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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，电源模块、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：家居清洁卫生；机器人；单片
2、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 products. Pa
3、rt 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 system f
4、unction 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 aspect of soft
5、ware 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目 录摘要I第一章 绪论1
6、1.1 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 红外台阶检
7、测传感器9第四章 脉冲调制技术94.1 PWM技术原理94.2 PWM技术产生104.3 PWM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16I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，使之记住操作的程序和
8、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)清洁机器人的工作环境主要为普通家庭环
9、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 此类机器人的基本要求。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制、调试。主要内容安排如下：第
10、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，从而达到并实现题目要求和发挥。这种方案下，所有控制电路都要
11、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，使系统硬件简洁化，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。下面列出三种控制器的选择方案：方案一：采用先进的FPGA编程控制器件。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密
12、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，应用面很广泛，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：采用超声波传感器。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
13、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2.1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
14、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
15、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0Hz 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/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）/3.8V2.0V（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
