智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作說明書

智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)與制作DESIGNANDMANUFACTUREOFINTELLIGENTSWEEPINGROBOT緒論1.1發(fā)展背景目前，智能掃地機(jī)成為機(jī)器人技術(shù)研究的熱門。從科學(xué)理論與技術(shù)角度來講，智能掃地機(jī)器人在服務(wù)型移動(dòng)機(jī)器人領(lǐng)域中具有較強(qiáng)的代表性，體現(xiàn)了較多關(guān)鍵性技術(shù)；從目前的市場(chǎng)發(fā)展前景講，智能掃地機(jī)器人的誕生可以使人們從繁瑣的家務(wù)中解放雙手，降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)大大提高了勞動(dòng)效率；家用智能掃地機(jī)器人一般用于對(duì)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(chǎng)合；綜上，對(duì)智能掃地機(jī)的研究不但有極大的挑戰(zhàn)，還有非常寬廣的市場(chǎng)發(fā)展空間。此外，對(duì)吸掃式機(jī)器人的研究開始于20世紀(jì)后期，因此智能掃地機(jī)器人是服務(wù)類移動(dòng)機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用發(fā)展的先行者。隨著研究的深入，科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，目前市場(chǎng)上已經(jīng)生產(chǎn)了一些類似的服務(wù)型機(jī)器人產(chǎn)品，其中部分產(chǎn)品促進(jìn)了智能掃地機(jī)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(jī)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(jī)器人服務(wù)類機(jī)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(tái)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(jì)后期至今，智能掃地機(jī)器人作為服務(wù)類機(jī)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(guān)鍵的技術(shù)尚未成熟，如掃地機(jī)器人的行走路線設(shè)計(jì)便是其中的一項(xiàng)非常重要且尚未成熟的技術(shù)。目前市場(chǎng)上的不同品牌的掃地機(jī)器人所具有的功能也各不同，如有的機(jī)器人可以在地面上隨意行走，有的品牌機(jī)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(chǎng)反饋發(fā)現(xiàn)，雖然有些公司推出了一些樣機(jī)或產(chǎn)品，但效果卻不能令人滿意，如清掃效率低，遍歷時(shí)間長(zhǎng)等。隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，人們?cè)絹碓较Ｍ行Ы档蛣趧?dòng)力并從繁瑣的日常事務(wù)中擺脫出來，這就使得自主性高的智能掃地機(jī)器人進(jìn)入各家各戶成為可能。如若智能掃地機(jī)具有較好的性價(jià)比智能掃地機(jī)的前景自然將會(huì)被認(rèn)可。目前市場(chǎng)上智能掃地機(jī)主要為吸掃式，這種方式掃地機(jī)具有效率高，功耗低，運(yùn)行平穩(wěn)等優(yōu)點(diǎn)，使其成為目前世界市場(chǎng)上使用最多的一款清掃機(jī)種類；這種吸掃式掃地機(jī)器人的清掃部分通常由邊刷和邊刷電機(jī)、風(fēng)機(jī)和儲(chǔ)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(duì)角落的清掃；邊刷將側(cè)面的雜物帶動(dòng)到風(fēng)機(jī)的工作區(qū)域內(nèi)，然后再通過風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的吸力將雜物吸到儲(chǔ)灰盒內(nèi)，從而完成清掃工作。這種類型智能掃地機(jī)的主要工作是對(duì)室內(nèi)地面的清潔，特別是對(duì)雜物、灰塵、毛發(fā)等清掃且其清掃效果非常好。智能掃地機(jī)的誕生不但帶動(dòng)了社會(huì)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，還為社會(huì)帶來了十分明顯的社會(huì)效益。1.3研究的目的和意義人類在機(jī)器人方面的研究已經(jīng)取得巨大的進(jìn)步，打開了時(shí)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(jī)器人將融進(jìn)人類的日常生活中，機(jī)器人將會(huì)像電腦和手機(jī)一樣成為人們生活的必須品。從實(shí)用角度來看，機(jī)器人大致可分為娛樂型、服務(wù)型以及制造型機(jī)器人等等。本文要研究的智能掃地機(jī)便屬于服務(wù)型。智能掃地機(jī)具有省時(shí)、省力，安全可靠等優(yōu)點(diǎn)；整個(gè)工作過程中不需要人們的干預(yù)，從而降低人們的勞動(dòng)強(qiáng)度；另外智能掃地機(jī)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(jī)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(zhì)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(jī)具有使用方便，自主性高、性能穩(wěn)定、工作效率高等特點(diǎn)。1.4本課題的主要研究?jī)?nèi)容本課題設(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)包括方案總體設(shè)計(jì)、機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)、硬件部分方案設(shè)計(jì)以及軟件部分方案設(shè)計(jì)。主要工作如下：（1）根據(jù)任務(wù)書對(duì)智能掃地機(jī)器人的要求，對(duì)所應(yīng)該實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行系統(tǒng)分析，確定本設(shè)計(jì)總體方案。（2）智能掃地機(jī)的機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)，其中包括掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)和吸掃機(jī)構(gòu)；（3）硬件電路方案設(shè)計(jì)，包括掃地機(jī)的主控電路設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、傳感器電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)，遙控電路設(shè)計(jì)等；（4）根據(jù)對(duì)應(yīng)的硬件電路，設(shè)計(jì)系統(tǒng)程序；畫出整個(gè)系統(tǒng)的軟件程序綜框圖，包括主程序、初始化程序、延時(shí)程序、藍(lán)牙遙控程序、紅外避障程序、防跌落程序、自動(dòng)清掃模式程序以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序（5）將編寫好的軟件程序進(jìn)行調(diào)試；根據(jù)實(shí)物現(xiàn)象，調(diào)試程序，直到實(shí)現(xiàn)所需要的功能。

2智能掃地機(jī)器人整體方案設(shè)計(jì)本課題設(shè)計(jì)的是一款集電機(jī)學(xué)、智能檢測(cè)學(xué)、電工電子學(xué)、單片機(jī)學(xué)，計(jì)算機(jī)學(xué)等于一體的智能掃地機(jī)。其主要實(shí)現(xiàn)的功能是智能掃地機(jī)器人既可以在一個(gè)沒有人干預(yù)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(shè)計(jì)的智能掃地機(jī)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(lán)牙芯片對(duì)智能掃地機(jī)器人進(jìn)行無線遙控，控制清掃路徑及在電量不足時(shí)控制其停止工作并返回充電座進(jìn)行充電。本智能掃地機(jī)設(shè)計(jì)方案如圖2-1所示，主要由3部分組成：機(jī)械方案設(shè)計(jì)、硬件控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、軟件方案設(shè)計(jì)。其中機(jī)械設(shè)計(jì)部分包括智能掃地機(jī)的行走機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和吸掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)；硬件控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)、傳感器方案設(shè)計(jì)以及系統(tǒng)電源方案設(shè)計(jì)。對(duì)于機(jī)械設(shè)計(jì)中的行走部分設(shè)計(jì)，市場(chǎng)有四輪結(jié)構(gòu)和三輪結(jié)構(gòu)，其中三輪機(jī)構(gòu)占多數(shù)。本設(shè)計(jì)主要采用的是三輪結(jié)構(gòu)，由雙輪電機(jī)通過齒輪減速箱驅(qū)動(dòng)的左右雙驅(qū)動(dòng)輪和一個(gè)從動(dòng)萬向輪；對(duì)于吸掃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，智能掃地機(jī)器人主要由離心風(fēng)機(jī)和邊刷電機(jī)組成，其功率的大小決定了智能掃地機(jī)器人的吸掃效率。驅(qū)動(dòng)電機(jī)、渦輪離心風(fēng)機(jī)以及邊刷電機(jī)都將采用直流電機(jī)；電路控制系統(tǒng)中的主控系統(tǒng)部分使用單片機(jī)控制，包括對(duì)執(zhí)行電機(jī)的控制，以及對(duì)傳感器的響應(yīng)等；傳感器部分主要為了保障機(jī)器人能夠安全工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)障礙物的避障。由于各個(gè)器件所需要的工作電壓不同，電源電路部分就是使為了實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)用電器件進(jìn)行供電，保證其工作在額定電壓內(nèi)，使機(jī)器正常工作。軟件設(shè)計(jì)部分目的是通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)各電機(jī)，傳感器等的控制。圖2-1智能掃地機(jī)方案設(shè)計(jì)圖2.1機(jī)械部分方案設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)的機(jī)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(jī)構(gòu)不會(huì)變形，采用PVC硬質(zhì)板。行走機(jī)構(gòu)包括直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)、小型減速箱、驅(qū)動(dòng)輪以及萬向從動(dòng)輪；吸掃機(jī)構(gòu)由離心風(fēng)機(jī)、邊刷電機(jī)、毛邊刷以及儲(chǔ)灰盒。直流電動(dòng)機(jī)憑借效率高，功率大，運(yùn)行平穩(wěn)等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于器人領(lǐng)域；另外，直流電機(jī)具有較好的可調(diào)速性，它可以通過電子開關(guān)變化轉(zhuǎn)向，通過PWM進(jìn)行脈沖調(diào)速，此外，較高的使用壽命；因此，本設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)部分采用直流電機(jī)。電機(jī)調(diào)速可以通過單片機(jī)I/0口模擬脈沖信號(hào)的方法實(shí)現(xiàn)。本課題將選用單片機(jī)I/0口程序模擬脈沖信號(hào)的方法對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。風(fēng)機(jī)和帶動(dòng)毛刷的邊刷電機(jī)全部采用直流電機(jī)，由于只需要控制電機(jī)的通斷，所以采用利用晶體管的開關(guān)特性實(shí)現(xiàn)對(duì)其控制。2.2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)本方案設(shè)計(jì)大致可分為主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)、傳感器方案設(shè)計(jì)和電源電路方案設(shè)計(jì)?？偪驁D如下圖2-2所示；圖2-2控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)框圖2.2.1主控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)根據(jù)掃地機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的各個(gè)功能，主控器既要方便地執(zhí)行各個(gè)子系統(tǒng)，又要響應(yīng)各傳感器輸入的數(shù)據(jù)。因而主控器需要有多個(gè)中斷源和輸入輸出接口，同時(shí)較大程序存儲(chǔ)內(nèi)存，保證程序在掉電情況不會(huì)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(jī)性能可靠，使用簡(jiǎn)單，在各個(gè)領(lǐng)域使用較多。因此選用STC51單片機(jī)，其足夠存儲(chǔ)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(jī)可以讀取外圍的傳感器設(shè)備的輸入數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的避障，溫度采集等功能。2.2.2驅(qū)動(dòng)電路方案設(shè)計(jì)電機(jī)的控制電路是為了使掃地機(jī)具有控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，調(diào)速等功能；整個(gè)系統(tǒng)的主控系統(tǒng)采用單片機(jī)，單片機(jī)的I/O口的輸出電壓是5V，為了便于直接通過單片機(jī)對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，調(diào)速等實(shí)現(xiàn)控制，本設(shè)計(jì)采用L298N作為電機(jī)的控制模塊。此芯片功耗低，可控性好，散熱性能好，支持PWM進(jìn)行脈沖調(diào)速。此芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。由于邊刷電機(jī)和風(fēng)機(jī)只需要控制他們的啟動(dòng)和停止，所以利用三極管的開關(guān)特性和繼電器設(shè)計(jì)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)其的控制。2.2.3傳感器方案設(shè)計(jì)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(yuǎn)遠(yuǎn)超過人類；傳感器一般可以把非電信號(hào)變換為電信號(hào)，因此其一般由三個(gè)部分組成。傳感器按照被測(cè)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(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的功能和對(duì)工作性能的要求。一般對(duì)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(shí)，有較大的輸出量。（2）較高的分辨率。指?jìng)鞲衅饕疠敵隽慨a(chǎn)生可觀測(cè)的微小變化所需要最小△X。較高分辨率傳感器可以檢測(cè)量更加準(zhǔn)確，保證數(shù)據(jù)精度。（3）較高的重復(fù)性和線性度；在線性度和重復(fù)性較高的情況下了，可以更加方便處理數(shù)據(jù)，同時(shí)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(jī)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(shí)就要求傳感器不會(huì)受環(huán)境的影響。躲避障礙物是家用掃地機(jī)的必備功能；由于室內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，為了能夠保證機(jī)器人在沒有人干預(yù)的情況下自主完成室內(nèi)的清掃工作，機(jī)器人就必須能夠識(shí)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(dāng)碰撞時(shí)將產(chǎn)生的力傳遞到壓力開關(guān)上，以此作為輸入信號(hào)，其優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高但是沖擊力大，要緩解力的作用，機(jī)械設(shè)計(jì)部分會(huì)復(fù)雜很多。非觸碰式有紅外傳感器，其可以使得掃地機(jī)與障礙物間接碰觸。為了使掃地機(jī)能夠穩(wěn)定工作，就必須保證兩個(gè)輪子速度相同。這樣就必須用到測(cè)速傳感器。本設(shè)計(jì)中采用光電編碼式傳感器，這件不僅可以測(cè)量機(jī)器人的速度，還可以測(cè)量出機(jī)器人移動(dòng)的距離。2.2.4電源電路方案設(shè)計(jì)為了使掃地機(jī)器人在一次充電后有一定的工作時(shí)間，本設(shè)計(jì)采用鎳氫電池，這種電池耐過充過放，具有較強(qiáng)的速放電能力，使用較安全，而且相對(duì)于其他電池經(jīng)濟(jì)性更強(qiáng)。此外這種材料的電池不含有毒材料，可以避免對(duì)大氣造成危害。由于智能到底機(jī)器人一般是工作在室內(nèi)，而鎳氫電池可適應(yīng)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(jī)的工作電壓為5V左右，所以在整個(gè)系統(tǒng)中要采用變壓電路。本設(shè)計(jì)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(jī)器人能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)返回充電功能，系統(tǒng)要對(duì)電源電壓進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)電池電量不足時(shí)，智能掃地機(jī)執(zhí)行返回充電程序。本設(shè)計(jì)將通過A/D模塊對(duì)電池實(shí)施檢測(cè)。(3）本設(shè)計(jì)將通過機(jī)械式對(duì)智能掃地機(jī)進(jìn)行充電；在充電站上布有兩根平行的直線電極，掃地機(jī)尾端同樣配置2根正負(fù)金屬電極。通過紅外對(duì)光管實(shí)現(xiàn)兩者的充電對(duì)接。2.3軟件方案設(shè)計(jì)因?yàn)閷?duì)掃地機(jī)移動(dòng)速度和精度不需要太嚴(yán)格，所以在本設(shè)計(jì)中選擇用C編寫程序?qū)崿F(xiàn)軟件功能。將在KEILL軟件平臺(tái)上使用C語言進(jìn)行編程；用C編寫的程序便于理解、編寫簡(jiǎn)單，且有較高的可轉(zhuǎn)移性以及可實(shí)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(tái)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(tái)上使用。本設(shè)計(jì)的軟件方案主要包括主系統(tǒng)、初始化、延時(shí)、藍(lán)牙遙控、紅外避障、自動(dòng)清掃以及電機(jī)控制程序等。

3機(jī)械部分設(shè)計(jì)3.1行走機(jī)構(gòu)行走機(jī)構(gòu)如圖3-1所示，采用輪式結(jié)構(gòu)；其中左右兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由可調(diào)速的直流電機(jī)控制，轉(zhuǎn)向輪可任意方向轉(zhuǎn)動(dòng)，便于機(jī)器人在行走過程中改變方向。圖3-1行走機(jī)構(gòu)直流電機(jī)具有調(diào)速區(qū)域大，速度便于調(diào)節(jié)，啟動(dòng)、停止轉(zhuǎn)矩大、容易驅(qū)動(dòng)，穩(wěn)定性能好等特點(diǎn)。掃地機(jī)器人的工作主要是對(duì)室內(nèi)地面的清掃，為了防止機(jī)器人在工作時(shí)打滑，無法有效完成工作，本設(shè)計(jì)將采用的橡膠防滑輪。減速電機(jī)如圖3-2所示；減速電機(jī)的具體參數(shù)如表3-1所示。速度計(jì)算公式見式(3.1)圖3-2直流減速電機(jī)表3-1減速電機(jī)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(fù)載電流≤150MA≤160MA≤180MA≤200MA負(fù)載轉(zhuǎn)速80轉(zhuǎn)/分180轉(zhuǎn)/分220轉(zhuǎn)/分290轉(zhuǎn)/分扭矩0.4kg.cm0.8kg.cm1.0kg.cm1.2kg.cm電機(jī)轉(zhuǎn)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(dòng)機(jī)的性能參數(shù)。從上式中可得，n和電壓、電流相關(guān)，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(jìn)行調(diào)速。事實(shí)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(jìn)行速度調(diào)整。本設(shè)計(jì)中將采用單片機(jī)I/O模擬PWM脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速控制。脈沖占空比將決定電機(jī)的平均功率，因此實(shí)現(xiàn)了電機(jī)轉(zhuǎn)速值的控制。通過計(jì)算，市場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和已有產(chǎn)品的分析，本設(shè)計(jì)的電機(jī)采用智能小車專用減速電機(jī)，額定電壓為9V,額定電流為18mA,額定轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)/分鐘，減速比48:1，可以帶動(dòng)1.2kg的負(fù)載。3.2吸掃機(jī)構(gòu)智能掃地機(jī)的吸掃機(jī)構(gòu)包括邊刷電機(jī)和邊刷、風(fēng)機(jī)以及儲(chǔ)灰盒。邊刷電機(jī)和離心風(fēng)機(jī)都是直流電機(jī)，只是所需要的電機(jī)功率不同，因此需要的驅(qū)動(dòng)電流也有差異。（1）由于掃地機(jī)器人使工作在室內(nèi)，在保證具有足夠風(fēng)力的同時(shí)，還必須保證機(jī)器人有較低的噪音。綜上，本設(shè)計(jì)采用的渦輪離心風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)如圖3-3所示。圖3-3渦輪離心風(fēng)機(jī)（2）邊刷電機(jī)的作用時(shí)使邊刷轉(zhuǎn)動(dòng)，然后將地面的雜物清掃到吸風(fēng)口處；邊刷質(zhì)量很輕，不必較大的驅(qū)動(dòng)力，所以使用一個(gè)小功率的電機(jī)。當(dāng)電壓為3V時(shí)，最大轉(zhuǎn)速為80轉(zhuǎn)/分鐘；當(dāng)電壓為5V時(shí)，電機(jī)最大轉(zhuǎn)速為150轉(zhuǎn)/分鐘。3.3底盤設(shè)計(jì)底盤是智能掃地機(jī)器人的基架；底盤需要具有一定的硬度及考慮到材料對(duì)環(huán)境的污染，本設(shè)計(jì)采用PVC材質(zhì)的3mm硬紙板。此外，根據(jù)已經(jīng)確定的器件尺寸，將機(jī)器底盤尺寸設(shè)計(jì)為直徑400mm的圓。設(shè)計(jì)如圖3-4所示；圖3-4底盤設(shè)計(jì)3.4充電座設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)的后端裝有正負(fù)金屬電極，便于掃地機(jī)在電壓不足時(shí)進(jìn)行對(duì)接充電。將兩條正負(fù)平行電極裝在充電站上，當(dāng)掃地機(jī)上的兩個(gè)電極與這對(duì)電極接觸時(shí)便可以對(duì)電池實(shí)施充電。智能掃地機(jī)的左側(cè)和后端裝配有兩個(gè)信號(hào)接收探頭，各個(gè)信號(hào)接收器能夠接收一定區(qū)域內(nèi)的發(fā)射信號(hào)。充電座上裝有一個(gè)信號(hào)發(fā)射探頭，一直發(fā)出信號(hào)便于智能掃地機(jī)尋找到充電位置。設(shè)定清潔機(jī)器人在自主尋找充電站時(shí)機(jī)器人將按照順時(shí)針方向行進(jìn)，這樣左側(cè)的紅外傳感器將先檢測(cè)到信號(hào)，掃地機(jī)將順時(shí)回轉(zhuǎn)270°，旋轉(zhuǎn)后其后端的紅外傳感器將檢測(cè)到來自充電站的紅外信號(hào)，同時(shí)智能掃地機(jī)靠近充電站直到尾端上的兩個(gè)金屬電極和充電站上的充電電極接到一起；充電座設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)整個(gè)硬件控制系統(tǒng)由主控系統(tǒng)、電機(jī)控制電路、傳感器、電源電路組成。4.1主控系統(tǒng)設(shè)計(jì)51系列的單片機(jī)被應(yīng)用于控制領(lǐng)域時(shí)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?cè)诰幊虝r(shí)提供了非常寶貴經(jīng)驗(yàn)。此外，52單片機(jī)還擁有損耗低、性能高、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。因此本設(shè)計(jì)將使用STC公司的89C52作為MCU。4.1.1STC89C52單片機(jī)簡(jiǎn)介STC89C52是STC公司生產(chǎn)的低電壓，性能穩(wěn)定的八位機(jī)，其片內(nèi)配置有8KB的可重復(fù)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(jī)功能強(qiáng)大，適用范圍廣。（1）主要特點(diǎn)片內(nèi)只讀程序存儲(chǔ)器可擦寫1000次；晶振支持頻率范圍：0Hz-40Hz；可對(duì)程序進(jìn)行三級(jí)加密內(nèi)存；3個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器T0、T1、T2；52單片機(jī)具有6個(gè)中斷源（T0，T1，T2，INT0,INT1）；支持全UART功能，可通過定時(shí)器軟件編程實(shí)現(xiàn)多個(gè)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(shí)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(gè)振蕩周期構(gòu)成一個(gè)機(jī)器周期；可承受溫度值：-40～+85℃；采用40PDIP封裝。4.1.2單片機(jī)引腳介紹單片機(jī)根據(jù)封裝的不同包括PDIP，PLCC和PTQFP；51系列單片機(jī)為第一種，兩列的PDIP封裝，引腳圖如圖4-1；圖4-1STC52單片機(jī)引腳圖如圖所示，STC89C52芯片共有40個(gè)引腳，其中芯片的1腳頂上有個(gè)凹點(diǎn)，這40個(gè)引腳分別為外電源引腳有2個(gè)(VCC,GND)，外接晶體振蕩器引腳2個(gè)(XTAL1，XTAL2)，控制引腳4個(gè)(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(fù)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(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)引腳；第30引腳（ALE/PROG）：當(dāng)外部拓展ROM/RAM時(shí)用做鎖存控制引腳；第29引腳（PSEN）：外部存儲(chǔ)器讀選通信號(hào)端，外部拓展程序存儲(chǔ)器時(shí)使用；第31引腳（EA/VPP)：當(dāng)此引腳與GND相連接時(shí)，CPU將從外擴(kuò)的ROM讀取程序；此引腳與VCC相連接時(shí)，CPU將從內(nèi)部ROM讀取程序。此外，STC89C5單片機(jī)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(gè)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(shí)為了提高驅(qū)動(dòng)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(dòng)四個(gè)TTL邏輯電路。P2口：可作為輸入輸出口使用外，還可以復(fù)用作高八位AB總線使用，一次能夠帶動(dòng)四個(gè)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(dòng)四個(gè)TTL電路。此外,P3口各個(gè)引腳還具有其他功能，如表4-1所示：表4-1P3口引腳與復(fù)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(shí)器0)P3.5T1(定時(shí)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(jī)電路設(shè)計(jì)（1）I/O設(shè)計(jì)P00、P01作為兩邊刷電機(jī)控制信號(hào)端；P02作為渦輪離心風(fēng)機(jī)的控制信號(hào)端；P03、P04作為智能掃地機(jī)器人的工作模式選擇按鍵輸入信號(hào)端；P20、P21、P26、P27作為四路紅外傳感器的信號(hào)采集端；P22、P23、P24、P25作為兩驅(qū)動(dòng)電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)端；P30、P31作P3的復(fù)用功能用，P30作為藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸入端，P31作為藍(lán)牙模塊的信號(hào)輸出端；REST引腳為復(fù)位信號(hào)輸入引腳；EA接VCC時(shí)，MCU將從內(nèi)部ROM讀取指令。（2）復(fù)位電路及最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)51單片機(jī)高電平復(fù)位。復(fù)位是指MCU配置恢復(fù)到原始狀態(tài)；復(fù)位后CPU將從ROM的第一個(gè)單元讀取并執(zhí)行指令。就本設(shè)計(jì)采用的51MCU來看，當(dāng)RST引腳上出現(xiàn)連續(xù)的12個(gè)狀態(tài)周期的高電平時(shí)，MCU將自動(dòng)恢復(fù)到初始狀態(tài)。復(fù)位方式有兩種：手動(dòng)復(fù)位：手動(dòng)操作時(shí)，復(fù)位引腳將于VCC相連得到12個(gè)狀態(tài)周期以上的高電平，MCU將自動(dòng)恢復(fù)到原始狀態(tài)；當(dāng)按鈕松開后，單片機(jī)從0000H讀取程序開始工作。上電復(fù)位：給單片機(jī)上電瞬間，電源對(duì)電容進(jìn)行充電，這就相當(dāng)于電容被導(dǎo)通；此時(shí)，電源正極通過一個(gè)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(duì)電容進(jìn)行放電，由于電荷的流失RST引腳將被拉低。一段時(shí)間之后RST引腳與GND連接，MCU將重新進(jìn)行運(yùn)行。晶振電路人的心臟，具有起振作用。從理論上分析，當(dāng)設(shè)置的頻率越大時(shí)，CPU處理指令的速度將越高效，以此同時(shí)，這就要求ROM/RAM具有較高的的處理速度以及對(duì)PCB的制作要求也更嚴(yán)格。MCU處理指令性能的優(yōu)劣不僅與CPU的運(yùn)行頻率相關(guān)聯(lián)，而且與RAM/ROM的運(yùn)行頻率、以及其他外部拓展設(shè)備等的速度都密切相關(guān)。STC89系列最高頻率可達(dá)到40MHZ，雖然從理論上講選擇的頻率越高，MCU的運(yùn)行指令的速度便也越高，但同時(shí)MCU的穩(wěn)定性也較差；根據(jù)STC89C52的數(shù)據(jù)手冊(cè)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(duì)電容的大小沒有具體的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，但是這兩個(gè)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(dòng)的速度特性等等，因此，在設(shè)計(jì)51系列MCU晶振電路時(shí)一般C1、C2選值30uF；單片機(jī)的最小系統(tǒng)如圖4-2所示。圖4-2單片機(jī)最小系統(tǒng)4.1.4藍(lán)牙遙控設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)器人需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)清掃模式和可人工遙控模式，其中自動(dòng)清掃模式可通過設(shè)置程序?qū)崿F(xiàn)；對(duì)于遙控模式，本設(shè)計(jì)采用藍(lán)牙模塊實(shí)現(xiàn)遙控功能。人們可以在手機(jī)上安裝藍(lán)牙應(yīng)用程序，然后利用藍(lán)牙構(gòu)成連接以達(dá)到控制掃地機(jī)器人的目的。本設(shè)計(jì)采用HC-05藍(lán)牙串口通訊模塊；此模塊具有通訊范圍廣，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，最主要的是此模塊可直接與單片機(jī)相連，與手機(jī)進(jìn)行通訊；因此用戶無需使用專門的控制器，利用手機(jī)即可控制智能掃地機(jī)。值得應(yīng)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?yàn)樗{(lán)牙模塊從TXD發(fā)送的數(shù)據(jù)由單片機(jī)接收；其應(yīng)用電路如圖4-3所示圖4-3藍(lán)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(jī)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(jī)的接收端RXD；EN:開關(guān)控制端；需要開啟自動(dòng)模式時(shí)需要和電源+5V相連接；（2）參數(shù)：PCB尺寸:37.3mm(長(zhǎng))*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(shí)防止燒掉功能；電源接反時(shí)模塊將不工作；引出6個(gè)腳:EN/VCC/GND/RXD/TXD/STATE；帶有LED運(yùn)行狀態(tài)指示燈；LED快閃時(shí)表示芯片與MCU沒有實(shí)現(xiàn)連接；LED間隔閃爍時(shí)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(dāng)模塊未連接成功時(shí),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(dāng)配對(duì)成功后,電流在10mA上下波動(dòng)；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(shè)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L(zhǎng)ANYA-00；帶透明熱縮管保護(hù)；4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)控制電動(dòng)機(jī)的電路設(shè)計(jì)主要是為了控制電機(jī)的開啟關(guān)閉以及轉(zhuǎn)動(dòng)方向；本設(shè)計(jì)采用L298N，即雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊；4.2.1L289N驅(qū)動(dòng)模塊簡(jiǎn)介該芯片采用15引腳封裝。其主要具有驅(qū)動(dòng)電壓大，輸入電流小，正常工作的功率20W等特點(diǎn)；此外模塊配置有2個(gè)大功率的H橋驅(qū)動(dòng)芯片，這有利于控制功率較大的電機(jī)以及線圈等負(fù)載；L298模塊還可以通過標(biāo)準(zhǔn)的TTL信號(hào)控制，其具有兩個(gè)控制使能（ENA,ENB）；一個(gè)電機(jī)控制模塊可以控制兩個(gè)直流電機(jī)，并支持PWM技術(shù)，可通過程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。4.2.2引腳及其運(yùn)用L298N共有15個(gè)端口引腳，其中VSS引腳支持規(guī)范的TTL信號(hào)，可接電壓范圍為5V～6.5V，在本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中接9V電壓，此時(shí)輸出的最大電流為1.5安培，能夠驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載。此模塊可同時(shí)驅(qū)動(dòng)2個(gè)直流電機(jī)，引腳中的OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4可分別接兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的正負(fù)極；IN1和IN2端口接MCU的P22,P23，用于控制電機(jī)1的正反轉(zhuǎn)；IN3和IN4腳接MCU的P24，P25端口，用于控制電機(jī)2的正反轉(zhuǎn)；這四個(gè)引腳可輸入PWM脈沖對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)制，如通過單片機(jī)I/O給IN3輸入一個(gè)PWM脈沖，然后給IN4通過單片機(jī)輸入IN3相反的PWM脈沖，此時(shí)電機(jī)將正轉(zhuǎn)；當(dāng)然產(chǎn)生PWM脈沖的方法有很多，但這里建議使用單片機(jī)I/O通過程序模擬設(shè)置較為方便簡(jiǎn)單，這樣可以減少硬件電路的設(shè)計(jì)與焊接，盡可能避免出現(xiàn)更多問題。如果想要實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速方向轉(zhuǎn)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(guān)引腳端口，控制電機(jī)是否可以工作；使能端接電源負(fù)極時(shí)，電機(jī)將終止工作。其引腳及單片機(jī)連接如下圖4-4所示；其邏輯關(guān)系如表4-2所示。圖4-4引腳及連線圖表4-2邏輯關(guān)系表直流電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式IN1IN2IN3IN4控制使能信號(hào)ENAENBM1正轉(zhuǎn)10//1/反轉(zhuǎn)01//1/停止00//1/M2正轉(zhuǎn)//10/1反轉(zhuǎn)//01/1停止//00/1本設(shè)計(jì)采用PWM對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速；產(chǎn)生PWM信號(hào)常用的3種方法如下：PWM信號(hào)發(fā)生器；此方式利用硬件電路生成PWM信號(hào)；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?qū)υ摱丝谳敵鲭妷盒盘?hào)來仿真脈沖信號(hào)；利用單片機(jī)片內(nèi)的PWM口；目前新產(chǎn)生的單片機(jī)很多都具有PWM脈沖調(diào)制調(diào)速功能；這種方式適用于對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、穩(wěn)定。本設(shè)計(jì)采取第三種通過MCU的I/O口產(chǎn)生脈沖信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。4.2.3風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)由于機(jī)器人的風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)只需要實(shí)現(xiàn)控制其開啟與關(guān)閉，正反轉(zhuǎn)不予考慮，因此，在電路設(shè)計(jì)時(shí)只需要設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)其開關(guān)功能。（1)風(fēng)機(jī)的控制電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)使用1路5V低電平觸發(fā)繼電器控制風(fēng)機(jī)的開關(guān)。其工作原理如下:當(dāng)P02為“0”時(shí)，集體管飽合，為導(dǎo)通狀態(tài)，此時(shí)LED亮，繼電器的線圈通電，產(chǎn)生電流，由電磁效應(yīng)可得有磁場(chǎng)產(chǎn)生，在磁場(chǎng)的作用下將使繼電器的常開觸點(diǎn)閉合，從而電機(jī)電路導(dǎo)通，電機(jī)開始工作；當(dāng)P02為“1”時(shí)，晶體管處于截止?fàn)顟B(tài)，此時(shí)LED熄滅，繼電器線圈不得電，從而無磁場(chǎng)產(chǎn)生，常開觸點(diǎn)無法閉合，因此，電機(jī)無法工作；因此利用晶體管的開關(guān)特性，當(dāng)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)都正向偏置時(shí)，晶體管飽合；當(dāng)發(fā)射結(jié)，集電結(jié)都反向偏置時(shí)，晶體管截止，即可通過單片機(jī)控制基極來控制電機(jī)的開關(guān)。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(jī)的控制電路設(shè)計(jì)邊刷電機(jī)同風(fēng)機(jī)控制電路一樣，只要實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制；本部分設(shè)計(jì)同樣采用三極管實(shí)現(xiàn)開關(guān)控制。其控制電路如圖4-6所示；圖4-6邊刷電機(jī)控制電路此邊刷電機(jī)的控制方法同風(fēng)機(jī)的相同，D02口接單片機(jī)P00口即可。注意：此電路基極處必須串聯(lián)個(gè)大小為1K電阻，用來保護(hù)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(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力；集電極電阻阻值根據(jù)驅(qū)動(dòng)電流實(shí)際情況調(diào)整。同樣基極電阻也可以根據(jù)實(shí)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(shí)更加可靠，晶體管基極必須有輸入不能懸空；當(dāng)輸入信號(hào)不確定時(shí)必須加加下拉電阻使得基極有效接地。4.3傳感器部分設(shè)計(jì)4.3.1測(cè)速裝置模塊本設(shè)計(jì)中測(cè)速裝置采用光電式測(cè)速編碼器。這種測(cè)速裝置主要由編碼盤、光電開關(guān)等組成；將帶有黑白條紋的圓盤裝在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)將帶動(dòng)編碼盤一起轉(zhuǎn)動(dòng)；然后利用光電開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)電壓脈沖信號(hào)；通過MCU對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行頻率，幅值等數(shù)據(jù)測(cè)量便可以計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)速度。這種利用光電開關(guān)和編碼盤測(cè)速的傳感器具有價(jià)格低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)被測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速較低且被測(cè)量的速度精度要求也較低時(shí)可以采用這種類型的裝置進(jìn)行速度檢測(cè)；此外，此裝置還能配置成里程表裝置，通過單片機(jī)檢測(cè)光電開關(guān)回饋的電壓脈沖信號(hào)便能計(jì)算出機(jī)器人移動(dòng)位移，同時(shí)間接得到機(jī)器人的速度值。4.3.2紅外避障裝置模塊本設(shè)計(jì)使用四路紅外避障傳感器模塊；這種紅外傳感器對(duì)光線具有很強(qiáng)的適應(yīng)能力，且具有可調(diào)性強(qiáng)、性能穩(wěn)定、靈敏度高、干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)。此裝置具有四路探頭，每路探頭配有信號(hào)發(fā)射管和信號(hào)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(cè)到前方存在障礙物時(shí)，信號(hào)就會(huì)被障礙物面反射，同時(shí)信號(hào)被接收管探測(cè)到；經(jīng)過電壓比較器處理之后便可輸出高低電壓(有信號(hào)返回時(shí)，電壓輸出“1”；沒有信號(hào)返回時(shí)，電壓輸出“0”)，MCU便可以通過對(duì)輸出端口讀取信號(hào)并判斷是不是存在障礙物；此類型傳感器應(yīng)用范圍廣，如一般用于機(jī)器、智能小車等眾多場(chǎng)合。（1)模塊參數(shù)當(dāng)模塊探測(cè)到前方障礙物信號(hào)時(shí)，電路板上紅色指示燈點(diǎn)亮。通過調(diào)節(jié)電位器的角度，此裝置檢測(cè)距離將變少。此裝置的檢測(cè)方式是利用信號(hào)的反射探測(cè)理論；因此，此傳感器具有局限性，如探測(cè)距離有限，當(dāng)障礙物為黑色物體時(shí)，由于紅外線無法反射回被接收，由此無法檢測(cè)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(duì)模塊進(jìn)行供電。具有3mm的螺絲孔，便于固定、安裝。尺寸大?。ㄩL(zhǎng)×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(duì)應(yīng)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(jī)和3.3v單片機(jī)相連）；GND外接GND;OUT1-OUT4接單片機(jī)IO口；4.3.3防跌落開關(guān)防跌落開關(guān)的作用來檢測(cè)智能掃地機(jī)的機(jī)身是否懸?。淮碎_關(guān)由三個(gè)探頭組成，分別安裝在智能掃地機(jī)機(jī)身的前端，尾端兩個(gè)輪子的旁邊，方向?qū)?zhǔn)地面；當(dāng)機(jī)身處于懸空狀態(tài)，向單片機(jī)輸入一個(gè)信號(hào)并對(duì)CPU申請(qǐng)中斷；這樣單片機(jī)發(fā)送中斷程序，使得機(jī)器人動(dòng)作，避開懸空區(qū)域，并發(fā)出警報(bào)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的防跌落功能。4.4電源電路設(shè)計(jì)4.4.1變壓電路設(shè)計(jì)（1）充電電源電路設(shè)計(jì)充電站也像其他家用電器那樣需要220V交流電進(jìn)行供電，但智能掃地機(jī)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(shè)計(jì)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(jìn)行充電，在這種情況下電壓可以在一個(gè)范圍值內(nèi)上下波動(dòng)。本設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)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(duì)整個(gè)電路進(jìn)行整流；3300uF的電容構(gòu)成濾波電路。圖4-7充電電源電路圖（2）系統(tǒng)應(yīng)用電路設(shè)計(jì)智能掃地機(jī)采用鎳氫電池供電整個(gè)系統(tǒng)，總電壓為9V；由正負(fù)極板，隔離板，安全排氣孔等部件組成。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)電壓分為5V和9V。7805電源芯片具有設(shè)計(jì)電路簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、輸出電壓穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，并且足夠機(jī)器人、單片機(jī)以及L298N模塊供電使用，因此在本設(shè)計(jì)中將采用7805芯片作為掃地機(jī)器人的電源變壓系統(tǒng)7805芯片包含有3個(gè)引腳，分別為電源輸入端、+5輸出端以及接電源負(fù)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(gè)系統(tǒng)所需要的電壓工作情況，本設(shè)計(jì)將采用9V電源為芯片進(jìn)行供電。如圖4-87805引腳圖及4-9電源應(yīng)用圖。圖4-87805芯片引腳圖4-9系統(tǒng)應(yīng)用電路圖4.4.2檢測(cè)電壓電路設(shè)計(jì)為了使掃地機(jī)在欠壓的情況下能夠?qū)崿F(xiàn)自主尋找充電站進(jìn)行充電功能，在智能掃地機(jī)上必須檢測(cè)電壓的大小。在本設(shè)計(jì)中采用ADC0832轉(zhuǎn)換芯片檢測(cè)電壓。ADC0832具有較高的分辨率，支持兩個(gè)通道對(duì)模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。它具有體積小，兼容性強(qiáng)，性價(jià)比高，普及率高等特點(diǎn)。其引腳如圖4-10所示，應(yīng)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(guān)注物質(zhì)):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(cè)電路圖4.4.3充電控制路設(shè)計(jì)為了達(dá)到無論在什么情況下都能精確地實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的電量飽合情況進(jìn)行檢測(cè)這一目的，結(jié)合本課題自身的特點(diǎn)，選用BQ2002F集成芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電源電量的飽合狀況進(jìn)行控制。BQ2002F能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)電源快速充電電量的控制，檢測(cè)電池是否充電飽合。它價(jià)格低廉并且是一款非常實(shí)用的CMOS電量控制器。當(dāng)電源完成充電時(shí)，它能夠非常可靠地終止充電動(dòng)作。此外，BQ2002F不僅可以制作成質(zhì)量好價(jià)格低的獨(dú)立充電器，還能夠制作成為機(jī)內(nèi)充電器。為了確保每次電源可以充滿電，此芯片還能夠?qū)崿F(xiàn)電量補(bǔ)充的功能。其構(gòu)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(shí)控制：BQ2002F具有定時(shí)功能，可以利用TM端與三種不同的電壓相接來設(shè)置三種不同的定時(shí)值。表4-3不同定時(shí)時(shí)間定時(shí)參數(shù)快充率TM端所接電壓定時(shí)時(shí)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(shí)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(cè)；BQ2002F的BAT端為電壓檢測(cè)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(gè)2.5Ω電阻并聯(lián)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)晶體管截止時(shí)，CC端呈現(xiàn)出高阻態(tài)，這時(shí)LM317通過R4-R7對(duì)電池進(jìn)行充電。當(dāng)晶體管導(dǎo)通時(shí)，LM317T通過開關(guān)形成回路，此時(shí)停止充電。其中LED為充電指示燈，綠色時(shí)表示在充電。圖4-12充電站控制電路

5智能掃地機(jī)器人的軟件設(shè)計(jì)5.1軟件總體設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)總框圖如下圖5-1所示，是整個(gè)智能掃地機(jī)的功能框圖；整個(gè)程序可分為主程序和子程序；子程序包括初始化、延時(shí)、藍(lán)牙遙控、紅外避障、防跌落、自動(dòng)清掃以及電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序等；其中電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分是保證掃地機(jī)器人正常工作的基本部分，它實(shí)現(xiàn)了對(duì)輪子電機(jī)和風(fēng)機(jī)及邊刷電機(jī)的控制；其他子程序部分保證了智能掃地機(jī)能夠具有設(shè)定的功能。圖5-1總體設(shè)計(jì)框圖5.2初始化程序通常智能掃地機(jī)剛開啟的時(shí)需要進(jìn)行程序初始設(shè)定；在特別狀況下，也需要軟件對(duì)裝置進(jìn)行初始設(shè)定。初始程序主要是為了給整個(gè)程序中用到的變量、寄存器等寫入特定的值，當(dāng)程序出現(xiàn)跑飛等情況時(shí)，能夠立即將裝置，變量等恢復(fù)到初始值。一般在寫程序時(shí)將初始化程序?qū)懺陂_始以使上電后立即進(jìn)行初始化。一經(jīng)編寫好的程序非特殊下不需要變動(dòng)，這是因?yàn)殡S意變動(dòng)設(shè)定好的程序可能會(huì)導(dǎo)致一些異常情況發(fā)生。5.3主程序設(shè)計(jì)在執(zhí)行程序之前，要對(duì)整個(gè)智能掃地機(jī)完成程序的初始狀態(tài)設(shè)定，然后進(jìn)入主程序；此時(shí)需要先對(duì)系統(tǒng)電源執(zhí)行電壓檢測(cè)，檢測(cè)電源電壓是否充足；當(dāng)電源欠壓時(shí)，將執(zhí)行自動(dòng)充電程序，尋找充電站并進(jìn)行充電程序；期間不斷檢測(cè)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(cè)程序；當(dāng)探頭探測(cè)到存在障礙物時(shí)，CPU將執(zhí)行避障程序；當(dāng)掃地機(jī)執(zhí)行完避障程序之后，將跳轉(zhuǎn)到工作程序；當(dāng)探頭檢測(cè)到機(jī)身懸空時(shí)，定時(shí)器申請(qǐng)中斷，跳轉(zhuǎn)到防跌落程序并執(zhí)行；當(dāng)智能掃地機(jī)完成此程序時(shí)跳轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)紅外避障程序功能用來檢測(cè)機(jī)器人前方是否存在障礙物，以此保證在遇到障礙物時(shí)能夠從旁邊繞開；避障程序主要是通過單片機(jī)控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，以保證掃地機(jī)能夠成功繞開障礙物；機(jī)器人機(jī)身配備有4個(gè)紅外探頭；當(dāng)前方探頭探測(cè)到障礙物時(shí)，其掃地機(jī)向后運(yùn)動(dòng)然后向左轉(zhuǎn)，之后跳轉(zhuǎn)到避障程序；當(dāng)左探頭探測(cè)到障礙物，掃地機(jī)將向后行走，右轉(zhuǎn)，然后跳轉(zhuǎn)到避障程序；當(dāng)右探頭探測(cè)到障礙物時(shí)，掃地機(jī)將向后行走，然后向左轉(zhuǎn)動(dòng)，再跳轉(zhuǎn)到避障程序；其具體設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)防跌落程序可當(dāng)智能掃地機(jī)器人的機(jī)身懸空時(shí)發(fā)揮作用，保護(hù)機(jī)器人的安全，使得機(jī)器人立即停止工作或后退遠(yuǎn)離懸空區(qū)域。在底盤上裝有3個(gè)紅外探頭，用來探測(cè)機(jī)器人是否懸空；1號(hào)探頭裝于萬向輪前方，當(dāng)檢測(cè)到前方機(jī)身懸空時(shí)，機(jī)器人將立即停止工作，延時(shí)自動(dòng)后退90ms，然后再左轉(zhuǎn)90ms后返回防跌落程序；2號(hào)紅外探頭配置于左輪后方，當(dāng)機(jī)器人后退時(shí)檢測(cè)后方是否處于懸空狀態(tài)；當(dāng)探頭檢測(cè)到機(jī)身懸空時(shí)，機(jī)器人將停止工作，延時(shí)一段時(shí)間后向前行走90ms，然后向右旋轉(zhuǎn)90ms后返回防跌落程序；三號(hào)探頭裝在右輪后方，用于檢測(cè)后方是否處于懸空狀態(tài)；當(dāng)探頭檢測(cè)到掃地機(jī)的尾部懸空時(shí)，掃地機(jī)將向前行走90毫秒，然后再向左旋轉(zhuǎn)90毫秒，最后跳轉(zhuǎn)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(lán)牙遙控程序設(shè)計(jì)本程序流程圖如圖5-5所示；在初始狀態(tài)設(shè)置中設(shè)置SCON為方式1，然后將T1設(shè)置成方式2，并將串口的波特率設(shè)置為9600b/s；在主程序中檢測(cè)SBUF寄存器中接受到值并判斷，執(zhí)行相對(duì)應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序。當(dāng)人工按下遙控模式按鍵時(shí)，延時(shí)去