清洁机器人设计.docx

基于合泰 HT85F2280 单片机设计的智能清洁机器人方案书设计者：王琦&刘家伦摘要近年来， 随着计算机技术与人工智能科学的飞速进展，智能机器人技术渐渐成为现代机 器人争辩领域的热点。其中，效劳机器人开拓了机器人应用的领域。效劳机器人的消灭主 要有三大缘由：一是劳动力本钱的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家 务、照看病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些效劳机器人供给了广泛的 市场应用前景。 效劳机器人区分于工业机器人的一个主要特征就是效劳机器人是一种适用于具体的方式、 环境及任务过程的机器人系统， 其活动空间大， 具有在非构造环境下的移动性， 因此效劳机器人大多数是移动机器人。随着社会的进展需要，效劳机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到 了很大的作用。效劳机器人的争辩和进展对我们的经济进展有很多的影响。这篇文章主要表达清洁机器人的总体设计，比方主把握器、硬件驱动、电机驱动、以及一些人机交互方面等等。关键词：清洁机器人第 2 页 共 23 页名目摘要P2名目P3第一章前言P4其次章总体设计P5第三章总体原理图P6第四章主程序流程图P7第五章把握器局部P8第六章机械驱动局部P9第七章步进电机驱动局部P10第八章传感器局部P12第九章把握信号输入局部P15第十章显示局部P18第十一章温度检测局部P19第十二章电源局部P22元件清单P23第 3 页 共 23 页第一章 前言随着人口的老龄化和社会福利制度的完善，导致劳动力本钱的急剧上升，一些简洁的重复性的体力劳动为效劳机器人供给了宽阔的市场。清洁机器人是效劳机器人的一种，可以代替人进展清扫房间、车间、墙壁等。提出一种应用于室内的移动清洁机器人的设计方案。其具有有用价值。室内清洁机器人的主要任务是能够代替人进展清扫工作， 因此需要有肯定的智能。清洁机器人应当具备以下力量：能够自我导航，检测出墙壁，房间内的障碍物并且能够避开；能够走遍房间的大局部空间，可以检测出电池的电量，同时要求外形比较紧凑，运行稳定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和把握。结合清洁机器人主要功能探讨其把握系统的硬件设计。该智能吸尘器的核心设计利用了超声波测距的原理，通过向前进方向放射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进展推断； 通过以单片机为核心的把握器实现对超声放射和接收的选通把握，并在处理返脉冲信号的根底上加以推断，选定相应的把握策略；通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障功能。与此同时， 由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进展必要的吸尘清扫。第 4 页 共 23 页其次章 总体设计扫地机器人的总体设计思路：把握器局部：承受合泰公司的单片机作为主把握器。驱动局部：承受两个步进电机和一个平面轴承作为机械驱动局部。步进电机驱动局部：承受两个L298N 作为步进电机驱动。传感器局部：使用超声波模块作为主壁障模块，使用红外用于防止跌落，并使用集成红外接收头接收红外接收信号，把握信号输入局部：外部的把握主要分为两种，一种是红外把握信号， 一种是通过触摸按键输入的把握信号。显示局部：使用 12864 进展内容显示。温度监测局部；使用 DS18B20 与温敏电阻相结合对的方式监测系统温度。电源局部：为了供给较大的供电电流和增加续航时间，本方案承受6 节 18650 作为主电源。第 5 页 共 23 页第三章 总体原理图按键红外遥控超声测距温度监控红外防跌落数数据据输MCU输入出总总线线LCD电机驱动电源输出电源输出电源总线电源输出电源第 6 页 共 23 页第四章 主程序流程图开头初始化工作单元查询各传感器状态，执行相应效劳程序LCD 显示状态和时间依据标志位把握各电机转动检测遥控信号并处理检测按键信号并处理第 7 页 共 23 页第五章 把握器局部一款产品的性能优良与否与它使用的MCU 息息相关，本清洁机器人在运行时要处理温度、距离、红外。以及显示等数据，所以选择一款性能强大的MCU 至关重要,基于以上几点，打算承受合泰半导体公司的 8bit MCU HT85F2280。优点：1. 使用 1T Pipeline 架构 8051 CPU，处理速度更快。2. 宽工作电压范围 2.2V5.5V，使系统更加稳定。3. 内建高速 12-bit ADC，高精度的 ADC 可以便利的用来检测温度、电池电压等。4. Program Memory 为 16Kx8 64Kx8，大程序空间。5. 内建多种通讯接口 UART0、UART1、I2C、SPI 及 4 组 Timer，其中Timer2 同时具备4 通道PCA，供给Compare 与Capture 功能，12-bit快速ADC 具有内建PGA 及温度感测，12-bit DAC。6. 程序存储器使用的是Flash 存储器，这在产品开发阶段的反复调试产品供给了前提。7. 多种封装格式：该芯片有 LQFP48 和LQFP64 两种封装，两种封装都有较多的IO 口资源。第 8 页 共 23 页第六章 机械驱动局部驱动局部是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮后轮，从而推动吸尘器运动。前轮不再承受传统的双轮构造，而承受了应用格外广泛的平面轴承，这既减小了构造简单度，又提高了转弯的机敏性如图1 。通过转变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在两电机分别施加一样或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以便利的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径即绕轴中点原地施转。同时转弯的速度可通过转变单片机的程序来调整。图 1:驱动构造第 9 页 共 23 页第七章 步进电机驱动局部电机的驱动芯片承受L298N，该芯片是ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片承受 15 脚封装。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；额定功率25W。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；承受标准规律电平信号把握；具有两个使能把握端，在不受输入信号影响的状况下允许或制止器件工作有一个规律电源输 入端，使内部规律电路局部在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反响给把握电路。使用 L298N 芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。图 2：L298N 管脚图第 10 页 共 23 页图 3：步进电机驱动模块原理图图 4：步进电机驱动初步设计PCB第 11 页 共 23 页第八章 传感器局部1清洁机器人壁障主要使用超声波模块：超声波是一种肯定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以依据测量放射波与反射波之间的时间间隔，从而到达测量距离的作用。因力量有限，超声波测距局部直接使用集成的超声波模块，如以下图：图 5：HC-SR04 超声波模块这一款超声波传感器有以下优点：适应各种环境，不受灰尘和光线的影响；盲区为 25cm。可以把传感器安装在适宜的位置就可以避开盲区；探测发散角度为 15°，反响距离 25m 以内，该课题的检测距离为 05m。超声波传感器的根本原理是测量从声波放射和回到接第 12 页 共 23 页收器所用的时间。这一款传感器的的放射端口和接收端口是两个管脚，首先由把握器放射一个 5s 宽度的高电平脉冲来激发传感器放射 40kHz 的超声波，脉冲发出 750s 后，管脚电平置高；当传感器接收到回波时，管脚的电平被拉低。由信号端高电平的宽度就可以知道由放射到返回需要的时间，宽度为 115s185ms 之间。公式svt2，其中 s 表示传感器与目标的距离；t 表示放射到回收的时间；v 是声波速度，v=340ms。由此可以知道传感器与障碍物之间的距离。一次探测时间最多是 20ms，4 个传感器查询完毕，用时 80ms， 因此两个相邻传感器承受分时段进展使能，就会避开相互干扰，而不会影响机器人速度。主把握器通过不断触发超声波模块来猎取障碍物的距离值，当超声波的返回值小于设定值时，说明障碍物已经很近了，这是应当转变清洁机器人的行进方向，上面是超声波壁障的总体思想。超声波时序图第 13 页 共 23 页2红外防跌落： 红外防跌落主要用到红外传感器：红外避障传感器以下简称红外。红外具有一对红外信号放射与接收二极管，放射管放射肯定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物反射面时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，主把握器就能够通过返回的信号识别四周环境的变化。图 6：红外传感器红外在清洁机器人上的应用是防止跌落，在清洁机器人的地盘上均匀分布四个红外传感器，调整好参数，是正常状况下是个红外传感器返回的都是高电平，当其中的一个或者两个检测到低电平了说明是这一个或者两个红外悬空，这时清洁机器人的状态可能是处在楼梯口或者悬空处，这是应转变清洁机器人的行动方向，以上是红外红外防跌落的总体设计思想。第 14 页 共 23 页第九章 把握信号输入局部外部把握信号主要分为两种：1红外遥控局部：一帧完整的放射码由引导码、用户编码和键数据码三局部组成。引导码是由一个 4.5ms 的高电平和 4.5ms 的低电平组成，八位用户编码被连续的发两次；八位连续的键数据码也被连续的发两次，第一次是发送的是键数据码的原码，其次次是发送的是键数据码的反码。红外码时序图一帧红外数据例如第 15 页 共 23 页上面是理论局部，在实际设计的时候由于通用红外遥控系统由放射和接收 2 大局部组成，接收局部直接使用集成的红外接收头如以下图，由于编码标准不变，解码时执行同一个标准，所以放射局部使用市场上通用的遥控器进展遥控，这时把握器接依据接收到指定的红外码就能够执行相应的动作。图 7：红外接收头图 8：通用遥控器第 16 页 共 23 页2)触摸按键的设计：触摸按键设计时用到合泰半导体公司的产品 BS808B，BS808B 是可侦测8 个触摸按键的集成元件，它通过感应人体是否触摸到Touch Pad 来侦测是否有按键。它高效的隐蔽电路设计，使其在应用时，只需使用很少的元件即可完成触摸按键的侦测，BS808B 还供给一个串行接口与外部主机通信。图 9：触摸按键示意图设计内容：触摸按键要实现切换清扫模式，设置清扫时间，把握系统运行与停顿， 红外遥控把握系统，除了实现按键功能外，实现转弯掉头等。第 17 页 共 23 页第十章 显示局部显示局部使用 12864 作为显示器如以下图模块概述：液晶显示模块是 128×64 点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置 8192 个中文汉字16X16 点阵、128 个字符8X16 点阵及 64X256 点阵显示RAMGDRAM。可与 CPU 直接接口，供给两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。连接方式：该 12864 可以使用并口或者串口显示，但是由于主把握器的IO 口资源有限，故承受串口的方式显示，串口方式连线方式简洁，只用两根数据线就可以完成 12864 的硬件连接操作。显示内容：12864 的显示内容包括：清扫模式、清扫时间、剩余电量等。第 18 页 共 23 页第十一章 温度检测局部高温会对清洁机器人产生致命的损害，所以进展的关键器件的温度检测是很有必要的，比方：步进电机、电池、MCU 等等。温度的采集有两种方案：1. 使用高精度的温度传感器DS18B20简述：DS18B20 数字温度传感器接线便利，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多 种多样，有 LTM8877，LTM8874 等等。主要依据应用场合的不同而转变其外观。封装后的 DS18B20 可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，干净室测温，弹 药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用便利， 封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温存把握领域。方案优点：具有体积小，抗干扰力量强，精度高的特点，单总线通信， 削减IO 的使用，还可以进展多点检测，使用一个 IO 口就可以进展多点温度的读取。方案缺点：该芯片较为昂贵，会增加产品的开发本钱。第 19 页 共 23 页DS18B202. 使用热敏电阻：简述：热敏电阻是开发早、种类多、进展较成熟的敏感元器件热敏电阻由半导体陶瓷材料组成， 热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值转变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积格外小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。优点：开发本钱低，工作温度范围宽，体积小。第 20 页 共 23 页缺点：精度相对较低，与DS18B20 相比较更耗硬件资源IO 和内部ADC。温敏电阻综述：综合考虑两种测温方案，打算在对高温敏感的局部使用高级精度的温度传感器DS18B20，比方锂电池局部，在对非高温敏感的部位进展低本钱的温度检测，如步进电机局部。第 21 页 共 23 页第十二章 电源局部移动电源在吸尘机器人中的地位格外重要，可以说是它的生命源。移动电源需要同时满足吸尘机器人的多种能源需要，如为移动机构供给动力，为把握电路供给稳定的电压和为吸尘操作模块供给能源等。在这一领域，一般承受化学电池作为移动电源。抱负的电源应当能够在放电过程中保持恒定的电压，内阻小以便 快速放电，可充电以及本钱低等，但实际上没有一种电池可同时具备上述优点， 这就要求设计人员选择一种适宜的电池， 尽可能增加吸尘机器人的不连续工作时间。为了供给较大的放电电流和增加续航时间在这里我们承受两节18650 电池为一组，23 组组成一个电源模块，电源电压为7.4V，能够满足步进电机的驱动要求，且有较长的续航时间。步进电机右电机驱动步进电机左硬件连接初期：电机把握信号MCU7805 稳压电源第 22 页 共 23 页元件名称数量封装备注合泰HT85F22802LQFP48L298N2ZIP-15DS18B203TO-92步进电机218650 锂电池418650合泰BS808B216NSOPHC-SR04 超声波模块112864 液晶屏1外形 78*70*14mm万向轮2轮直径约 2CM第 23 页 共 23 页