智能控制系统的扫地设计

精品文档 1欢迎下载 本科毕业设计说明书本科毕业设计说明书 扫地机的智能控制系统设计扫地机的智能控制系统设计 SWEEPER INTELLIGENT CONTROLSYSTEM DESIGN 学院 部 专业班级 学生姓名 指导教师 年 月 日 精品文档 2欢迎下载 扫地机的智能控制系统设计 摘要 目前 各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中 从事着与人们生活 息息相关的服务工作 极大地提高和改善了人们的生活质量 室内智能扫地机器人就 是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人 室内智能扫地机器人的路径规划采用区 域充满的规划方法 目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的 连续路径 根据建立的扫地机器人平台 提出清扫机器人随机运动路径规划算法 机 器人利用其上安装的红外传感器和摄像头来识别和感知房间环境 机器人开始以螺旋 运动方式覆盖房间的空白区域 当遇到障碍物时 启动障碍物应对策略 通过计算机 软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性 关键词 扫地机器人 单片机 环境识别 路径规划关键词 扫地机器人 单片机 环境识别 路径规划 精品文档 3欢迎下载 SWEEPER INTELLIGENT CONTROLSYSTEM DESIGN ABSTRACTABSTRACT At present time more and more various of service robots are designed and applied to people s daily life The application of these robots is promoting the quality of people s life tremendously as they deal with the works related to people s life closely Indoor automatic cleaning robot is one of these service robots developed to help people to carry out the troublesome room cleaning work The path planning algorithm of Indoor Automatic Cleaning Robot should spread over the room area using the area filling path planning algorithm to find a continuous path from start to end A random moving path planning algorithm is put forward based on the platform The cleaning robot identifies the room environment using the infrared transducer and the camera outfitted on its body Moving in the spiral motion mode with the gradually enlarging radius the robot begins to explore and clean the blank area While it encounters obstacles like wall or furniture it will start the strategy of dealing with obstacles This algorithm is validated through computer simulation and robot experiment KEYWORDS cleaningKEYWORDS cleaning robot singlerobot single chipchip microcomputer environmentmicrocomputer environment identification pathidentification path planningplanning 精品文档 4欢迎下载 1 绪论 1 1 引言 自动扫地机器人是当今服务机器人领域的研究热点 从理论和技术上讲 自动扫 地机器人比较具体的体现了移动机器人的多项关键技术 具有较强的代表性 从市场 上前景讲 自动扫地机器人将大大降低劳动强度 提高劳动效率 适用于宾馆 酒店 图书馆 办公场所和大众家庭 因此开发自动扫地机器人既具有科研上的挑战性又 具有广阔的市场前景 1 2 研究现状 自从 1904 年英国人发明了第一台扫地机 至今为止扫地机的发展历史已有近百年 而后日本 美国 德国 英国等国家就开始了扫地机的批量生产 目前 国外先进的 扫地机都在不断地提高智能水平 吸扫式小型扫地机是目前国内外应用最为广泛的小型扫地机品种 通常有盘型刷 和风机 风管道 吸尘嘴等部分 盘刷的设置加强了对马路边沟的清扫 增加了清扫 宽度 盘型刷将侧面的垃圾扫到吸尘嘴的工作区域 再由吸尘系统将垃圾吸入机内的 垃圾箱 吸扫式小型扫地机适合于任何道路环境的清扫 对污物 尘土都有很好的清 扫效果 工作效率高 智能化扫地机不仅给企业带来巨大的经济效益 同时也产生了 显著的社会效益 1 2 1 路径规划技术 路径规划就是根据机器人所感知到的工作环境信息 按照某种优化指标 在起始 点和目标点规划出一条与环境障碍无碰撞的路径 并且实现所需清扫区域的合理的路 径覆盖 实质就是扫地机运动过程中的导航和避碰 1 2 2 多传感器融合技术 为了让吸尘机器人正常工作 必须对机器人位置 姿态 速度和系统内部状态进 行监控 并感知机器人所处工作环境的静态和动态信息 使得吸尘机器人相应的工作 顺序和操作内容能自然地适应工作环境的变化 吸尘机器人都采用了大量的传感器 有效地把大量的传感器观测信息融合处理 使机器人获得最大量的外部环境信息 运 用多传感器融合技术可以提高移动机器人定位 障碍物识别 环境建模 避障的精度 1 2 3 电源技术 精品文档 5欢迎下载 移动电源需同时为移动机构提供动力 为控制电路提供稳定的电压 为吸尘操作模 块及传感观测模块提供能源等 电源在放电过程中具备 保持恒定的电压 内阻 小以便快速放电 可充电 成本低等特点 依托以上关键技术 可实现以下产品功能 1 自动检测垃圾并对较脏的区域重点清扫 2 自动寻找智能充电座回去充电 3 定时清扫 4 当机器被卡住能自动摆脱 5 支持遥控 6 边角清扫程序 7 不重复清洁 不留死角和楼梯防跌落功能 1 3 研究内容 1 3 1 自动返回充电功能 启动机器人自动充电模式 它在完成工作后会自动返回充电并进入待机状态 用 户只要打开机器人 剩下的清洁工作就不用担心了 1 3 2 具有预约定时自动清扫功能 可以预约一次和一周内任意预约清扫时间 可以放心上班和出差 也可以自动打 扫 1 3 3 脱困功能 可以顺利跳过 2CM 高的电线等杂物 具有聪明的摆脱困境功能 入遇困境 机器 人会自动尝试用各种办法摆脱困境 1 3 4 防跌落功能 在楼梯 会议桌等地方工作也不用担心机器会跌落而造成顺坏及危险 机器人自 动感知到危险而避开 1 3 5 液晶显示屏智能报警提醒 智能识别系统能够帮助您判断机器人使用过程中出现的问题 智能识别系统能够 自动识别各种异常情况 1 3 6 灵巧边刷 单独的边刷控制边刷高速旋转 将墙角 墙边的垃圾清扫出来并进入尘盒 真正的 精品文档 6欢迎下载 有效清扫边角灰尘 1 3 7 解决智能扫地机反复清理一个地方的问题 1 4 论文主要完成的工作 课题主要完成的工作包括清洁机器人结构设计 驱动电机选择 传感器的选择 控制算法的研究 硬件电路设计和软件编程及试验 1 4 1 机械结构部分 包括机器人构成方案选择 机器人本体机构设计和驱动电机的选择 1 4 2 避障系统控制方案 包括机器人障碍检测系统 定位系统的确定和控制算法的选择 1 4 3 控制系统硬件部分 包括单片机控制系统硬件电路设计 电机驱动电路设计和传感器检测硬件电路设 计 1 4 4 控制系统软件部分 包括单片机控制系统的软件设计 精品文档 7欢迎下载 2 单片机 2 1 单片机简介 常用英文字母的缩写 MCU 表示单片机 单片机又称单片微控制器 它不是完成某 一个逻辑功能的芯片 而是把一个计算机系统集成到一个芯片上 单片机由运算器 控制器 存储器 输入输出设备构成 相当于一个微型的计算机 最小系统 和计算 机相比 单片机缺少了外围设备等 概括的讲 一块芯片就成了一台计算机 它的体 积小 质量轻 价格便宜 为学习 应用和开发提供了便利条件 现代人类生活中所用的几乎每件有电子器件的产品中都会集成有单片机 手机 电话 计算器 家用电器 电子玩具 掌上电脑以及鼠标等电子产品中都含有单片机 汽车上一般配备40多片单片机 复杂的工业控制系统上甚至可能有数百片单片机在同 时工作 2 1 1 硬件特性 1 单片机包括 CPU 4KB 容量的 ROM 128 B 容量的 RAM 2个16位定时 计数器 4个8位并行口 全双工串口行口 ADC DAC SPI I2C ISP IAP 2 系统结构简单 使用方便 实现模块化 3 单片机可靠性高 4 处理功能强 速度快 5 低电压 低功耗 便于生产便携式产品 6 控制功能强 7 环境适应能力强 2 2 AT89C51 单片机 本设计以 AT89C51 单片机作为检测和控制核心 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的 低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内含 4KB 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128bytes 的随机存取数据存储器 ROM 器件采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 CPU 和 Flash 存储单元 功能强大 AT89C51 单片机可提供许多高性价比的应用场合 可灵活应用于各种控制领域 2 2 1 AT89C51 主要性能参数 1 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 2 有 4K 字节可重擦写 Flash 闪速存储器 精品文档 8欢迎下载 3 有 1000 次的擦写周期 4 全静态操作 0Hz 24MHz 5 有 128 8 字节的内部 RAM 6 有 32 个可编程 I O 口 7 有 2 个 16 位定时 计数器 8 有 6 个中断源 9 低功率空闲和掉电模式 2 2 2 AT89C51 功能特性概述 AT89C51 提供以下标准功能 4K 字节 Flash 闪速存储器 128 字节内部 RAM 32 个 I O 口线 两个 16 位定时 计数器 一个 5 向量两级中断结构 一个全双工串行通 信口 片内振荡器及时钟电路 同时 AT89C51 可将至 0Hz 的静态逻辑操作 并支持两 种软件可选的节电工作模式 空闲方式停止 CPU 的工作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保存 RAM 中的内容 但振荡器停止工作并 禁止其他所有部件工作直到下一个硬件复位 2 2 3 AT89C51 引脚 VCC 电源电压 GND 接地 P0 口 P0 口是一组 8 位漏极开路型双向 I O 也即地址 数据总线复用口 作输出 口用时 每位能吸收电流的方式驱动 8 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 可作为高阻 抗输入端用在访问外部数据存储器或程序存储器时 这组口线分时转换地址 低 8 位 和数据总线复用 在访问期间激活内部上拉电阻 P1 口 P1 口是一个携带内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P1 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口 拉倒高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚 被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL P2 口 P2 口是一个带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P2 的输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对端口写 1 通过内部的上拉电阻把端口 拉到高电平 此时可作输入口 作输入口使用时 因为内部存在上拉电阻 某个引脚 被外部信号拉低时会输出一个电流 IIL 精品文档 9欢迎下载 P3 口 P3 口是一组带有内部上拉电阻的 8 位双向 I O 口 P3 口输出缓冲级可驱动 吸收或输出电流 4 个 TTL 逻辑门电路 对 P3 口写入 1 时 它们被内部上拉电阻 拉高并可作为输入端口 作输入端时 被外部拉低的 P3 口将用上拉电阻输出电流 IIL P3 口除了作为一般的 I O 口线外 更重要的用途是它的第二功能 如表 3 1 所示 表表 2 12 1 端口引脚第二功能表端口引脚第二功能表 端 口 引 脚第 二 功 能 P3 0 RXD 串行输入口 P3 1 TXD 串行输出口 1 2 3 4 5 6 7 8 13 12 15 14 31 19 18 9 17 16 P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 INT1 INT0 T1 T0 VPEA X1 X2 RESET RD WR 39 38 37 36 35 34 33 32 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 11 10 41 40 P26 P25 P24 P23 P22 P27 P21 P20 P07 P06 P05 P04 P03 P02 P00 P01 VSS VCC RXD TXD PSEN ALE P 图图 2 12 1 AT89C51AT89C51 芯片芯片 精品文档 10欢迎下载 P3 2 外中断 0 0INT P3 3 外中断 1 1INT P3 4 T0 定时 计数器 0 P3 5 T1 定时 计数器 1 P3 6 外部数据存储器写选通 WR P3 7 外部数据存储器读选通 RD 精品文档 11欢迎下载 3 智能扫地机各系统分析 用红外传感器 光电传感器 接触传感器完成自动避障 用光电编码器检测电机 的转速 利用 PWM 技术来动态控制电动机的转动方向和转速 通过软件编程实现清扫 机行进 执行清扫任务 绕障 停止的精确控制以及检测数据的存储 显示 通过对 电路的优化组合最大限度地利用 AT89C51单片机的全部资源 P0口用于数码管显示 P1 口用于电动机的 PWM 驱动控制 P2 P3口用于传感器的数据采集与中断控制 这样做 的优点是 充分利用了单片机的内部资源 降低了总体设计的成本 总系统框图如图3 1 所示 3 1 智能扫地机传感器系统 传感器系统是扫地机的感觉器官 负责采集环境障碍物和自身状态的信息 是扫地 机的重要组成部分 由多传感器及相关信号处理电路组成 在非结构化环境下 传感 器系统为扫地机的正常工作发挥着无可替代的作用 扫地机传感器系统的性能越好 自动避障和路径规划方案就越容易实现 控制系统的程序就更容易编写和执行 扫地 机系统的整体性能也就越好 移动机器人传感器系统常用的传感器大致可以分为内传感器和外传感器两大类 内传感器主要用于采集系统自身状态的信息 比如速度 加速度 轨迹 位置等 这类 传感器主要有测速发电机 加速度计 编码器 陀螺仪 电子罗盘等 外传感器负责 采集系统外部环境信息 比如图像 距离 受力等 这类传感器包括 CCD 视觉传感器 超声波传感器 红外传感器 力传感器等 扫地机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息 以实现扫地机的 自主避障 由此可见 传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选择和执行质 量 对工作环境下的障碍物信息 可以通过外部传感器获得 移动机器人上常用的探 图图 3 13 1 硬件设计总框图硬件设计总框图 看门狗电路 PWM调速电路 红外接收电路 液晶显示电路 继电器控制电路 各传感器电路 清扫部 件电机 垃圾箱 盖电机 单 片 机 电 机 精品文档 12欢迎下载 测障碍物的传感器主要有超声波传感器 红外光电传感器 接触传感器和视觉传感器 等几种 超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器 超声波是一种振动频率高 于声波的机械波 由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的 它具有频率高 波长 短 绕射现象小 特别是方向性好 能够成为射线而定向传播等特点 超声波对液体 固体的穿透本领很大 尤其是在阳光不透明的固体中 它可穿透几十米的深度 超声 波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波 碰到活动物体能产生多普勒效 应 因此超声波检测广泛应用在工业 国防 生物医学等方面 超声波传感器通过计 算超声波的发射接收时间间隔实现定量测距 超声波传感器波束较宽 方向性差 但 是其环境适应能力强 探测距离远 采集信息速度快 且比一般视觉传感器和激光测 距仪都要便宜 因此在许多方面得到广泛应用 红外光电传感器具有探测视角小 方向性好 信号处理简单和反映速度快等优点 但是其受环境影响较大 当探测头被灰尘等污染后 其探测性能将大大下降 红外光 电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件 它是把光信号 红外 可 见及紫外光辐射 转变成为电信号的器件 红外光电传感器是采用光电元件作为检测 元件的传感器 它首先把被测量的变化转换成光信号的变化 然后借助光电元件进一 步将光信号转换成电信号 红外光电传感器一般由光源 光学通路和光电元件三部分 组成 光电检测方法具有精度高 反应快 非接触等优点 而且可测参数多 传感器 的结构简单 形式灵活多样 它的探测距离比较近 从几个毫米到几十厘米不等 因 此 光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛 接触传感器通过与被测物体的接触来确定被测物体的相关信息 如物体的存在与 否 物体的形状和位置 接触面的压力分布及大小等等 接触传感器主要有限位开关 接触开关等 这些传感器结构简单 信号易处理 适应能力强且价格低廉 由于超声 波传感器 红外光电传感器和接触传感器都具有价格低廉 工作可靠 速度快等优点 因此广泛应用于移动机器人的局部导航 经过对比分析 本设计方案采用超声波传感器 红外光电传感器和接触开关 三 种传感器来构建清扫机器的传感器系统 将这些传感器合理布置在清扫机周边位置上 通过相应的信号处理电路与微处理器系统实现数据通讯 控制系统根据获得的传感器 系统信息做出避障决策 实现自主避障 3 1 1 测速装置模块 测速信号通过在电机的转子上加装带有黑白条纹的圆盘 再利用光电开关得到电 机每转一圈产生若干个脉冲信号 据此可以算出电机的实际转速 这种简易的光电开 关测速法成本低 性能可靠 可以在电机转速不高 精度没有严格要求的情况下使用 精品文档 13欢迎下载 这种测速装置可以构成里程计 根据里程计的返回脉冲数可以计算出电机行走的距离 并间接得到行走速度 3 1 2 碰撞检测 碰撞检测采用霍尔元件 EW462 芯片的内部原理框图如图3 4所示 芯片的工作方 式如图3 5所示 芯片的供电电压范围为 4 5V 18V 灵敏度高 阻抗低 工作的最大 输出电流为 15mA 当芯片的正上方有 S 极磁场时 霍尔元件输出高电平 当元件偏离 磁场后 元件输出低电平 通过控制霍尔元件正上方的磁场极性 可以控制元件输出 信号的变化趋势 当极性相反时 元件在偏离磁场时为高电平 正对磁场时为低电平 3 2 驱动系统 驱动器就是驱动扫地机的动力部件 最常用的就是电机 扫地机最主要的控制量 就是控制扫地机的移动 扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机 控制电机转的 圈数就可以控制扫地机移动的距离和方向 清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等 所以 第一个要解决的问题就是如何让电机能根据自己的意图转动 一般有专门的控 制卡和控制芯片来进行控制 有了这些控制卡和芯片 然后把微控制器与其连接起来 就可以用程序来控制电机 第二个问题是控制电机的速度 在扫地机上的实际表现就 是它的实际运动速度 扫地机走的快慢全靠电机的转速 这样就要求控制卡对电机有 速度控制 机器人的工作电机分为行走 吸尘和毛刷电机 机器人行走结构中前面有一个从 动转向轮 两侧各有一个驱动轮 由无刷直流电机进行控制 清扫结构主要使用真空 吸尘器和由电机带动的旋转毛刷 永磁无刷电动机具有效率高 功率大 体积小 控制精度高等明显特点在机器人 领域有着广泛的应用 无刷直流电机具有良好的调速性能 由于它采用电子换向 脉 宽调制脉冲调速 在进一步提高直流电机性能的同时 又克服了直流电机传统机械换 向带来的一系列问题 从而大大延长了电机的使用寿命 电源 稳压 输出 信号 施密特 触发器 信号 处理 霍尔 元件 图图 3 23 2 EW462EW462 内部原理示意图内部原理示意图 精品文档 14欢迎下载 直流无刷电机控制电路主要有控制电路微处理器 数字信号处理器和专用集成电 路等 3 种方式 使用单片机辅以外围处理电路的方法 其测频 换相 控制调节等均 由软件实现 选用单片机软件编程的方法控制无刷直流电机 吸尘器内的风机和带动 毛刷的电机都使用直流电机 由于不需要调速 换向 因此控制方法比较简单 电机的运动系统结构如图 3 2 它决定了机器人的运动空间 采用轮式结构 其中 左右轮为主动轮 需要用可调速的电机控制 前面的转向轮为从动轮 便于机器人的 转向 直流电动机具有良好的线性调速特性 简单的控制性能 较高的效率 优良的动 态特性 所以一直占据着调速控制的统治地位 虽然近年不断受到其他电动机如交流 变频电动机 步进电动机的挑战 但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选 择 在生产 生活中仍有着广泛的应用 采用广泛应用的脉宽调制技术控制电动机电枢的电压 所谓 PWM 控制技术 就是 通过控制半导体开关器件的导通与关断 把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电 压脉冲宽度或周期以达到变压的目的 产生 PWM 信号常用的 4 种方法如下 1 分立电子元件组成的 PWM 信号发生器 这种方式是用分立的逻辑电子元件组成 信号电路 是较早采用的方法 可靠性 可调性较差 2 软件模拟式 利用单片机的一个 I O 引脚 通过软件对该引脚输出高低电平来 模拟 PWM 波 该方法占用 CPU 的时间较多 控制软件较复杂 3 专用 PWM 集成电路 采用专用的 PWM 集成电路芯片 该方法功能强 但增加 了调速系统的成本开销 4 单片机的 PWM 口 新一代的许多单片机具有 PWM 调速功能 通过单片机的初始 化设置 使其自动发生脉冲波 只有在改变脉冲宽度时才进行干预 转向轮 左 轮 右 轮 机器人底座 图图 3 33 3 主从动轮分布图主从动轮分布图 精品文档 15欢迎下载 该方法控制直流电动机转速简单 可靠 所以使用单片机的 PWM 口作为电机的 PWM 调速控制 无刷直流电动机简称 BLDC 学名是无换向器电机或无整流子电机 是一种新型的 无级变速电机 它具有直流电机良好的调速特性 但由于没有换向器 因而可做成无 接触式 具有结构简单 制造方便 不需要经常性维护等优点 是一种理想的变速电 机 选用的轮子驱动电机即为无刷直流电机 其工作电压是 10 15V 最大工作电流 0 84A 正常工作电流 0 4A 有专门的换向控制引脚 高低电平控制正反转 该电机可 以由 PWM 信号直接驱动 允许的脉宽调制脉冲信号输入参数为 允许输入 PWM 的频率 最大为 50kHz 高电平的输入电压范围为 2 0V 5 0V 低电平的输入电压为 0V 1 0V 输入开路电压为 4 5V 5V 3 3 红外遥控系统 红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段 红外遥控装置具有体积小 功耗低 功能强 成本低等特点 继彩电 录像机之后 红外线遥控在录音机 音响 设备 空调机以及玩具等其它小型电器装置上也实现广泛的应用 工业设备中 在高 压 辐射 有毒气体 粉尘等环境下 采用红外线遥控能可靠且有效地隔离电气干扰 基于以上优点 故采用红外遥控装置来控制智能扫地机的清扫方式及开机与关机 通常红外遥控系统由发射和接收两大部分组成 应用编码 解码专用集成电路芯片 来进行控制操作 如图 3 2 所示 发射部分包括键盘矩阵 编码调制 LED 红外发送器 接收部分包括光 电转换放大器 解调 解码电路 红外接收芯片选用 TFMS5380 在 遥控器上使用单片机进行红外功能编码 在扫地机上 由于单片机处理任务很多 因 此选用专用的解码芯片 解码芯片是 REALTEK 公司生产的一种用于遥控小卡车的 CMOS 大规模集成电路 RX6B 它有七个控制键来控制小卡车的移动 由于编码和解码的振荡 键盘编码调制LED 遥控发射器 光 电放大解调解码 遥控接收器 图 3 4 红外遥控系统 精品文档 16欢迎下载 频率必须一致 频率的大小由 OSCI 和 OSCO 之间的电阻决定 四个红外接收管的信号 通过与门与芯片的输入端 SI 相连 使得解码芯片在接收到任意方向的红外线信号时都 能正常工作 3 4 浮动开关电路 浮动开关是一个安装在轮子内侧的机械开关 轮子上有弹簧装置 当轮子浮起时 开关断开扫地机停止前进 实现了防跌落功能 防跌落功能有效的保护了扫地机各部 位免遭摔坏 所以是必不可少的 3 5 看门狗 几乎所有的单片机都需要复位电路 对复位电路的基本要求是 在单片机上电时 能可靠复位 在下电时能防止程序乱飞导致 EPROM 中的数据被修改 另外 单片机系 统在工作时 由于干扰等各种因素的影响 有可能出现死机现象导致单片机系统无法 正常工作 为了克服这一现象 除了充分利用单片机本身的看门狗定时器 有些单片机 无看门狗定时器 外 还需外加看门狗电路 除此以外 有些单片机系统还要求在掉电 瞬间单片机能将重要数据保存下来 因掉电的发生往往是根随机的 因而此类单片机 系统需要电源监控电路 在掉电刚发生时能告知单片机 IMP813L 刚好能满足这些要求 下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法 IMP813L 有双列直插和贴片封装形式 其双列直插如图所示 引脚功能如下 第 1 脚为手动复位输入 低电平有效 第 2 3 脚分别为电源和地 第 4 脚为电源 故障输入 第 5 脚为电源故障输出 第 6 脚为看门狗输入 第 7 脚为复位输出 第 8 脚为看门狗输出 IMP813L 的性能特点 IMP813L 的内部结构框图如图 3 5 具有以下主要性能特点 由图可知该芯片具有 MR VCC GND PFI WDO RESET IMP813L WDI PFO 图图 3 53 5 IMP813LIMP813L 芯片芯片 精品文档 17欢迎下载 以下主要性能特点 1 复位输出 系统上电 掉电以及供电电压降低时 第 7 脚产生复位输出 复位 脉冲宽度的典型值为 200ms 高电平有效 复位门限的典型值为 4 65V 2 看门狗电路输出 如果在 1 6s 内没有触发该电路 即第 6 脚无脉冲输入 则 第 8 脚输出一个低电平信号 3 手动复位输入 低电平有效 即第 1 脚输入一个低电平 则第 7 脚产生复位输 出 4 1 25V 门限值检测器 第 4 脚为输入 第 5 脚为输出 当第 4 脚电压低于 1 25V 时 第 5 脚输出一个低电平信号 IMP813L 的典型应用电路 IMP813L 的典型应用电路如图 3 6 所示 图中单片机以 AT89C51 为例 IMP813L 的 第 1 脚与第 8 脚相连 第 7 脚接单片机的复位脚 AT89C51 的第 9 脚 第 6 脚与单片机 的 P1 4 相连 在软件设计中 P1 4 不断输出脉冲信号 如果因某种原因单片机进入死 循环 则 P1 4 无脉冲输出 于是 1 6s 后在 IMP813L 的第 8 引脚输出低电平 该低电 平加到第 1 脚 使 IMP813L 产生复位输出 使单片机有效复位 摆脱死循环的困境 另外 当电源电压低于门限值 4 65V 时 IMP813L 也产生复位输出 使单片机处于复位 状态 不执行任何指令 直至电源电压恢复正常 可有效防止因电源电压较低时单片 机产生错误的动作 R1 R2 V5 手动 PF1 VCC MR PFO WD1 RESET GND WDO P1 4 INT1 AT89C51 P1 9 被检测的电源 IMP813L 图图 3 63 6 IMP813LIMP813L 的典型应用电路的典型应用电路 精品文档 18欢迎下载 电源故障输入 PFI 通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源 当 PFI 低于 1 25V 时 电源故障输出脚第 5 脚 PF0 变低 可引起 AT89C51 中断 进行电源故障处 理 或将重要数据保存下来 把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故 障告警 IMP813L 是一体积小 功耗低 性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片 它使用简单 方便 它所提供的复位信号为高电平 因而是应用于复位信号为高电平 场合的单片机系统的理想芯片 3 6 液晶显示电路 液晶显示器以其微功耗 体积小 显示内容丰富 超薄轻巧的诸多优点 在袖珍 式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用 这里采用 2 行 16 个字的 DM 162 液晶模块 通过与单片机连接 编程 完成显示时间及清扫机行进速度的功能 DM 162 液晶显示模块的字符显示 可分为好几种显示模式 这主要取决于对具体 的应用 如静态的显示 还是动态的左移或者右移显示 那么这个主要是在程序设计 的过程中 进行初始化所决定的 因此 在使用之前先确定使用的目的 选择好显示 的方式 当然得找出相应的显示字符的字符代码及在 DM 162 液晶显示模块的相应显示 位置的 RAM 地址 然后进行每个字符的写入显示 在使用的过程中 还得注意的一点 是 可能是显示驱动电压的不稳定性 或者是由于驱动电压的过高 会形成一种 鬼 影 的现象 因此需要手动对 10K 的电位器进行对比度调整以达到显示的良好效果 液晶显示模块电路如图 3 7 它由以下几个部件组成 单片机 AT89C51 液晶字符 AT89C51DM 162液晶模块 P3 7 P3 5 P3 6 P2 0 P2 1 P2 2 P2 3 P2 4 P2 5 P2 6 P2 7 RS RW E VDD D0 V0 VSS 10K 电位器 VDD 5V VSS D7 D6 D5 D4 D3 D2 D1 图图 3 73 7 液晶显示系统电路液晶显示系统电路 精品文档 19欢迎下载 显示部件 DM 162 电源供电部分 单片机部分 采用 AT89C51 芯片实现对 DM 162 的控制显示 字符显示模块 选择 2 行 16 个字的显示容量 电源部分 5V 电压供电 维持系统的正常工作 同时加载 10K 电位器以适应不用 亮度的显示字符即对比度的调整 精品文档 20欢迎下载 4 智能扫地机的设计 4 1 自动充电系统 自动充电是用对接充电来实现的 对接充电过程主要用了红外信号 在智能吸 尘机器人的左侧和后面都有红外接收器 发射传感器则安装在充电座上 对接充电对 扫地机是非常重要的 因为机器人自带的充电电池电量有限 不一定能保证完成清扫 工作 这就需要机器人能自动对接充电 当内部电源检测到电压低于一定值是 扫地 机器人将沿墙壁寻找充电座 一般扫地机器人按右手法则寻找充电座 所以在扫地机 器人贴墙的一侧 选左侧 和后部各装有一个红外接收传感器 当侧面的一侧在贴边 过程中收到红外信号时 扫地机器人顺时针旋转 90 度 并沿着红外光路靠近充电座 同时检测充电座充电电压即可确定是否已经对接上 4 2 驱动系统电路 驱动系统电路包括驱动器 光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分 如图 3 6 所示 在具体电路中 由于单片机使用 5V 弱电 而电机的驱动电压为 12V 或者更高 考虑到单片机会受到驱动部分的干扰 因此采用了光电耦合器 TLP521 把控制部分和 驱动部分隔离开来 单片机输出端口的电流一般只有 20mA 左右 不足以或者不能稳定 地驱动光电耦合器 TLP521 工作 因此采用芯片 74HC245 来增强驱动能力 为光电耦合 器 TLP521 提供合适的驱动电流 驱动器保护电路由 8 个高速大电流肖恩特二极管 1N5822 图中 D1 D8 组成 用来消除电机在起停 制动及换向时产生的反电势 保护 二极管最好采用高速大电流的开关管 否则反向恢复时间太长 L298N 内部 H 桥的上下 两个三极管会因为开闭时序交叉 导致同时打开而短路 长期使用状态下会造成 L298N 发热或烧毁 按照图 4 1 所示电路 系统工作时 单片机 P1 口输出的控制信号经过驱动器芯片 74HC245 和光电耦合器之后输入电机驱动芯片 L298N 控制电机动作 当需要调速时只 需改变 PWM 调速脉冲 本设计中由单片机 P1 3 和 P1 6 端口产生 的占空比即可 理 论上可以实现 256 级调速 4 3 总体软件流程 总流程图如图 4 1 所示 是整个清扫机运行过程的流程图 其中包括初始化整个 系统 启动各电路模块 等待接收命令 启动驱动系统 检测障碍 启动清扫避障系 统 结束清扫等过程 1 首先 启动清扫机电源 使各模块持续供电 精品文档 21欢迎下载 2 启动各电路模块 启动液晶显示系统 以便显示清扫机行进速度及运行时间 此过程通过软件编程控制液晶显示系统及驱动系统向单片机控制系统反馈实现 启动清扫机传感器系统 此项内容主要作用是使清扫机对周围环境有一个了解 通过对周围环境的感知来实现测距 清扫 避障 本过程主要是通过单片机控制各传 初始化并开中断 开始 收到前进命令 启动各电路模块 启动驱动系统 前进 遇到障碍 启动清扫和避障系统 结束 N Y N Y 图图 4 24 2 总流程图总流程图 精品文档 22欢迎下载 感器及传感器向单片机反馈来实现 启动红外接收系统 等待接收红外信号 3 当接收到前进指令时 启动驱动系统 4 当遇到障碍时启动清扫系统及避障系统 此过程是整个清扫系统的关键 此 设置串口方式1 T1 方式1 T0方式2 外部中断0和T0开中断 T0设置为中断优先级 设置显示 定时 启动停止标志位 显示否 2位LED显示时间 有键按下否 1分钟到否 进入低功耗 恢复R5 Y N N Y Y N 图图 4 34 3 红外发射电路流程图红外发射电路流程图 精品文档 23欢迎下载 过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断 4 4 红外遥控系统流程 发射电路主程序的流程图如图 4 3 所示主程序中设置串口工作方式 1 和定时器 T1 方式 2 是为了发射按键代码时产生 2000b s 的波特率 定时器 T0 工作方式 2 是用来在 P3 7 引脚上输出 38kHz 的载波信号 有按键下时产生外部中断 0 寄存器 R5 和 R4 中 存放的数据是用来控制 1 min 的定时时间 1 min 之内无按键 则遥控器进入低功耗 状态 定时器 T0 中断程序是将 P3 7 引脚取反产生 38kHz 的载波信号 此信号为方波 信号 外部中断 0 的中断程序用于判断按键并发射按键代码 同时还包括按键去抖动 和检查设置相关标志位 4 5 驱动系统流程 首先是系统初始化工作 即设置寄存器 配置 GPIO 定时器 A D 转换器和外部中 断 启动 A D 转换 然后检测 GPIO 有没有启动信号 检测到启动信号后 从另一个 GPIO 初始化 有自动信号 直流电机上电 数据送至单片机 数据处理 数据采集 结束 N Y 图图 4 44 4 驱动系统流程驱动系统流程 精品文档 24欢迎下载 发出控制信号给直流电机加电 从 A D 转换器里读取电流信号数据 再通过求平均值得 到电机的电流值 对输出脉冲信号的数据进行 FFT 变换 求出基波的频率 再根据电机的 具体型号乘以一个系数得到电机的转速 最后把测试电流和转速送给液晶显示系统显 示清扫机行进速度 启动总线传输 把测试结果传输到单片机 以对数据进行保存和分 析 软件流程如图 4 4 所示 4 6 清扫避障系统流程 清扫壁障流程图如图 4 5 该流程是智能清扫机执行清扫命令及躲避障碍的流程 1 红外光电传感器的红外发光管发射红外光 光波在遇到障碍物后反射 被红外 接收管接收 产生一个与光强相对应的电流 电流经 LM358 组成的两极放大电路放大 后 输出一个模拟电压 经 A D 转换后输入单片机 遇到障碍