智能扫地机器人设计与制作说明书

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1、智能扫地机器人设计与制作DESIGN AND MANUFACTURE OF INTELLIGENT SWEEPING ROBOT 摘要目前，越来越多种类的机器人被应用于人类的生活当中，从事着和人们的生活有着密切联系的服务类工作，这不仅可以提高了人类的生活水平和生活质量，还可以减少劳动力，解放人们的双手。室内智能扫地机便是从在这背景下产生的一款家用型机器人。本任务主要是设计与制作一款功能简单的清洁机器人，使其能够实现自主工作、可遥控工作以及自主返回充电与红外避障等功能。本论文将具体介绍智能扫地机的整体设计，主要由以STC51单片机主控的控制部分、以L298n为主的驱动部分、以红外传感器为主的避障

2、部分等组成，通过运用c语言编程对硬件进行控制以实现各功能。本制作的扫地机器人采用吸扫式，其主要通过边刷电机带动边刷将杂物扫到抽风机的吸风口处，以此将灰尘等杂物吸存到储灰盒，以实现对地面的清扫。关键词 智能扫地机器人；STC51单片机；红外避障AbstractAt present, more and more kinds of robot is applied in human life, and it is engaged in the service class which has the close relation with peoples life. The development o

3、f the robot can not only improve the living standard and living quality of human being, but also can reduce the labor force, and come to the liberation of peoples hand. Indoor intelligent cleaning robot is generated from the background of a home service robot model. This task is mainly to design and

4、 produce a simple cleaning robot, which can achieve autonomous work, can be remote control, as well as possess the ability to return to charge and infrared obstacle avoidance and other functions. Besides, the intelligent indoor sweeping robots overall design schemes are introduced in this paper. The

5、 robot mainly can be controlled by stc51 MCU master, and can be dominated by L298N driving part and etc. We can achieve those functions by the C language programming of the hardware. The sweeping robot uses absorber and sweeper type. The side brushes which are driven by the motor side brushes will t

6、ake the sundries to exhaust fan ceiling outlet, in order to suck dust and debris into the dust storage box and achieve on the ground cleaning.KeywordsIntelligent sweeping robot STC51 MCU Infrared barrieII目 录摘要IAbstractII1绪论11.1 发展背景11.2 国内外研究现状11.3 研究的目的和意义21.4 本课题的主要研究内容32 智能扫地机器人整体方案设计42.1 机械部分方案设

7、计42.2 控制系统方案设计52.2.1 主控系统方案设计52.2.2 驱动电路方案设计62.2.3 传感器方案设计62.2.4 电源电路方案设计72.3 软件方案设计73 机械部分设计83.1 行走机构83.2 吸扫机构93.3 底盘设计103.4 充电座设计114 硬件部分设计134.1 主控系统设计134.1.1 STC89C52单片机简介134.1.2 单片机引脚介绍134.1.3 单片机电路设计154.1.4 蓝牙遥控设计164.2 电机驱动电路设计184.2.1 L289N驱动模块简介184.2.2 引脚及其运用184.2.3 风机及边刷电机控制电路设计194.3 传感器部分设计2

8、14.3.1 测速装置模块214.3.2 红外避障装置模块214.3.3 防跌落开关224.4 电源电路设计224.4.1 变压电路设计224.4.2 检测电压电路设计244.4.3 充电控制路设计255 智能扫地机器人的软件设计275.1 软件总体设计275.2 初始化程序275.3 主程序设计275.4 红外避障程序设计285.5 防跌落程序设计295.6 蓝牙遥控程序设计305.7 自动充电程序设计31结论33致谢34参考文献351绪论1.1 发展背景目前，智能扫地机成为机器人技术研究的热门。从科学理论与技术角度来讲，智能扫地机器人在服务型移动机器人领域中具有较强的代表性，体现了较多关键

9、性技术；从目前的市场发展前景讲，智能扫地机器人的诞生可以使人们从繁琐的家务中解放双手，降低人们的劳动强度的同时大大提高了劳动效率；家用智能扫地机器人一般用于对室内大面的清洁，适用于家庭、图书馆、候车室以及酒店等等场合；综上，对智能扫地机的研究不但有极大的挑战，还有非常宽广的市场发展空间。此外，对吸扫式机器人的研究开始于20世纪后期，因此智能扫地机器人是服务类移动机器人实际应用发展的先行者。随着研究的深入，科学技术的进步，目前市场上已经生产了一些类似的服务型机器人产品，其中部分产品促进了智能扫地机器人的发展，如吸尘器的诞生等。1.2 国内外研究现状目前扫地机器人在海内外发展十分迅速，饱受广大顾客

10、欢迎；国外的品牌有美国的IROBOT、NEATO，德国的凯驰、斐纳，荷兰的飞利浦等，其中美国iRobot和Neato扫地机器人服务类机器人的代表产品；国内的品牌有科沃斯、海尔、TCL等，其中台湾Proscenic也是比较热门的品牌。各品牌产品如图1-1和1-2所示；图1-1 RC300 和充电站 图 1-2 iRobot 公司的 Roomba 和 dirt dog从20世纪后期至今，智能扫地机器人作为服务类机器人的新一代产品已经取得了一定的成果，但仍然存在一些关键的技术尚未成熟，如扫地机器人的行走路线设计便是其中的一项非常重要且尚未成熟的技术。目前市场上的不同品牌的扫地机器人所具有的功能也各不

11、同，如有的机器人可以在地面上随意行走，有的品牌机器人则可以在有限的小范围内按照一定的路径行走(不能全部覆盖)。通过市场反馈发现，虽然有些公司推出了一些样机或产品，但效果却不能令人满意，如清扫效率低，遍历时间长等。 随着当代科学技术的进步和社会的发展，人们越来越希望有效降低劳动力并从繁琐的日常事务中摆脱出来，这就使得自主性高的智能扫地机器人进入各家各户成为可能。如若智能扫地机具有较好的性价比智能扫地机的前景自然将会被认可。目前市场上智能扫地机主要为吸扫式，这种方式扫地机具有效率高，功耗低，运行平稳等优点，使其成为目前世界市场上使用最多的一款清扫机种类；这种吸扫式扫地机器人的清扫部分通常由边刷和边

12、刷电机、风机和储灰盒等部分组成，其中使用边刷清扫有效增大了清扫范围以及有利于对角落的清扫；边刷将侧面的杂物带动到风机的工作区域内，然后再通过风机旋转产生的吸力将杂物吸到储灰盒内，从而完成清扫工作。这种类型智能扫地机的主要工作是对室内地面的清洁，特别是对杂物、灰尘、毛发等清扫且其清扫效果非常好。智能扫地机的诞生不但带动了社会的经济发展，还为社会带来了十分明显的社会效益。1.3 研究的目的和意义人类在机器人方面的研究已经取得巨大的进步，打开了时代的大门。中国的发展如雨后春笋，相信在未来的10几年内机器人将融进人类的日常生活中，机器人将会像电脑和手机一样成为人们生活的必须品。从实用角度来看，机器人大

13、致可分为娱乐型、服务型以及制造型机器人等等。本文要研究的智能扫地机便属于服务型。智能扫地机具有省时、省力，安全可靠等优点；整个工作过程中不需要人们的干预，从而降低人们的劳动强度；另外智能扫地机比普通吸尘器的噪音要小，工作过程能够有效避免噪音的滋扰；高端的扫地机还具有清洁空气等功能，内部放置的活性炭能够吸收空气中污染气体，清洁效率极高；智能扫地体积小，质量轻且功率小，能够从容地清扫一般吸尘器无法清洁的边角。综上所述，智能扫地机具有使用方便，自主性高、性能稳定、工作效率高等特点。1.4 本课题的主要研究内容本课题设计的智能扫地机包括方案总体设计、机械部分方案设计、硬件部分方案设计以及软件部分方案设

14、计。主要工作如下：（1）根据任务书对智能扫地机器人的要求，对所应该实现的功能进行系统分析，确定本设计总体方案。（2）智能扫地机的机械部分方案设计，其中包括扫地机的行走机构和吸扫机构；（3）硬件电路方案设计，包括扫地机的主控电路设计、驱动电路设计、传感器电路设计、电源电路设计，遥控电路设计等；（4）根据对应的硬件电路，设计系统程序；画出整个系统的软件程序综框图，包括主程序、初始化程序、延时程序、蓝牙遥控程序、红外避障程序、防跌落程序、自动清扫模式程序以及电机驱动程序（5）将编写好的软件程序进行调试；根据实物现象，调试程序，直到实现所需要的功能。2 智能扫地机器人整体方案设计本课题设计的是一款集电

15、机学、智能检测学、电工电子学、单片机学，计算机学等于一体的智能扫地机。其主要实现的功能是智能扫地机器人既可以在一个没有人干预的环境下完成房间地面的清扫工作，也可以在人为的控制作用下完成清扫工作。本文设计的智能扫地机具智能充电，红外避障以及防坠落等功能；用户可还以通过蓝牙芯片对智能扫地机器人进行无线遥控，控制清扫路径及在电量不足时控制其停止工作并返回充电座进行充电。本智能扫地机设计方案如图2-1所示，主要由 3 部分组成：机械方案设计、硬件控制系统方案设计、软件方案设计。其中机械设计部分包括智能扫地机的行走机构设计和吸扫机构设计；硬件控制系统设计包括控制系统设计、电机控制电路设计、传感器方案设计

16、以及系统电源方案设计。对于机械设计中的行走部分设计，市场有四轮结构和三轮结构，其中三轮机构占多数。本设计主要采用的是三轮结构，由双轮电机通过齿轮减速箱驱动的左右双驱动轮和一个从动万向轮；对于吸扫机构设计，智能扫地机器人主要由离心风机和边刷电机组成，其功率的大小决定了智能扫地机器人的吸扫效率。驱动电机、涡轮离心风机以及边刷电机都将采用直流电机；电路控制系统中的主控系统部分使用单片机控制，包括对执行电机的控制，以及对传感器的响应等；传感器部分主要为了保障机器人能够安全工作，实现对障碍物的避障。由于各个器件所需要的工作电压不同，电源电路部分就是使为了实现对各个用电器件进行供电，保证其工作在额定电压内

17、，使机器正常工作。软件设计部分目的是通过程序实现对各电机，传感器等的控制。图2-1 智能扫地机方案设计图2.1 机械部分方案设计智能扫地机的机械部分包括底板部分、行走部分、吸扫部分和充电座；底盘为了有一定的硬度，保证整体机构不会变形，采用PVC硬质板。行走机构包括直流驱动电机、小型减速箱、驱动轮以及万向从动轮；吸扫机构由离心风机、边刷电机、毛边刷以及储灰盒。直流电动机凭借效率高，功率大，运行平稳等显著优点，被广泛应用于器人领域；另外，直流电机具有较好的可调速性，它可以通过电子开关变化转向，通过PWM进行脉冲调速，此外，较高的使用寿命；因此，本设计的驱动部分采用直流电机。电机调速可以通过单片机I

18、/0口模拟脉冲信号的方法实现。本课题将选用单片机I/0口程序模拟脉冲信号的方法对电机进行调速控制。风机和带动毛刷的边刷电机全部采用直流电机，由于只需要控制电机的通断，所以采用利用晶体管的开关特性实现对其控制。2.2 控制系统方案设计本方案设计大致可分为主控系统方案设计、驱动电路方案设计、传感器方案设计和电源电路方案设计。总框图如下图2-2所示；图2-2 控制系统方案设计框图2.2.1 主控系统方案设计根据扫地机器人要实现的各个功能，主控器既要方便地执行各个子系统，又要响应各传感器输入的数据。因而主控器需要有多个中断源和输入输出接口，同时较大程序存储内存，保证程序在掉电情况不会丢失。为了便于数据

19、的传输，主控系统还有支持串口数据通讯。由于STC单片机性能可靠，使用简单，在各个领域使用较多。因此选用STC51单片机，其足够存储空间，可以满足算法的需求，而且可以制作成本；此系列的MCU正常工作电压为5V。采用12MHz的晶振频率，其功率消耗非常小。单片机可以读取外围的传感器设备的输入数据，从而实现系统的避障，温度采集等功能。 2.2.2 驱动电路方案设计电机的控制电路是为了使扫地机具有控制电机的转向，调速等功能；整个系统的主控系统采用单片机，单片机的I/O口的输出电压是5V，为了便于直接通过单片机对电机的正反转，调速等实现控制，本设计采用L298N作为电机的控制模块。此芯片功耗低，可控性好

20、，散热性能好，支持PWM进行脉冲调速。此芯片可以同时驱动两台直流电机。由于边刷电机和风机只需要控制他们的启动和停止，所以利用三极管的开关特性和继电器设计电路实现对其的控制。2.2.3 传感器方案设计传感器是人类器官的拓展，是人们研究自然和利用自然种种现象的方式方法。传感器的使用范围和能力甚至远远超过人类；传感器一般可以把非电信号变换为电信号，因此其一般由三个部分组成。传感器按照被测量大致可分为温度、电压、湿度、距离、压力传感器等等。选用的传感器类型取决于扫地机器人要实现的功能和对工作性能的要求。一般对传感器的要求有：（1）较高的灵敏度；较高的灵敏度可以在输入量很小时，有较大的输出量。（2）较高

21、的分辨率。指传感器引起输出量产生可观测的微小变化所需要最小X。较高分辨率传感器可以检测量更加准确，保证数据精度。（3）较高的重复性和线性度；在线性度和重复性较高的情况下了，可以更加方便处理数据，同时可以降低数据误差。（4）较好的抗干扰能力和稳定性；机器人的工作环境是变化的，所以在不同的环境中保证其正常工作时就要求传感器不会受环境的影响。躲避障碍物是家用扫地机的必备功能；由于室内环境复杂，为了能够保证机器人在没有人干预的情况下自主完成室内的清扫工作，机器人就必须能够识别障碍物并躲避。目前广泛使用的类型可分为两大类；一种是碰摸式，另一种是非碰摸式。碰摸式传感器有碰撞传感器，其主要是当碰撞时将产生的

22、力传递到压力开关上，以此作为输入信号，其优点是灵敏度高但是冲击力大，要缓解力的作用，机械设计部分会复杂很多。非触碰式有红外传感器，其可以使得扫地机与障碍物间接碰触。为了使扫地机能够稳定工作，就必须保证两个轮子速度相同。这样就必须用到测速传感器。本设计中采用光电编码式传感器，这件不仅可以测量机器人的速度，还可以测量出机器人移动的距离。2.2.4 电源电路方案设计为了使扫地机器人在一次充电后有一定的工作时间，本设计采用镍氢电池，这种电池耐过充过放，具有较强的速放电能力，使用较安全，而且相对于其他电池经济性更强。此外这种材料的电池不含有毒材料，可以避免对大气造成危害。由于智能到底机器人一般是工作在室

23、内，而镍氢电池可适应的温度范围是0-45。综上合理选择镍氢电池。(1）采用的镍氢电池输出电压为9V，而单片机的工作电压为5V左右，所以在整个系统中要采用变压电路。本设计将采用7805降压模块，稳定输出电压为5V。(2）为了使智能扫地机器人能够实现自动返回充电功能，系统要对电源电压进行检测，当电池电量不足时，智能扫地机执行返回充电程序。本设计将通过A/D模块对电池实施检测。(3）本设计将通过机械式对智能扫地机进行充电；在充电站上布有两根平行的直线电极，扫地机尾端同样配置2根正负金属电极。通过红外对光管实现两者的充电对接。 2.3 软件方案设计因为对扫地机移动速度和精度不需要太严格，所以在本设计中

24、选择用C编写程序实现软件功能。将在KEILL软件平台上使用C语言进行编程；用C编写的程序便于理解、编写简单，且有较高的可转移性以及可实现模块化编写程序。C语言的高可移植性是指在不同平台上编写的C语言程序能够在不修改的情况下移植到不同的平台上使用。本设计的软件方案主要包括主系统、初始化、延时、蓝牙遥控、红外避障、自动清扫以及电机控制程序等。3 机械部分设计3.1 行走机构行走机构如图3-1所示，采用轮式结构；其中左右两个驱动轮由可调速的直流电机控制，转向轮可任意方向转动，便于机器人在行走过程中改变方向。图3-1 行走机构直流电机具有调速区域大，速度便于调节，启动、停止转矩大、容易驱动，稳定性能好

25、等特点。扫地机器人的工作主要是对室内地面的清扫，为了防止机器人在工作时打滑，无法有效完成工作，本设计将采用的橡胶防滑轮。减速电机如图3-2所示；减速电机的具体参数如表3-1所示。速度计算公式见式(3.1)图3-2 直流减速电机表3-1 减速电机参数额定电压3V6V7.2V9V空载电流80MA100MA110MA120MA空载电流460010%980010%1100010%1480010%负载电流150MA160MA180MA200MA负载转速80转/分180转/分220转/分290转/分扭矩0.4kg.cm0.8kg.cm1.0kg.cm1.2kg.cm电机转速公式如式3.1所示： 式(3.1

26、)式中：U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢总电阻；为每极磁通量；K为直流电动机的性能参数。从上式中可得，n和电压、电流相关，此外可以被控制的量只有U 和 I，那么便可以利用改变U和I的大小进行调速。事实上，可以调整电压的值来调整I的值，通常使用PWM产生电压波形进行速度调整。本设计中将采用单片机I/O模拟PWM脉冲信号对电机实现转速控制。脉冲占空比将决定电机的平均功率，因此实现了电机转速值的控制。通过计算，市场数据采集和已有产品的分析，本设计的电机采用智能小车专用减速电机，额定电压为9V,额定电流为18mA,额定转速为300转/分钟，减速比48:1，可以带动1.2kg的负载。3.2 吸扫机

27、构智能扫地机的吸扫机构包括边刷电机和边刷、风机以及储灰盒。边刷电机和离心风机都是直流电机，只是所需要的电机功率不同，因此需要的驱动电流也有差异。（1）由于扫地机器人使工作在室内，在保证具有足够风力的同时，还必须保证机器人有较低的噪音。综上，本设计采用的涡轮离心风机工作电压为12V，额定电流为1.2A，噪音为50dB-A，尺寸为120*120*32mm。涡轮离心风机如图3-3所示。图3-3 涡轮离心风机 （2）边刷电机的作用时使边刷转动，然后将地面的杂物清扫到吸风口处；边刷质量很轻，不必较大的驱动力，所以使用一个小功率的电机。当电压为3V时，最大转速为80转/分钟；当电压为5V时，电机最大转速为

28、150转/分钟。3.3 底盘设计底盘是智能扫地机器人的基架；底盘需要具有一定的硬度及考虑到材料对环境的污染，本设计采用PVC材质的3mm硬纸板。此外，根据已经确定的器件尺寸，将机器底盘尺寸设计为直径400mm的圆。设计如图3-4所示；图3-4 底盘设计3.4 充电座设计智能扫地机的后端装有正负金属电极，便于扫地机在电压不足时进行对接充电。将两条正负平行电极装在充电站上，当扫地机上的两个电极与这对电极接触时便可以对电池实施充电。智能扫地机的左侧和后端装配有两个信号接收探头，各个信号接收器能够接收一定区域内的发射信号。充电座上装有一个信号发射探头，一直发出信号便于智能扫地机寻找到充电位置。设定清洁

29、机器人在自主寻找充电站时机器人将按照顺时针方向行进，这样左侧的红外传感器将先检测到信号，扫地机将顺时回转 270 ，旋转后其后端的红外传感器将检测到来自充电站的红外信号，同时智能扫地机靠近充电站直到尾端上的两个金属电极和充电站上的充电电极接到一起；充电座设计如图3-5所示。图3-5 充电站系统组成示意图4 硬件部分设计整个硬件控制系统由主控系统、电机控制电路、传感器、电源电路组成。4.1 主控系统设计51系列的单片机被应用于控制领域时间非常早，使用它作为主控开发的产品又非常多，这为我们在编程时提供了非常宝贵经验。此外，52单片机还拥有损耗低、性能高、价格低廉等特点。因此本设计将使用STC公司的

30、89C52作为MCU。4.1.1 STC89C52单片机简介STC89C52是STC公司生产的低电压，性能稳定的八位机，其片内配置有8KB的可重复擦除1000次ROM和256字节的RAM；该芯片的密度极高、还能够和MCS-51指令集相互兼容。芯片内部还配置有8位CPU和可擦除内存单元。STC89C52单片机功能强大，适用范围广。（1）主要特点 片内只读程序存储器可擦写1000次； 晶振支持频率范围：0Hz-40Hz； 可对程序进行三级加密内存； 3个16位定时/计数器。即定时器T0、T1、T2； 52单片机具有6个中断源（T0，T1，T2，INT0,INT1）； 支持全UART功能，可通过定时

31、器软件编程实现多个UART； 具有两种省电模式：空闲模式和掉电模式； 内部具有看门狗定时器。 支持ISP/IAP，可以不使用专门的编程器和仿真器；（2）参数 此MCU的12个振荡周期构成一个机器周期； 可承受温度值：-40+85； 采用40PDIP封装。4.1.2 单片机引脚介绍单片机根据封装的不同包括PDIP，PLCC和PTQFP； 51系列单片机为第一种，两列的PDIP封装，引脚图如图4-1；图4-1 STC52单片机引脚图如图所示 ，STC89C52芯片共有40个引脚，其中芯片的1脚顶上有个凹点，这40个引脚分别为外电源引脚有2个(VCC,GND)，外接晶体振荡器引脚2个(XTAL1，X

32、TAL2)，控制引脚4个(RST,EA,PROG/ALE,PSEN)以及4组8位可编程I/O引脚32根(P0，P1，P2，P3)。 第40引脚（VCC）：电源输入引脚，接+5V电压； 第20引脚(GND)：接电源负极引脚； 第19引脚(XTAL1)：接晶振一端； 第18引脚（XTAL2）：振荡电路的输出端，接晶振另一端； 第9引脚（RST）： MCU将自动恢复到初始状态引脚； 第30引脚（ALE/PROG）：当外部拓展ROM/RAM时用做锁 存控制引脚； 第29引脚（PSEN）：外部存储器读选通信号端，外部拓展程序存储器时使用； 第31引脚（EA/VPP)：当此引脚与GND相连接时，CPU将从

33、外扩的ROM读取程序；此引脚与VCC相连接时，CPU将从内部ROM读取程序。此外，STC89C5单片机有4组8位的可编程I/O口，分别位P0、P1、P2、P3口，每组共有8个PIN，全部芯片共32根。以下介绍各I/O口；P0口：P0可以作为 输入输出口使用外，还可以作为DB/AB总线使用；作AB总线低8位使用；一般在使用时为了提高驱动能力需要外接10K上拉电阻；P1口：作输入输出口使用，能够一次性带动四个TTL逻辑电路。P2口：可作为输入输出口使用外，还可以复用作高八位AB总线使用，一次能够带动四个TTL电路。P3口：可作为输入输出口使用；P3口一次同样能够带动四个TTL电路。此外,P3口各个

34、引脚还具有其他功能，如表4-1所示：表4-1 P3口引脚与复用功能P3.0RXD(串口输入口)P3.1TXD（串口输出口）P3.2INT0(外部中断0)P3.3INT1(外部中断1)P3.4T0(定时器0)P3.5T1(定时器1)P3.6WR(拓展RAM写控制引脚)P3.7RD(拓展RAM读控制引脚)4.1.3 单片机电路设计 （1）I/O设计 P00、P01作为两边刷电机控制信号端； P02 作为涡轮离心风机的控制信号端； P03、P04作为智能扫地机器人的工作模式选择按键输入信号端； P20、P21、P26、P27作为四路红外传感器的信号采集端； P22、P23、P24、P25作为两驱动电

35、机正反转的控制信号端； P30、P31作P3的复用功能用，P30作为蓝牙模块的信号输入端，P31作为蓝牙模块的信号输出端； REST引脚为复位信号输入引脚； EA接VCC时，MCU将从内部ROM读取指令。（2）复位电路及最小系统设计51单片机高电平复位。复位是指MCU配置恢复到原始状态；复位后CPU将从ROM的第一个单元读取并执行指令。就本设计采用的51MCU来看，当RST引脚上出现连续的12个状态周期的高电平时，MCU将自动恢复到初始状态。复位方式有两种：手动复位：手动操作时，复位引脚将于VCC相连得到12个状态周期以上的高电平，MCU将自动恢复到原始状态；当按钮松开后，单片机从0000H读

36、取程序开始工作。上电复位：给单片机上电瞬间，电源对电容进行充电，这就相当于电容被导通；此时，电源正极通过一个30uF的电容和MCU的RST引脚接通，将RST处于高电压；此外，串联的电阻与地连接对电容进行放电，由于电荷的流失RST引脚将被拉低。一段时间之后RST引脚与GND连接，MCU将重新进行运行。晶振电路人的心脏，具有起振作用。从理论上分析，当设置的频率越大时，CPU处理指令的速度将越高效，以此同时，这就要求ROM/RAM具有较高的的处理速度以及对PCB的制作要求也更严格。MCU处理指令性能的优劣不仅与CPU的运行频率相关联，而且与RAM/ROM的运行频率、以及其他外部拓展设备等的速度都密切

37、相关。STC89系列最高频率可达到40MHZ，虽然从理论上讲选择的频率越高，MCU的运行指令的速度便也越高，但同时MCU的稳定性也较差；根据STC89C52的数据手册可得其最适合使用的频率为11.0592MHZ，这是常用的晶振频率。虽然对电容的大小没有具体的设计标准，但是这两个电容的大小就一定要相等，否则这将干扰到振荡器电路的可靠性以及振荡器的开始振动的速度特性等等，因此，在设计51系列MCU晶振电路时一般C1、C2选值30uF；单片机的最小系统如图4-2所示。图4-2 单片机最小系统4.1.4 蓝牙遥控设计智能扫地机器人需要实现自动清扫模式和可人工遥控模式，其中自动清扫模式可通过设置程序实现

38、；对于遥控模式，本设计采用蓝牙模块实现遥控功能。人们可以在手机上安装蓝牙应用程序，然后利用蓝牙构成连接以达到控制扫地机器人的目的。本设计采用HC-05蓝牙串口通讯模块；此模块具有通讯范围广，性能稳定，价格低廉等优点，最主要的是此模块可直接与单片机相连，与手机进行通讯；因此用户无需使用专门的控制器，利用手机即可控制智能扫地机。值得应该注意的是，需要将BCM模块的串口发送引脚要和MCU的串口接收引脚连接起来，同样BCM模块的串口接收引脚要和MCU的串口发送引脚连接起来；这是因为蓝牙模块从TXD发送的数据由单片机接收； 其应用电路如图4-3所示图4-3 蓝牙模块电路图（1）引脚定义及接线方法： VC

39、C:电源正输入引脚，接+5V电源； GND:和电源GND相连； RXD:串口数据接收引脚；此引脚接单片机的发送端TXD； TXD:串口数据发送引脚；此引脚接单片机的接收端RXD； EN:开关控制端；需要开启自动模式时需要和电源+5V相连接；（2）参数： PCB尺寸:37.3mm(长)*15.5mm(宽)； 重量:3.5g； 输入电压:3.6V-6V,禁止超过7V； 带有电源接反时防止烧掉功能；电源接反时模块将不工作； 引出6个脚:EN/VCC/GND/RXD/TXD/STATE； 带有LED运行状态指示灯；LED快闪时表示芯片与MCU没有实现连接；LED间隔闪烁时表示模块开启命令等待模式，连接

40、成功； 模块上载有稳定5V输出的芯片,输入的电压值范围为4.5伏-5.5伏;当模块未连接成功时,电路I大致为28毫安，由于发光二极管闪烁，此电路I不稳定；当配对成功后,电流在10mA上下波动； 输入电压为5V,能够与51MCU的串口RXD/TXD引脚直接相连,但不可以和MAX232芯片的引脚相连； 空旷地带有效传输距离10米； 初始设置的波特率为4800，初始化的连接密码是4567、初始化使用的的用户名为LANYA-00； 带透明热缩管保护；4.2 电机驱动电路设计控制电动机的电路设计主要是为了控制电机的开启关闭以及转动方向；本设计采用L298N，即双H桥电机驱动模块；4.2.1 L289N驱

41、动模块简介该芯片采用15引脚封装。其主要具有驱动电压大，输入电流小，正常工作的功率20W等特点；此外模块配置有2个大功率的H桥驱动芯片，这有利于控制功率较大的电机以及线圈等负载；L298模块还可以通过标准的TTL信号控制，其具有两个控制使能（ENA,ENB）；一个 电机控制模块可以控制两个直流电机，并支持PWM技术，可通过程序实现对电机进行调速。4.2.2 引脚及其运用L298N共有15个端口引脚，其中VSS引脚支持规范的TTL信号，可接电压范围为5V6.5 V，在本设计中将此引脚和5V电源正极相连；4脚VS直接电源电压正，可接受电压范围为2546 V，在本设计中接9V电压，此时输出的最大电流

42、为1.5安培，能够驱动电感性负载。此模块可同时驱动2个直流电机，引脚中的OUT1和OUT2以及OUT3和OUT4可分别接两个电动机的正负极； IN1和IN2端口接MCU的P22,P23，用于控制电机1的正反转；IN3和IN4脚接MCU的P24，P25端口，用于控制电机2的正反转；这四个引脚可输入PWM脉冲对电机进行速度调制，如通过单片机I/O给IN3输入一个PWM脉冲，然后给IN4通过单片机输入IN3相反的PWM脉冲，此时电机将正转；当然产生PWM脉冲的方法有很多，但这里建议使用单片机I/O通过程序模拟设置较为方便简单，这样可以减少硬件电路的设计与焊接，尽可能避免出现更多问题。如果想要实现电机

43、转速方向转换，那么为IN3、IN4输入正好相反PWM就可以完成； EA、EB端口为开关引脚端口，控制电机是否可以工作；使能端接电源负极时，电机将终止工作。其引脚及单片机连接如下图4-4所示；其逻辑关系如表4-2所示。图4-4 引脚及连线图表4-2 逻辑关系表直流电机旋转方式IN1IN2IN3IN4控制使能信号ENAENBM1正转10/1/反转01/1/停止00/1/M2正转/10/1反转/01/1停止/00/1本设计采用PWM对电机进行调速；产生PWM信号常用的3种方法如下： PWM 信号发生器；此方式利用硬件电路生成PWM信号；这种方法早期使用较多，但其可靠性较低； 软件程序产生；利用MCU

44、的I/O 端口，利用程序对该端口输出电压信号来仿真脉冲信号； 利用单片机片内的PWM口；目前新产生的单片机很多都具有PWM脉冲调制调速功能；这种方式适用于对直流电机的转速控制，特点是简单、稳定。本设计采取第三种通过MCU的I/O口产生脉冲信号对电机进行调速。4.2.3 风机及边刷电机控制电路设计由于机器人的风机及边刷电机只需要实现控制其开启与关闭，正反转不予考虑，因此，在电路设计时只需要设计实现其开关功能。（1)风机的控制电路设计本设计使用1路5V低电平触发继电器控制风机的开关。其工作原理如下:当P02为“0”时，集体管饱合，为导通状态，此时LED亮，继电器的线圈通电，产生电流，由电磁效应可得

45、有磁场产生，在磁场的作用下将使继电器的常开触点闭合，从而电机电路导通，电机开始工作；当P02为“1”时，晶体管处于截止状态，此时LED熄灭，继电器线圈不得电，从而无磁场产生，常开触点无法闭合，因此，电机无法工作；因此利用晶体管的开关特性，当发射结，集电结都正向偏置时，晶体管饱合；当发射结，集电结都反向偏置时，晶体管截止，即可通过单片机控制基极来控制电机的开关。此继电器一般分为两路，分别为低电压电路和高电压电路。电路如图4-5所示；图4-5 继电器控制电路（2）边刷电机的控制电路设计边刷电机同风机控制电路一样，只要实现开关控制；本部分设计同样采用三极管实现开关控制。其控制电路如图4-6所示；图4

46、-6 边刷电机控制电路此边刷电机的控制方法同风机的相同，D02口接单片机P00口即可。注意： 此电路基极处必须串联个大小为1K电阻，用来保护基极和MCU的I/0口； 本电路中使用的PNP必须使用上拉电阻，增强驱动能力； 集电极电阻阻值根据驱动电流实际情况调整。同样基极电阻也可以根据实际情况调整。 为了提高晶体管的稳定性使晶体管截止时更加可靠，晶体管基极必须有输入不能悬空；当输入信号不确定时必须加加下拉电阻使得基极有效接地。4.3 传感器部分设计4.3.1 测速装置模块本设计中测速装置采用光电式测速编码器。这种测速装置主要由编码盘、光电开关等组成；将带有黑白条纹的圆盘装在电动机的转子上，当电机转

47、动时将带动编码盘一起转动；然后利用光电开关产生一个电压脉冲信号；通过MCU对这个信号进行频率，幅值等数据测量便可以计算出电机的转动速度。这种利用光电开关和编码盘测速的传感器具有价格低、性能稳定等优点；当被测电机转速较低且被测量的速度精度要求也较低时可以采用这种类型的装置进行速度检测；此外，此装置还能配置成里程表装置，通过单片机检测光电开关回馈的电压脉冲信号便能计算出机器人移动位移，同时间接得到机器人的速度值。4.3.2 红外避障装置模块本设计使用四路红外避障传感器模块；这种红外传感器对光线具有很强的适应能力，且具有可调性强、性能稳定、灵敏度高、干扰小、便于装配、使用方便等特点。此装置具有四路探

48、头，每路探头配有信号发射管和信号接收管；发射管可发射出一定周期和幅值的红外线，一旦探测到前方存在障碍物时，信号就会被障碍物面反射，同时信号被接收管探测到；经过电压比较器处理之后便可输出高低电压(有信号返回时，电压输出“1”；没有信号返回时，电压输出“0”)，MCU便可以通过对输出端口读取信号并判断是不是存在障碍物；此类型传感器应用范围广，如一般用于机器、智能小车等众多场合。（1)模块参数 当模块探测到前方障碍物信号时，电路板上红色指示灯点亮。通过调节电位器的角度，此装置检测距离将变少。 此装置的检测方式是利用信号的反射探测理论；因此，此传感器具有局限性，如探测距离有限，当障碍物为黑色物体时，由

49、于红外线无法反射回被接收，由此无法检测黑色障碍物。 连接方式：VCC-VCC;GND-GND;OUT-IO。 比较器采用LM339，工作稳定。 可采用3.3V-5V 直流电源对模块进行供电。 具有3mm 的螺丝孔，便于固定、安装。 尺寸大小（长宽高）：中控板42mm38mm12mm；小板25mm12mm12mm； 模块反射距离越大，越容易误触发；（2）模块接口说明 红外探头VCC GND OUT 对应接入中控板VCC GND Inx； 中控板供电：模块6p 排针接口处VCC 外接3.3V-5V 电压（可以直接与5v 单片机和3.3v 单片机相连）；GND 外接GND ;OUT1-OUT4 接单

50、片机IO 口；4.3.3 防跌落开关防跌落开关的作用来检测智能扫地机的机身是否悬浮；此开关由三个探头组成，分别安装在智能扫地机机身的前端，尾端两个轮子的旁边，方向对准地面；当机身处于悬空状态，向单片机输入一个信号并对CPU申请中断；这样单片机发送中断程序，使得机器人动作，避开悬空区域，并发出警报，从而实现了机器人的防跌落功能。4.4 电源电路设计4.4.1 变压电路设计（1）充电电源电路设计充电站也像其他家用电器那样需要220V交流电进行供电，但智能扫地机硬件系统中所有元件都需要5V-9V的直流电压，这就要求充电座为系统提供工作所需要的直流电压。本设计中系统电源采用镍氢电池供电；这种电池所需要

51、的充电电压要求大于18.5V,且需要使用恒流源进行充电，在这种情况下电压可以在一个范围值内上下波动。本设计中设计的供电范围为19V-22V之间。其电路图如下图4-7所示；这里采用变比为10:1的变压器以及KBL406来对整个电路进行整流；3300uF的电容构成滤波电路。图 4-7 充电电源电路图（2）系统应用电路设计智能扫地机采用镍氢电池供电整个系统，总电压为9V；由正负极板，隔离板，安全排气孔等部件组成。整个机器人系统电压分为5V和9V。7805电源芯片具有设计电路简单、价格便宜、输出电压稳定等优点，并且足够机器人、单片机以及L298N模块供电使用，因此在本设计中将采用7805芯片作为扫地机

52、器人的电源变压系统7805芯片包含有3个引脚，分别为电源输入端、+5输出端以及接电源负极端；此芯片电路最大能够提供1.5A大小的电流， 输入的电压范围为8.5V-14.5V，但其输出电压稳定在+5V左右。根据7805电源芯片的情况，以及整个系统所需要的电压工作情况，本设计将采用9V电源为芯片进行供电。如图4-8 7805引脚图及4-9电源应用图。图4-8 7805芯片引脚图4-9 系统应用电路图4.4.2 检测电压电路设计为了使扫地机在欠压的情况下能够实现自主寻找充电站进行充电功能，在智能扫地机上必须检测电压的大小。在本设计中采用ADC0832转换芯片检测电压。ADC0832 具有较高的分辨率

53、，支持两个通道对模拟信号转换为数字信号。它具有体积小，兼容性强，性价比高，普及率高等特点。其引脚如图4-10所示，应用电路如图4-11所示。图4-10 ADC0832引脚 参数： 分辨率, 比特:8bit； 采样率:29kSPS； 数据接口:串行口； 电源电压范围 - 模拟:4.5V 到 6.3V； 电源电流:900A； 芯片封装类型:DIP，针脚数:8； 工作温度范围:0C 到 +60C； SVHC(高度关注物质):No SVHC (20-Jun-2011)； Input Type:差分，单端； 电源电压 最大:6.3V；电源电压 最小:4.5V； 表面安装器件:通孔安装； 输入通道类型:差

54、分，单端通道数:1；图4-11 电压检测电路图4.4.3 充电控制路设计为了达到无论在什么情况下都能精确地实现对电源的电量饱合情况进行检测这一目的，结合本课题自身的特点，选用BQ2002F集成芯片实现对电源电量的饱合状况进行控制。BQ2002F能够实现对电源快速充电电量的控制，检测电池是否充电饱合。它价格低廉并且是一款非常实用的CMOS电量控制器。当电源完成充电时，它能够非常可靠地终止充电动作。此外，BQ2002F不仅可以制作成质量好价格低的独立充电器，还能够制作成为机内充电器。为了确保每次电源可以充满电，此芯片还能够实现电量补充的功能。其构成的充电控制器的原理图如图4-12所示。充电站充电控

55、制器的功能如表4-3所示；（1）定时控制：BQ2002F具有定时功能，可以利用TM端与三种不同的电压相接来设置三种不同的定时值。表4-3 不同定时时间定时参数快充率TM端所接电压定时时间（分）是否支持慢充充电率C/2中电平150是C/481C低电平75是C/482C高电平35否C/24 典型条件为25，VCC=5V; 中电压为0.5xVcc%； 所有时间的容限为20%。将TM端接分压电阻来选择第一种模式。（2）电池电压检测；BQ2002F的BAT端为电压检测端；此外，由R1，R2组成的分压器的电阻值必须大于200K。电源系统中选用的电池节数为8节，则选用R2为470K。BQ2002F芯片的CC

56、端为充电控制端。充电电流由三引脚可调稳压器LM317T组成的电流源提供1.9A电流,采用4个2.5电阻并联来实现。当晶体管截止时，CC端呈现出高阻态，这时LM317通过R4-R7对电池进行充电。当晶体管导通时，LM317T通过开关形成回路，此时停止充电。其中LED为充电指示灯，绿色时表示在充电。图4-12 充电站控制电路5 智能扫地机器人的软件设计5.1 软件总体设计设计总框图如下图5-1所示，是整个智能扫地机的功能框图；整个程序可分为主程序和子程序；子程序包括初始化、延时、蓝牙遥控、红外避障、防跌落、自动清扫以及电机驱动程序等；其中电机驱动部分是保证扫地机器人正常工作的基本部分，它实现了对轮

57、子电机和风机及边刷电机的控制；其他子程序部分保证了智能扫地机能够具有设定的功能。图5-1 总体设计框图5.2 初始化程序通常智能扫地机刚开启的时需要进行程序初始设定；在特别状况下，也需要软件对装置进行初始设定。初始程序主要是为了给整个程序中用到的变量、寄存器等写入特定的值，当程序出现跑飞等情况时，能够立即将装置，变量等恢复到初始值。一般在写程序时将初始化程序写在开始以使上电后立即进行初始化。一经编写好的程序非特殊下不需要变动，这是因为随意变动设定好的程序可能会导致一些异常情况发生。5.3 主程序设计在执行程序之前，要对整个智能扫地机完成程序的初始状态设定，然后进入主程序；此时需要先对系统电源执

58、行电压检测，检测电源电压是否充足；当电源欠压时，将执行自动充电程序，寻找充电站并进行充电程序；期间不断检测电源是否充满，充满后将返回执行主程序，分别执行清扫程序，障碍物检测程序；当探头探测到存在障碍物时，CPU将执行避障程序；当扫地机执行完避障程序之后，将跳转到工作程序；当探头检测到机身悬空时，定时器申请中断，跳转到防跌落程序并执行；当智能扫地机完成此程序时跳转到工作程序。程序流程图如图5-2。 图5-2 主程序流程图5.4 红外避障程序设计红外避障程序功能用来检测机器人前方是否存在障碍物，以此保证在遇到障碍物时能够从旁边绕开；避障程序主要是通过单片机控制电机的旋转方向，以保证扫地机能够成功绕

59、开障碍物；机器人机身配备有4个红外探头；当前方探头探测到障碍物时，其扫地机向后运动然后向左转，之后跳转到避障程序；当左探头探测到障碍物，扫地机将向后行走，右转，然后跳转到避障程序；当右探头探测到障碍物时，扫地机将向后行走，然后向左转动，再跳转到避障程序；其具体设计程序流程如图5-3。图5-3 避障程序流程图5.5 防跌落程序设计防跌落程序可当智能扫地机器人的机身悬空时发挥作用，保护机器人的安全，使得机器人立即停止工作或后退远离悬空区域。在底盘上装有3个红外探头，用来探测机器人是否悬空；1号探头装于万向轮前方，当检测到前方机身悬空时，机器人将立即停止工作，延时自动后退90ms，然后再左转90ms

60、后返回防跌落程序； 2号红外探头配置于左轮后方，当机器人后退时检测后方是否处于悬空状态；当探头检测到机身悬空时，机器人将停止工作，延时一段时间后向前行走90ms，然后向右旋转90ms后返回防跌落程序；三号探头装在右轮后方，用于检测后方是否处于悬空状态；当探头检测到扫地机的尾部悬空时，扫地机将向前行走90毫秒，然后再向左旋转90毫秒，最后跳转到防跌落程序。程序流程如图5-4所示。图5-4 防跌落流程图5.6 蓝牙遥控程序设计本程序流程图如图5-5所示；在初始状态设置中设置SCON为方式1，然后将T1设置成方式2，并将串口的波特率设置为9600b/s；在主程序中检测SBUF寄存器中接受到值并判断，

61、执行相对应的电机驱动程序。当人工按下遥控模式按键时，延时去抖检测是否误触，确定后将串口寄存器的REN位置1,即允许MCU接收串口发送的数值，开启人工遥控模式。图5-5 蓝牙遥控流程图5.7 自动充电程序设计当MCU通过数模转换模块检测到电池电压低于规定值时，扫地机关闭风机及边刷电机执行自主进行电量补充的程序；如果扫地机信号接收端没有收到来自充电站发射端的信号，扫地机将执行避障程序和防跌落程序。当扫地机接收到信号后即刻停止所有程序并开始执行自动充电程序。此外，扫地机的充电站一定要安置在范围宽阔的的墙角处，以便于扫地机的寻找；程序流程图如图5-6所示。图5-6 自动程序设计流程图结论本论文以智能扫

62、地机器人为研究对象，以数电、模电及单片机为基础，对智能扫地机器人各部分分别做了具体分析，其中包括主控系统的选择、传感器的选型、电机及其驱动电路的选择、遥控方式的选择。本系统中单片机作为最主要的控制中心，其控制着所有芯片，因此在选型时做了严格挑选。通过对本课题的研究和制作，我对传感器学有了非常深刻的理解，并且增强了我的动手能力；此外，我还掌握如何控制电机的方法及使用脉冲技术对电机实现速度调节。最主要的是提高了本人研究与分析问题的能力。根据验证的方法，结束了对扫地机电控系统以及软件部分的设计之后，通过几天对扫地机的运行与调整，扫地机的各个部件都运行良好。这检验了本次设计的系统方案非常具有可行性，并且实现了预先设定的功能。因为时间的约束和本人能力的局限性，本次设计的智能扫地机仍存在一些问题需要进一步解决，比如其清扫效果有待改进等，但我坚信，不断成熟的科学技术会使智能扫地机具有更宽广的发展市场；为社会，为人类创造更多的效益。致谢参考文献1 谭定忠，王启明，李金山，李林.清洁机器人研究发展现状M. 20