机械设计制造毕业论文-家居清洁卫生机器人设计

1、家居清洁卫生机器人摘要清洁机器人又称智能吸尘机器人或自动吸尘器，它涉及到机械、电子和计算 机等知识，是将移动机器人技术和清洁技术融为一体、仿人体清洁动作的高新技 术产品。本文介绍了清洁机器人的组成部分，并完成了硬件电路的实现。考虑到 存储、接口资源及可靠性能等，主控器选择了 stc89c52单片机，所构成的单片 机应用系统功能强、性价比高，完全满足控制功能的要求。然后，详细设计了红 外传感器，碰撞检测，屯源模块、充电模块、键盘、液晶显示以及各种电机控制 等电路。在软件设计方面，采用c51语言编制了控制系统各部分的软件，包括 主控程序以及中断服务、红外、碰撞传感器检测等子程序。 关键词：家居清洁

2、卫生；机器人；单片机；智能清扫in this papercleaning robot is also called intelligent vacuuming robot or automatic vacuum cleaner, it involves knowledge such as machinery, electronics and computer, mobile robot technology and clean technology integration, the imitation of human body cleaning action of high-tech pro

3、ducts- part of the cleaning robot has been introduced in this paper, and completed the hardware circuit implementation. considering storage, interface resources and the reliable performance, and the host controller chose stc89c52 single-chip computer, made up of single chip microcomputer application

4、 system function is strong and high cost performance, fully meet the requirements of control function. are designed in detail, and the infrared sensors, collision detection, power supply module, the charging module, keyboard, lcd display and a variety of motor control circuit and so on. in the aspec

5、t of software design, the use of c51 language to compile the various parts of the control system software, including the main program and interrupt service, infrared and collision sensors dengzi program key words： household cleaning and hygiene； robot； single chip microcomputer； intelligent cleaning

6、摘要i第一章绪论11.1课题研究背景11.1.1机器人技术概述11. 1.2清洁机器人特点11.2论文构成及研究内容1第二章清洁机器人的总体设计22. 1总体设计方案比较论证22. 2核心模块方案设计22. 3避障模块方案设计32.4清洁机器人系统的整体构架3第三章清洁机器人的硬件设计43. 1 stc89c52单片机介绍43. 1. 1 stc89c52的主要性能43. 1.2 stc89c52单片机最小系统53.2电源转换电路的设计63. 3 l298n驱动芯片的介绍63.4左右轮驱动电机电路设计73.5清洁机构电机驱动电路83. 6红外传感器83. 6. 1红外避障传感器模块83.6.2

7、红外台阶检测传感器9第四章 脉冲调制技术94. 1pwm技术原理94. 2pwm技术产生104. 3pwm控压调速原理10第五章清洁机器人软件设计125. 1行走电机控制程序125. 1. 1电机正反转控制125. 1.2电机转速控制125.2台阶检测145. 3避障处理145. 3. 1未知环境探测145. 3.2实时避障方法的实现15结论15参考文献15致 谢错误!未定义书签。第一章绪论1.1课题研究背景1.1.1机器人技术概述随着机器人技术的飞速发展，工业机器人已广泛应用于各个领域的工业现 场。第一代机器人是示教再现型工业机器人，它们装有记忆存储器，由人将作业 的各种要求示范给机器人，使

8、之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时， 则自主地模仿示范的动作作业。第二代机器人是装有小型计算机和传感器的离散 编程的工业机器人，它能感知外界信息并进行“思维”，它比第一代机器人更灵 活、更能适应环境变化的需求。第三代机器人是智能机器人，它不但有第二代机 器人的感觉功能和简单的自适应能力，而且能充分识别工作对象和工作环境，并 能根据人给的指令和它自身的判断结果自动确定与之相适应的动作，是人工智能 发展到高级阶段的产物，也是当今机器人发展的重点和热点。1.1.2清洁机器人特点清洁机器人一般具有如下的特点：1）清洁机器人自带电源，小巧轻便、操作简单、自主性强、具有很强的实用 性。2）清洁机器

9、人的工作环境主要为普通家庭环境，也可以用于机场候机大厅、 展览馆、图书馆等公共场所。环境的共同特征为有限的封闭空间、平整的地板以 及走动的人员，因此可以归结为复杂多变、结构化的动态环境。所以环境适应 性是对此类机器人的基木要求。3）清洁机器人的任务是清扫地面，工作的对象是地面的灰尘、纸屑以及其他 一些小尺寸物体，而大尺寸物体不作为清洁机器人的处理对象。考虑到安全因素,清洁机器人必须对人及家庭物品等不构成任何危害，同时清洁机器人还必须 具备自我保护的能力。1.2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

10、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，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。第二章清洁机器人的总体设计2.1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

11、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，使系统硕件简洁化，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。2.2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。下而列出三种控制器的选择方案：方案一：采用先进的fpga编程控

12、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。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，应用而很广泛，dsp 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。2.3避障模块方案设计方案一：釆用超声波传感器

13、。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。2.4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2所示图2.1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：控制器（单片机）：主要由单片机stc89c52rc组成，它的主要功能是

14、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。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。第三章清洁机器人的硬件设计3.1 stc89c52单片机介绍3.1.1 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mcs-51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

15、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ohz静态逻辑操作，支持2种 软件可选择节电模式。（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/

16、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：5.5v3.3v （5v单片机）/3.8v-2.0v （3v单片机）3）工作频率范围：040mhz,相当于普通8051的080mhz,实际工 作频率可达48mhz4）用户应用程序空间为8k字节5）片上集成512字节ram6）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/p3.0,txd/p3l）

17、直接下载用户程 序，数秒即可完成 一片8）具有eeprom功能9）共3个16位定时器/计数器。即定吋器to、tl、t2 10.外部中断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10）通用异步串行口（uart）,还可用定时器软件实现多个uart11）工作温度范围：40+85°c （工业级）/075°c （商业级）12）pd1p 封装3.1.2 stc89c52单片机最小系统stc89c52单片机的最小系统电路如图3.1所示。gndge.7(a15).6(a14).5(a13).4(a12).3(au).2(a10)1(a9

18、) o(as) 0( ado)1 adi) 2(ad2) 3(ad3) 4(.w4) 5(ad5)1.6( ad6) 0 7(ad?)£>£>-aleprogpsen40139i!37363533323130293图3.1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 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。(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

19、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。3.2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3.7v干屯池串联后通过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3.2所示。图3.25v稳压电源模块3.3 l298n驱动芯片的介绍l298n是st公司生产的一种

20、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,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 辑屯平信号控制；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屯路。u1b ne12 3 4 ininininl298nvssvs0ut10ut20ut30ut4isen aisen b9413115图3.3 l298n芯片

21、原理图3.4左右轮驱动电机电路设计con?hi b驱动模块1543vs1x3 1x4oct12naoirr*gkdjsena !$enb£1con5 j2 cok33.5 l298n驱动电路"图3.5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是两个输岀端口是接电机线圈，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+0.7v时，下端二极管导通

22、，这样输出线就被限位在电源电压 +0.7v上，不会超过这个数值（对电源充电）。3.5清洁机构电机驱动电路清洁机构的边刷电机和吸尘电机都是由继电器驱动的，单片机的i/o 口只需 给出一个控制信号，经三极管放大后驱动继电器，常开端口闭合就可以驱动电机 工作。具体电路见图3.6所示，此种驱动方式简单实用。因为清扫电机和吸尘电机并不需要对速度进行控制，同时也不需要经常的停 启。故将模块的输入端口接一个低电平电压（电源地）来控制继电器吸和就行。3.6红外传感器3.6.1红外避障传感器模块该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发 射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（

23、反射面）时，红外线反 射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号 输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离， 有效距离范围230cm,工作电压为3.3v-5vo该传感器的探测距离可以通过电 位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避 障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。其电路原理图如图3.7所 示：图3.7红外传感器避障模块电路3.6.2红外台阶检测传感器红外台阶检测使用集成的红外传感器，如图3.8所示。当传感器前方没有物 体时，其输出高电平，有物体时输出为低电平。使用时不需要再外接元件，只需 要给

24、其提供+5v的电源就可以工作，但有效检测距离较近，比较适用于机器人地 盘用于台阶的检测。图3.8红外台阶检测传感器2第四章脉冲调制技术4pwm技术原理脉冲宽度调制（pwm）是一种通过利用一系列脉冲的宽度对信号进行控制 的技术，目的是为了等效地获得所要求的波形，包扌舌频率和幅值，实现了对模拟 信号电平进行数字编码。其实现方式主要是通过使用高分辨率计数器，调制方波 的占空比或者频率来完成非一个具体模拟信号的控制。pwm控制技术是随着全控型电子产品的出现和快速发展，才得到真正的广 泛应用，技术也越来越成熟。最常见的应用是在逆变电路中，获得了空前的发展, 常见的方法可以总结为8种：等脉宽pwm法、sp

25、wm法、线电压控制pwm、电流控制pwm、空间电压矢量控制pwm法等等。本课题采用的方法是冃前使用广泛的spwm法，实现方案多，技术比较成熟，容易控制模拟信号。图4.1不同形状的窄脉冲当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应波形如图4.2所示。 它们输出波形尽管在高频率的时候有所不同，但在低频率的吋候是重合的，其效 果是基木相同的。适合用于哪些载波频率工作在较低频率场合的系统。图4.2输出波形4.2 pwm技术产生根据pwm的基本原理，常用两种产生pwm信号方法：一种方式是在占空 比不变的情况下产生频率不同的脉冲，称作脉冲调制；另一种是在频率不变的情 况下产生占空比不同的脉冲；称作脉宽

26、调制。第一种方法需要产生很多不同频率 的脉冲，条件相对苛刻，不容易实现，还会是电机振动或发出噪声。4.3 pwm控压调速原理本课题使用的是直流屯机，直流屯机自身构造复杂，成本较高，维修困难, 但是其效率高，转速快，小巧，稳定而用途广泛。直流电机最大的优点就是易于 调速，非常适合木系统对电机的快速控制要求。直流电机的转速与加在电机两端 的电压成正比，而电机两端的电压又与控制波形pwm的占空比成正比，可见电 机的速度与输出波形的占空比成正比，占空比越大，电机两端的电压越高，电机 转得越快，相反，占空比越小，电机两端的电压越低，电机转得越慢。从而完成 pwm单元对智能清洁机器人的调速过程。图4.3

27、pwm脉冲由图4.3可知时间t内，等效的脉冲直流电压为：5 =葺（4-1）设0=2,则上式可化为：tu. = au（u为脉冲幅值）（42）式42中。为脉冲的占空比。如果pwm脉冲为周期性的矩形脉冲，周期时间为t,如图4.4所示，则和 此脉冲的等效直流电压为：匕=座=坐=如（为矩形脉冲占空比）（4-3）nt tu（t）0 to t- 2u 2t 3u 3t 4t« nt （n+l）u t图4.4周期性pwm矩形脉冲占空比。通常表示工作时间即开关管导通的时间与时间周期的比值。由上式可知等效直流电压的大小有脉冲的幅值"和占空比q决定的，但是实际系统中实时改变脉冲幅值是比较困难的，

28、容易导致系统的不稳定，因此一般是设置为恒定的数值，通常改变占空比。来控制等效直流电压在0u之间调节，从而实现stc89c52rc芯片对直流电机的控制。第五章清洁机器人软件设计5 1行走电机控制程序5.1.1电机正反转控制清洁机器人左右轮分别有一直流电机驱动，需要实现差速驱动。在木设计中，主控单片机主要负责对电机进行控制及响应避障传感器检测到 的信号。其中，其中具体l298n控制电机运转的真值表如表5.1 （只选取一路电 机）。表5.1l298n控制电机运转的真值表enain1in2运转状态0xx停止110止转101反转111刹车100停止其中，“1”代表单片机输岀高电平；“0”代表单片机输出低

29、电平。当单片 机的两个控制10 口同时为高电平或同时为低电平时电机都不能转动。只有当一 个io 口输出高电平而另外一个输出低电平时直流电机才能转动。而且输出的高 电平与电平顺序不一样直流电机的转动方向也会不一样。5.1.2电机转速控制清洁机器人在完成清洁过程中，并不需要很高的行走速度，因此，通过pwm 方式可以将电机的转速控制在一个稳定的低速状态。pwm波的产生可以采取延迟和定时器两种方式实现。采用延迟法太占系统 资 源，所以选择用定吋器来产生pwm波。这里我们提出一-种只使用一个定i寸 器便能产生多组pwm波的新方法。其原理是设定一个周期时间为t,将这一个 周期时间等分成n份，如图5所示，每

30、一小段时间为t, t为定时器的定时时间。图5.1多组并行pwm波产生原理图按照上述原理就可以产生两组可变占空比的pwm波,分别赋给ena和enb, 就可以控制两直流驱动屯机的转速。具体流程见图5.2, t为一临时变量，zkbl、 zkb2分别为ena和enb的占空比，取值050之间。中断入口t置零ena置零 ena置1enb置零 enb置中断返回图5.2两组pwm波产生程序流程图5.2台阶检测清洁机器人在执行清洁工作时，由于对环境没有认知性，在台阶和楼梯边上 有可能会跌倒，而损坏本身电子元件。为了更好地保护清洁机器人，本设计在清 洁机器人的底盘前方设置了两个红外传感器器来检测台阶，当其中一个传

31、感器检 测到有信号输入，单片机会做出反应，使行走电机停止，然后后退一段距离，而 后原地中心旋转一个角度，继续前行，避开台阶和楼梯。5.3避障处理531未知环境探测清洁机器人被置于一个未知环境下，对环境一无所知，不存在任何先验信息, 包括环境大小、形状、障碍物位置等等，而且环境中不存在如路标等人为设定的 参照物。这就需要避障系统首先要求对清洁机器人四周环境进行探测，显然，单 一传感器是不能满足要求的。考虑到传感器价位和技术水平的实际情况，用红外 传感器和碰撞传感器组成传感器网络对周围环境进行探测是较好的选择，红外传 感器有一定的预瞻能力，机械式碰撞传感器性能可靠。5.3.2实时避障方法的实现在室内环境中，不仅障碍物形状复杂、摆放零乱，而且由于人员的走动等经 常会带来运动的障碍物，这样，为保证机器人能够在室内环境屮及时、安全、有 效的避障显得尤其重要。结论采用了 stc89c52单片机作为机器人核心控制芯片，使用了差速转向式三轮 机械结构及红外、碰撞传感器，使得机器人结构简单，功能完善，并且成本相对 较低。主要完成了以下儿个方面的工作：(1) 简要介绍了智能