具，但是普通的吸塵器不僅體積大，而且工作的時候噪音很大，嚴重影響其他人的休息。同時還需要人為的去操作控制，使得清潔衛(wèi)

13、生仍是一個費時費力的工作。正是因為如此，人們發(fā)明出了一種通過微控制芯片控制的智能掃地機器人進行室內(nèi)的清掃工作。目前在歐洲、北美洲等許多的發(fā)達國家,對于智能清潔機器人的研發(fā)和使用起步得較早，可以說在智能清潔方面已經(jīng)達到了一個巔峰的境界。在這幾年的研發(fā)過程中,個別發(fā)達國家已經(jīng)開發(fā)出多種面向市場需求的智能清潔機器人，其中最有代表的是澳大利亞一公司研制出來的一種名叫V4的可自動行駛并打掃房間的機器人，這種全自動清潔機器人的外形光滑,體積小,大多數(shù)呈圓形和橢圓形,在機身內(nèi)部配置雷達探測,可以搜索并行走在各種房間里的每一處包括一些死角、樓梯口等一些難以移動的地方，并且可以準確的躲避家具或其它障礙物并且能夠

14、出色的完成清掃工作。智能清潔機器人最核心的部件就是裝置在其中的一個微處理小電腦，通過對這一微小芯片的編程和設(shè)定，使它能夠在遇到障礙物的時候更智能的選擇前進的路線，達到高效清潔的效果。使用時只需要將清潔機器人放置在地面上，打開開關(guān)后它自身所帶的雷達會探測距離自己最近的墻壁，隨后便會沿著墻壁經(jīng)行清掃，將附近的灰塵異物通過真空吸塵部件吸入臟物袋。然后再移動到室內(nèi)的其他位置，在接近家居和其他障礙物時能夠迅速的轉(zhuǎn)向，確保自身和障礙物不會發(fā)生碰撞。在清潔機器人的四周都裝有障礙物傳感器，使得清潔機器人能夠一邊清掃一邊躲避墻壁和障礙物等物品。當清潔任務(wù)完成或者清潔機器人本身的電量不足時，機器人便會自動返回充電

15、座處，能夠自動的讓自己找到充電處完成充電然后返回繼續(xù)清掃工作。在有現(xiàn)代技術(shù)的支持，智能清潔機器人不需要任何的編程，在它沿著房間行駛一周后，它會自動的建立一個地圖，引導自身哪里可以去，哪里需要躲避。所以對人們來說操作智能清潔機器人只有三個按鈕，即“開始”、“暫停”、“結(jié)束”。你所要做的事便是將清潔機器人帶到你要清潔的房間放下，摁下開始按鈕即可。第二章 系統(tǒng)設(shè)計方案的論證 本次設(shè)計的系統(tǒng)主要是以ATmega16為主要控制核心，其他次要模塊有避障模塊、電機驅(qū)動模塊、自動充電模塊等。以下是對本設(shè)計方案的論證。2.1 核心控制模塊的論證與選擇方案一：采用AT89S52單片機。AT89S52單片機是ATM

16、EL公司最先研究出的一款性能強大而功耗卻十分低的CMOS 8位微型控制芯片，具有大小為8K的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash、與MCS-51系列的單片機產(chǎn)品兼容，它具有了256字節(jié)內(nèi)部RAM、32根可編程的I/O線、16位的定時器/計數(shù)器共有三個、1個全雙工UART串行的通道等性能。然而由于S51系列單片機指令周期很長，執(zhí)行速度較慢，可用I/O口較少，內(nèi)部Flash容量小等缺點基本上不滿足本設(shè)計的要求。 方案二：采用ATmega16單片機。ATmega16單片機是一款性能強大而功耗卻十分低的CMOS 8位微型控制芯片，它具有高達16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)部Flash、512字節(jié)的EEPROM同時擁有32個通用的

17、I/O口且可設(shè)置上拉電阻、能夠單獨設(shè)定為輸入/輸出、驅(qū)動能力較強，擁有三個具有比較模式的定時器、有1個可編程串行的USART通道、一個SPI 串行端口等性能，ATmege16 I/O口資源豐富，自帶AD采集數(shù)據(jù)功能，運行速度較快驅(qū)動能力強，可在線仿真調(diào)試。大大減少了系統(tǒng)調(diào)試和研發(fā)的復雜度3。相比較于AT89S52，它最主要的優(yōu)點是運行速度快，可編程Flash的大小是AT89S52的兩倍。 方案三： 采用STM32處理器。STM32F103VC是一款基于ARM CortexM3內(nèi)核的STM32F103的增強型32位的處理器。它的最高工作頻率可以達到72MHz以上，具有從256K至512K字節(jié)閃存

18、儲器以及豐富的片內(nèi)資源，相對于AT89S52單片機及ATmega16、ATmega128L單片機來說STM32具有很大的競爭力。但是結(jié)合自身對該芯片的熟悉程度，我并不打算使用此芯片作為本設(shè)計的主要芯片。 經(jīng)過對這以上芯片性能、價格的對比和熟悉程度，再結(jié)合本人所掌握的知識等及本系統(tǒng)設(shè)計對控制芯片的要求。決定采用ATmega16芯片作為本系統(tǒng)的主要控制核心。2.2 避障模塊的論證和選擇 方案一：紅外線避障。紅外線避障是利用光線反射的原理，通過使用單片機產(chǎn)生信號讓紅外線發(fā)射管調(diào)試發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線在遇到障礙物后便會發(fā)射回來，紅外接受管可以對反射回來的信號進行接受和解調(diào)然后輸出低電平信號。優(yōu)點是易

19、于實現(xiàn)，價格便宜。然而在灰塵多的空間紅外線的發(fā)射和反射會收到嚴重的干擾，從而影響到清潔機器人對行進路線的判斷力。方案二：超聲波避障。超聲波避障方法是根據(jù)生物學的方法，類似于蝙蝠的捕食方法，通過發(fā)射器不斷發(fā)射超聲波脈沖，當聲波被障礙物反射回來會被安裝在清潔機器人上的接收器接收，通過記錄聲波發(fā)出和返回的時間差，便可以得到障礙物與超聲波發(fā)射時位置的距離。超聲波避障的優(yōu)勢在于價格便宜，而且受環(huán)境的影響特別是在灰塵多的環(huán)境寫所受影響比較小。缺點是有一定的盲區(qū)。 經(jīng)過對以上模塊的對比，考慮到機器人運行的環(huán)境。決定采用超聲波避障，對于超聲波的缺點，可以在機器人前端加兩個碰撞開關(guān)來彌補。2.3 電機驅(qū)動模塊的

20、論證和選擇方案一：L298N。L298N是一種能夠產(chǎn)生高電壓和大電流的驅(qū)動能力很強的電機驅(qū)動芯片，主要特點是工作電壓高，輸出電流大，該芯片能夠同時驅(qū)動兩臺步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。缺點是當工作電流過大時候會對單片機的運作造成干擾，所以當要求穩(wěn)定性比較高的時候建議使用帶光耦的L298N。方案二：MC33886驅(qū)動。MC33886是一種H橋式小功率直流電機驅(qū)動芯片，其特性為：工作電壓：5-40V 導通電阻：120 毫歐姆 輸入信號：TTL/CMOS PWM 頻率：<10KHz 具有短路保護、欠壓保護、過溫保護的

21、特點。但是具有啟動加速慢，制動不足等問題，而且MC33886是全橋的電機驅(qū)動芯片，工作電流最高可達5A，這也就導致了該芯片發(fā)熱量較大，建議使用時簡易加上一個扇熱片，芯片的價格適中。方案三:BTS7960驅(qū)動模塊。其特性為：工作電壓：5-40V 導通電阻：120 毫歐姆 輸入信號：TTL/CMOS PWM 頻率：<10KHz 具有短路保護、欠壓保護、過溫保護比如單片33886芯片可持續(xù)供應(yīng)電流只有5A，其內(nèi)阻更是有120m，這樣導致了由該芯片帶動電機時，啟動加速慢，制動不足等問題。MC33886是全橋的電機驅(qū)動芯片，電流最高5A，

22、發(fā)熱量較大。價格適中。通過比較上面的幾個芯片，考慮到各個方面的問題，最后決定選擇的是L298N電機驅(qū)動。因為該電機驅(qū)動的價格便宜而且電路圖簡單。驅(qū)動能力也很不錯。所以，我最后選擇的是使用L298N做清潔機器人的電機驅(qū)動。第三章 系統(tǒng)硬件設(shè)計 在這一章會詳細的介紹整個系統(tǒng)的硬件設(shè)計的結(jié)構(gòu)。主要是主控系統(tǒng)模塊的構(gòu)造、電機驅(qū)動的設(shè)計和構(gòu)造、吸塵模塊的原理和電源模塊的設(shè)計等。總框圖見圖3-1。超聲波避障、紅外接收ATmega16單片機吸塵模塊電源模塊無線控制電機驅(qū)動圖 3-1系統(tǒng)總框圖通過上圖可以看出來 ，單片機通過電源供電后驅(qū)動其他模塊來實現(xiàn)系統(tǒng)的運行和停止。當智能清潔機器人啟動時超聲波避障模塊開始

23、啟動，檢測前方是否有障礙物；同時該機器人按照設(shè)定好的線路經(jīng)行行走，通過一個真空吸塵模塊對所走過的區(qū)域進行清掃工作。3.1 ATmega16單片機的簡介 本設(shè)計采用的ATmega16芯片是一種低功耗8位COMS微型控制芯片，其主要優(yōu)勢為處理速度快，數(shù)據(jù)吞吐率高達1MIPS/MHZ，從而提高系統(tǒng)的處理速度和降低系統(tǒng)的功耗。芯片內(nèi)置16KB的內(nèi)可編程Flash，擁有512字節(jié)的EEPORM，可以完美的滿足你對程序編寫的內(nèi)容的大小，32個通用I/O接口線和32個通用寄存器，所有的寄存器都可以直接和運算的單元進行對接，提高了運行速度。擁有用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試和編程，提高了設(shè)計的調(diào)試和

24、研發(fā)速度，3個具有比較模式的定時器/計數(shù)器（T/C），片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，通用兩線串行接口，8路10位具有可選差分輸入級可編程增益的ADC。 3.2 ATmega16單片機的系統(tǒng)設(shè)計 ATmega16單片機的設(shè)計PCB原理圖見圖3-2所示，ATmega16最小系統(tǒng)包括了ISP下載、晶振、復位按鈕和一些擴展接口等。圖 3-2 最小系統(tǒng)3.3 超聲波避障模塊超聲波測距的專業(yè)說法是渡越時間檢測法，簡單的來說就是利用速度、時間的關(guān)系來求出距離，而速度便是聲波傳輸?shù)乃俣龋瑫r間便是發(fā)射和返回接受到的時間。其基本原理是：超聲波傳感器由強電脈沖信號激勵，向外發(fā)射超聲波，而超聲波在向外傳輸?shù)倪^程

25、中遇到障礙物的話就會被反射回來，超聲波接受器接收到反射回波，再根據(jù)發(fā)射與接受的時間差來計算被測物體的距離4。 超聲波避障模塊的實物圖如圖3-3：圖 3-3 超聲波模塊實物圖 使用AVR單片機來控制超聲波模塊進行避障的原理其實是很簡單的主要是利用了單片機內(nèi)部的的定時器和計數(shù)器這兩個功能。我們知道聲速在空氣中傳播的速度可以達到340m/s，在根據(jù)聲波發(fā)射和接收的時間差，就可以知道發(fā)射超聲波的位置到障礙物的距離其公式為：S=340*t/2。當清潔機器人在工作的時候，超聲波模塊本身會持續(xù)發(fā)射出8個40KHZ方波并且不斷檢測是否有超聲波信號返回，當檢測到有信號返回的時候便會輸出一高電平，通過高電平持續(xù)的

26、時間便可以知道超聲波傳輸?shù)臅r間從而算出距離障礙物的距離并控制清潔機器人是否需要轉(zhuǎn)向避讓。3.4電機驅(qū)動電路設(shè)計在這次的設(shè)計所使用的L298N一種高性能的電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝，主要特點是：主要特點是工作電壓高，輸出電流大。該芯片能夠同時驅(qū)動兩臺步進電機或四相步進電機或繼電器線圈等感性負載，也可以驅(qū)動兩臺直流電機，可以說L298N這塊小小的芯片具有你意想不到的能力。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器；采用標準邏輯電平信號控制，可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。直流電機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、平滑性好的特點而且價格相對便宜5。所以我們一般采用直流電機。電機驅(qū)動電路圖如下圖3-4圖3

27、-4 電機驅(qū)動原理圖實物圖如圖3-5圖3-5 L298N 實物圖在L298N中6和11引腳為的使能端，所謂的使能端就是要改芯片運行，你首先需要的條件是激活這兩個端口，所以只有當它們都為高電平的時候兩個電機才有可能工作，一個使能端可以控制一個直流電機，5、7、10、12是L298N的信號輸入端和單片機的IO口相連。因為該芯片工作的電壓高，電流大所以一般該芯片會產(chǎn)生大量的熱量，嚴重的時候可能會燒掉芯片，所以我們在使用這一芯片的時候一般都會加上一個扇熱片來進行保護芯片的作用。3.5紅外線發(fā)射模塊與接收模塊設(shè)計 紅外發(fā)射模塊主是用5MM發(fā)射管 940nm紅外發(fā)射管，接受模塊主要是用0038萬能一體化接

28、收頭。如圖3-6、3-7所示：圖3-6 紅外發(fā)射管圖3-7 紅外接收管當紅外線接受管HS0038接收到紅外信號時，接受管會將這一信號轉(zhuǎn)變成電信號傳送給與自己相連接的放大電路中，在結(jié)果放大電路的放大后傳輸給單片機進行處理。沒有收到紅外線時解調(diào)電路無輸出，三極管處于截止狀態(tài)，1腳輸出高電平6。因為這一紅外接收管對38KHZ的紅外信號敏感，而且只對其具有轉(zhuǎn)換能力，所以我們需要設(shè)計一個模塊來產(chǎn)生特定的38KHZ方波。555定時器是一款操作簡單功能強大的芯片，而且價格便宜所以本設(shè)計采用555定時器來產(chǎn)生38KHZ的脈沖。電路圖為3-8所示：圖3-8紅外發(fā)射原理圖發(fā)射部分采用的是NE555芯片與外圍電路來

29、組成一個振蕩電路來產(chǎn)生頻率為38KHZ的信號，其中占空比為30%，振蕩信號經(jīng)過3號角輸出加載至8050基極，由8050驅(qū)動外圍LED燈，而接收頭HS0038在沒有接收到信號的時候輸出為高電平，接收到信號后輸出為低電平。通過這一原理可以在電源處放置一個紅外發(fā)射信號，當清潔機器人電量低于20%左右的時候就會自動尋找信號發(fā)射源，通過紅外接受口的不斷引導和超聲波的避障，使清潔機器人安全的到達電源充電處，進行對接充電。 3.6 無線控制模塊設(shè)計本次使用的無線遙控只要是紅外遙控的方式，紅外遙控方式是以紅外線作為載體來傳送控制信息的，因此具有反應(yīng)速度快、傳輸效率高、工作穩(wěn)定可靠的優(yōu)點7。無線控制模塊接收器和

30、發(fā)射器如圖3-9所示：圖3-9無線控制模塊 當按鍵摁下時接受部分輸出為高電平，當摁鍵沒有摁下時一直保持低電平狀態(tài)，接收管腳的對應(yīng)說明如表3-1所示：腳位名稱功能說明1VCC電源正極2GND電源負極3D0數(shù)據(jù)輸出4D1數(shù)據(jù)輸出5D2數(shù)據(jù)輸出6D3數(shù)據(jù)輸出7D4數(shù)據(jù)輸出8D5數(shù)據(jù)輸出9VT輸出狀態(tài)指示摁鍵對應(yīng)I/O口輸出1C2高電平2C0高電平3C1高電平4C3高電平5C4高電平6C5高電平表3-1 摁鍵對應(yīng)電平變化情況3.7防跌落裝置防跌落裝置如圖3-10所示：圖3-10 防跌落裝置防跌落裝置的原理主要是運用紅外線發(fā)射和接收的原理，模塊本身的紅外線發(fā)射裝置發(fā)射出紅外線，因為紅外線傳輸受障礙物的影

31、響，所以在遇到障礙物后便會反射回來，接收口接收到紅外線后便會保持一個低電平的狀態(tài)，直到不再接受到紅外信號，接受不到時輸出高電平。將該裝置裝在清潔機器人的輪子前端，確保不影響輪子正常運作的情況下，調(diào)節(jié)搞好可以接收到紅外線反射，當清潔機器人走到懸空地方的時候，接收口因為接受不到返回的紅外線便會輸出一個高電平，這時小車只需后退并轉(zhuǎn)向就可以躲過懸空的地方。3.8碰撞開關(guān)裝置設(shè)計碰撞開關(guān)裝置如圖3-11所示：圖3-11 碰撞裝置 碰撞開關(guān)的管腳有三個，分別是：VCC、GND、OUT，將碰撞開關(guān)放置在清潔機器人前方當沒有觸碰開關(guān)時輸出高電平，此時清潔機器人可以繼續(xù)前進；當觸碰的時候便會保持低電平使單片機檢

32、測到，單片機便會控制清潔機器人退后并轉(zhuǎn)向來繞過障礙物。3.9吸塵模塊設(shè)計吸塵模塊的組成是一個簡單的風扇和一個密閉儲物的空間，利用真空吸塵的原理，通過風扇將的儲物盒內(nèi)部的空氣迅速排出，使得儲物盒內(nèi)部突然形成真空，因為儲物盒內(nèi)部與外部存在氣壓差的關(guān)系便會在吸入口處產(chǎn)生一定的吸力，在吸力的作用下便可以輕松的帶入灰塵和其他垃圾異物等，這樣便達到吸塵的作用。第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計一個系統(tǒng)的完美運行靠的是硬件和軟件之間完美的結(jié)合，二者具有相輔相成的關(guān)系。如果將一個系統(tǒng)當成人的話，硬件就是一個人的軀干，而軟件就是一個人的大腦，軟件準確的可以操控硬件完成想完成的動作，而硬件可以幫助軟件做到它想做到的事。兩者可以

33、說是缺一不可。系統(tǒng)部分主要由主控部分和其他子程序組成。主程序控制子程序的運行，子程序?qū)崿F(xiàn)各個模塊具體的性質(zhì)功能，從而實現(xiàn)設(shè)計的整體效果。4.1 系統(tǒng)程序簡介硬件制作完成后，大概的程序框架設(shè)定也已經(jīng)定下來，系統(tǒng)程序的大概走向也比較清晰明了。軟件的設(shè)計必須是建立在硬件的布局上的，而軟件設(shè)計的最佳方法是利用模塊化設(shè)計的方法來試驗，因為模塊化的程序易于編程和調(diào)試，而且可以減少程序故障率和保證程序的成功率。本次清潔機器人的設(shè)計所采用的主控芯片是ATmega16單片機，通過該單片機來控制電機的轉(zhuǎn)向和行走，保護機器人免受外界環(huán)境的損害，設(shè)計特定的路線來使機器人提高清潔效率，在機器人電量過低的時候能夠行駛到電

34、源處自動充電。4.2 程序的流程圖 圖4-1為本設(shè)計的大概流程圖，開始啟動清潔機器人時系統(tǒng)會對單片機上的各個I/O進行初始化，之后便會啟動運行，同時檢測是否PC5口是否為高電平和檢測電池電量是否低于百分之二十。檢測PC5口是否為高電平為是否需要進行遙控操作。當PC5口為低電平切電池電量高于百分之二十便會進行清掃工作，按照特定的路線經(jīng)行清掃知道清掃完成。程序主要流程圖如4-1所示：I/O口初始化I/O口初始化開始啟動超聲波測距檢測是否啟動遙控器執(zhí)行手動操作YN檢測電池電量是否低于20%前往充電YN開始清掃工作充電完成清掃完成結(jié)束圖4-1程序主流程圖部分主程序如下：int main( ) PORT

35、B &= 0XFF;PORTC=0X00; init_devices(); while(1) Forward();if(PINC&0X20)=0X20) /當遙控6鍵按下while(1)if(PINC&0X04)=0X04)Forward();if(PINC&0X01)=0X01)Backward();if(PINC&0X02)=0X02)right();if(PINC&0X08)=0X08)left();if(PINC&0X10)=0X10)Stop(); elseif( MEASURE_FLAG = TRUE ) MEASURE_FL

36、AG = FALSE;if(ShouldTurn()switch(FLAG)case 1: TCCR0 = 0x00; /stop Turn( RIGHT );Delay_us(1000);BACKWARD_R; FORWARD_L; Delay_us(1000); Delay_ms(1500); Forward(); Delay_ms(3000); Stop(); Delay_ms(1000); BACKWARD_R; FORWARD_L; Delay_ms(2500); FLAG=2;TCNT0 = 0XCE; /將定時器 0重置初值TCCR0 = 0x02; /start timerbr

37、eak; case 2: TCCR0 = 0x00; /stop Turn( LEFT );Delay_us(1000);BACKWARD_L; FORWARD_R; Delay_us(1000); Delay_ms(1500); Forward(); Delay_ms(3000); Stop(); Delay_ms(1000); BACKWARD_L; FORWARD_R; Delay_ms(2500); FLAG=1;TCNT0 = 0XCE; /將定時器 0重置初值TCCR0 = 0x02; /start timerbreak;default: break; return 0;4.3 自

38、動充電流程的設(shè)計當清潔機器人檢測到自身電量低于自身設(shè)定的最低電量要求時，便會執(zhí)行自動充電的功能。首先清潔機器人通過放置于前方的紅外線接收器找到充電器所在的位置，通過超聲波的避障順利到達充電處進行對接充電。主要流程圖如4-2：前往充電前往充電充電完成對接充電檢測電池電量是否低于20%開始YN圖4.2 自動充電流程圖4.4清掃路線的設(shè)定設(shè)定清潔機器人的路線一般都會涉及到路徑規(guī)劃，而路徑規(guī)劃在探索領(lǐng)域應(yīng)用得非常廣泛，一般的路徑規(guī)劃指的是點對點的路徑規(guī)劃，這種路徑規(guī)劃是指智能移動設(shè)備根據(jù)已知地圖或者某些提示信息的引導下尋求一條從起點到目標點的避開障礙物的可行路徑，同時完成指定的任務(wù)8。清掃的路線主要分

39、為兩種模式，一種是隨機清掃的模式，主要是在清潔機器人在遇到障礙物后隨機轉(zhuǎn)過一個角度后繼續(xù)前進，這樣的清掃效率比較低，但是比較簡單，第一次清掃的范圍覆蓋可達60%，第四次清掃時清掃的范圍可覆蓋80%左右。第二種模式是高效清潔模式，把需要清掃的房間看成是一個矩形，開始清潔時機器人處以整個房間的右端，貼近墻前進，當?shù)谝淮斡龅角懊娴膲r向左轉(zhuǎn)彎九十度，前行一個身位后再向左轉(zhuǎn)向九十度；當?shù)诙闻龅綁Ρ跁r也是先向右轉(zhuǎn)彎九十度，前進一個身位后再向右轉(zhuǎn)彎九十度后繼續(xù)前進，直到碰到下一個墻壁后再向左轉(zhuǎn)，如此下去。相對來說第二種清掃的模式比較快，而且覆蓋率也比較高。所以我們選擇第二種模式為主要清掃模式。程序流程圖

40、如4-3所示：開始檢測碰到的次數(shù)是否為奇數(shù)遇到障礙物開始清掃想走轉(zhuǎn)并前進一個身位向左轉(zhuǎn)并前進一個身位繼續(xù)繼續(xù)l l NY圖 4-3 清掃流程圖部分程序如下：if( MEASURE_FLAG = TRUE ) MEASURE_FLAG = FALSE;if(ShouldTurn()switch(FLAG)case 1: TCCR0 = 0x00; /stop Turn( RIGHT );Delay_us(1000);BACKWARD_R; FORWARD_L; Delay_us(1000); Delay_ms(1500); Forward(); Delay_ms(3000); Stop(); D

41、elay_ms(1000); BACKWARD_R; FORWARD_L; Delay_ms(2500); FLAG=2;TCNT0 = 0XCE; /將定時器 0重置初值TCCR0 = 0x02; /start timerbreak; case 2: TCCR0 = 0x00; /stop Turn( LEFT );Delay_us(1000);BACKWARD_L; FORWARD_R; Delay_us(1000); Delay_ms(1500); Forward(); Delay_ms(3000); Stop(); Delay_ms(1000); BACKWARD_L; FORWARD

42、_R; Delay_ms(2500); FLAG=1;TCNT0 = 0XCE; /將定時器 0重置初值TCCR0 = 0x02; /start timerbreak;default: break; return 0;4.5電量測量的程序設(shè)計電量測量的程序主要是運用AVR單片機內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換的功能，由于AVR單片機只能單純的處理數(shù)字信號而不能處理模擬量，即單片機的I/O口所能處理的只是0、1這些簡單的數(shù)字組成而已，對于其他的信息無從下手。所以一般的外部的模擬信號量一般都需要是用A/D轉(zhuǎn)變功能來處理，使得模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字量才能進一步的被單片機進行處理。ATmega16單片機內(nèi)部集成有一個10

43、位逐次比較ADC電路，因此AVR可以非常方便地將模擬信號轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號。電源所采用的電池是用的5顆4.2V的鋰電池進行并聯(lián)供電，而我們可以知道鋰電池的電壓與電量成正比關(guān)系，當電池的電量降到百分之二十左右時電池的電壓大概為3.7V，電池滿電量的時候電壓接近4V。采用這一特性，可以大概測出機器人電池電量的多少。程序流程圖如4-4所示：開始I/O口初始化，啟動A/D轉(zhuǎn)換檢測電量是否低于百分之二十前往充電Y檢測充電完成清掃工作NN圖 4-4 自動充電流程圖第五章 系統(tǒng)的測試和總結(jié)本次所設(shè)定的系統(tǒng)的模塊主要分為主控模塊、電機驅(qū)動模塊、超聲波避障模塊、紅外線發(fā)射模塊等，所需要測量的模塊就是上面這幾種。當然

44、還包括整體性能的實現(xiàn)。5.1主控模塊的測試當所有的原件都已經(jīng)焊接完成，我們需要檢測的首先是是否有虛接和漏接的原件。本原件主要是采用5顆4.2v的鋰電池經(jīng)過升壓穩(wěn)壓后給系統(tǒng)供電。穩(wěn)定輸出是5v。然后對其他原件進行性能的檢測，主要是看原件能否按要求達到本次設(shè)計的要求。經(jīng)過檢測和測量，所有的原件都沒有問題，能夠正常的工作。當檢測元件是否正常后，我們接下來測量的是單片機能否正常的下載程序，經(jīng)檢測，發(fā)現(xiàn)無法連接到電腦，經(jīng)過檢查發(fā)現(xiàn)是主控板上的ISP接口有個地方接錯，導致了主控板無法正常的連接到電腦。在將錯接的電路改回來后能夠正常的下載程序和測試。說明了自己所做的系統(tǒng)板正常，能達到本次設(shè)計的要求。5.2電

45、機驅(qū)動模塊的測試 測試電機模塊的好壞，主要是測試該芯片能否正常驅(qū)動電機行駛和轉(zhuǎn)向，在通過單片機下載程序后連接到電機驅(qū)動模塊，電機能夠正常的驅(qū)動電機的行駛和轉(zhuǎn)向，但是行駛的速度比較緩慢，在增大了電壓后電機的轉(zhuǎn)速得到了提高。所以經(jīng)過測試，電機模塊能夠正常的運行，能夠達到本次設(shè)計所需要的要求。5.3超聲波避障模塊的測試與結(jié)果測試超聲波模塊的好壞，主要是測試該模塊的觸發(fā)端和接收端能否正常工作。通過單片機下載程序，向觸發(fā)端發(fā)送不少于10us的高電平信號，然后在超聲波模塊前放置一塊擋板，使用電表對接收端進行檢測，主要是檢測在接受到超聲波信號返回時是否有高電平的變化，在接受端高電平所持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)

46、射位置發(fā)出到碰到障礙物返回到原位置所花費的時間。通過測試發(fā)現(xiàn)超聲波模塊能夠正常的發(fā)射和接收信號，電平的變化顯示正常，障礙物距離與高電平持續(xù)的時間也和公式S=t*340/2符合。測試過程和結(jié)果如下5-1 超聲波模塊測試結(jié)果理論S/cm時間t/s實際S/cm200.0011817400.0023539600.0035357800.00471781000.00588965-2 超聲波模塊測試過程5.4紅外線發(fā)射模塊測試測試紅外線的好壞，主要是測試是否能夠發(fā)射出紅外線，而且該紅外線是否達到本設(shè)計所要求的頻率。在檢測好各個原件都正常而且沒有出現(xiàn)虛接和漏接的情況下，通過示波器來觀察和檢測是否能夠發(fā)射出38

47、KHZ的紅外線。剛開始測量時，頻率無法達到所需要的38KHZ，經(jīng)過調(diào)節(jié)電阻R2，并根據(jù)公式：頻率= 1.44 /（R1 + R2 + R2）* C）求出電阻R2。最后該模塊能夠產(chǎn)生38KHZ紅外線，所以達到實驗要求，測試表格和結(jié)果如下：5-3 紅外發(fā)射模塊測試結(jié)果R1/KR2/KC/ufF/HZ1030.0195991060.0168571090.01533310120.01436310140.01389610160.0135125-3 38KHZ波形圖第六章 結(jié)束語通過本次設(shè)計的制作，論文編寫和程序設(shè)計，使我進一步了解到自身的各種不足，特別是自己在程序編寫方面的不足，導致本次設(shè)計的結(jié)束很晚才

48、完成。在最后通過老師和同學的幫助，通過自己查閱大量的資料和網(wǎng)上查詢 。才彌補了這一不足。這是我明白了在平時應(yīng)當多積累自己的知識和經(jīng)驗，面對不懂問題應(yīng)該及時向老師同學詢問。在本次設(shè)計的制作過程中碰到了不少的困難，了解了自己在很多方面的不足，需要改進的還有很多，只有不斷的改進自身的不足，才能不斷的進步。通過本次設(shè)計使我對電子設(shè)計這一方面更進一步的了解和加強。了解了DXP繪制電路圖所需要注意的各種問題，原件所接線的粗細、焊板空的大小、元器件的擺放、管腳的要求等。能夠在這么快的時間內(nèi)了解這些問題，離不開的是身邊同學們的幫助。很欣喜的是經(jīng)過本次設(shè)計的制作，我感覺自身的動手能力等到了很大的提升。在專業(yè)知識

49、上使我再一次深入的了解了AVR單片機的強大，明白了單片機的運用?？傊谕瓿烧麄€畢業(yè)設(shè)計的過程中使我收獲很多，在這過程中不僅運用到了在大學期間所學到的知識，同時也提高了我自身的動手能力。當然本次的設(shè)計也還有許多的不足需要改進，這還需要老師的多多指導。通過本次設(shè)計的制作，使我的能力提升了不少，我相信這些經(jīng)驗會給我以后的工作和學習帶來很大的幫助。參考文獻1 李志華.基于人工智能技術(shù)的嵌入式真空吸塵器研究.J.電子制作.2014.09：67-682 王洛.新一代家庭保姆:智能機器人吸塵器.J.大眾電器2014.08：373 李輝.基于AVR單片機的智能小車設(shè)計.J.才智.2011.29：374 張海

50、鷹.超聲波測距技術(shù)研究.J.儀表技術(shù).2011.09：58-605 雷震.基于AVR單片機的智能尋線小車的設(shè)計與實現(xiàn).J信息系統(tǒng)工程.2012.10：76-786 吳震.基于AVR單片機的步進電機驅(qū)動設(shè)計與應(yīng)用.J.蘇州市職業(yè)大學學報.2011.03：37-407 王紅美.基于單片機的紅外線遙控器控制.J.自動化應(yīng)用.2013.09：31-328 馬正華.智能吸塵器全覆蓋遍歷路徑規(guī)劃及仿真實現(xiàn).J計算機測量與控制.2012.02：99-1029 孔凡新.無線控制紅外線避障小車.J科學信息.2011.36：512-51310 富大鵬 .基于AVR單片機的無線遙控智能小車.J.世界電子元器件201

51、4.01：44-4611 張飛云.基于AVR單片機的兩輪自平衡小車設(shè)計.J河南工程學院報.2013.01：59-60 12 Anonymous.Atmel and Arduino Collaborate on AVR and ARM-based Development Platforms.J.Wireless News.2011.13 余翔翔.無線電遙控式直流電機控制系統(tǒng).J.杭州電子科技大學學報.2013.05：191-19414 朱小燕.淺談智能控制小車的設(shè)計.J.機電信息.2011.11：180-18215 胡大力.基于熱釋電傳感器的人體輻射檢測電路設(shè)計.J.電子技術(shù).2013.02：34-35附錄（一）電路圖1、 ATmega16最小系統(tǒng)：2、 紅外線發(fā)射電路3、 電機驅(qū)動電路4、 避障、紅外接收電路附錄（二）主程序#include <iom16v.h>#include <macros.h>/觸發(fā)端口：PB0/回應(yīng)端口：PD3#define ECHO PD3#define START_TRIG PORTB |= 0X01#define STOP_TRIG PORTB &= 0XFE#define CLEAR_TRIG STOP_TRIG#define CLEAR_ECHO PORTD &= (