基于单片机的扫地机器人的设计简易扫地机的设计.doc
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1、Abstract毕业设计题 目:基于单片机的扫地机器人的设计副 标 题:学 生 姓 名:所在系、专业: 班 级:指 导 教 师:日 期:摘 要本文主要设计并制作一个简易扫地机器人。本扫地机器人具有自动清扫、自动充电、防撞、防跌落的功能。本文介绍了扫地机器人系统的总体的设计方案,它主要由MCU主控电路、防撞电路、防跌落电路、电压检测电路、稳压电路和充电位检测电路组成。它完全解放了人民的双手,能够全自动的完成清扫工作,当电量不足时,自动寻到充电座,进行充电,充满后继续工作本机采用stc89c52单片机为核心控制器件,虽然它的是一个入门级的单片机,但成本低,效率高,编写程序简单等优点,在市场上还是有
2、很好的应用前景。关键字:扫地机器人;壁障;stc89c52单片机IAbstractIn this paper, the design and implementation of a simple cleaning robot. The sweeping robot with automatic cleaning, automatic charging, anti-collision, anti drop function. This paper introduces the design scheme of the overall cleaning robot system, which ma
3、inly consists of MCU main control circuit, protection circuit, fall protection circuit, voltage detection circuit, voltage stabilizing circuit and a charging position detection circuit. It is completely liberated peoples hands, and can automatically complete the cleaning work, when electricity short
4、age, automatically find charging, charging, full continue to work the machine adopts STC89C52 microcontroller as the core control device, although it is an entry-level microcontroller, but low cost, high efficiency advantages, writing the program is simple, and has good application prospect in the m
5、arket.Keywords:Sweeping robot,barrier, STC89C52III目 录目 录摘 要IAbstractII目 录III1、概述1 1.1 国内产品研究背景1 1.2 研究的目的和意义1 1.3 课题的要内容1 1.3.1 扫地机器人功能1 1.3.2 性能指标2 1.3.3 论文的主要内容22、电路设计、理论分析与计算3 2.1 电源电路设计3 2.1.1 电路原理3 2.2 总控制电路4 2.2.1 STC89C52单片机简介4 2.2.2 总控制电路的设计6 2.3 防跌落电路8 2.4 防撞落电路10 2.5 电源电压检测电路10 2.6 电池充电电路1
6、1 2.6.1 电池充电电路设计11 2.7 电机驱动电路12 2.7.1电机的选择12 2.7.2电机驱动电路设计133、PCB板的设计与制作16 3.1 PCB板的设计16 3.2 PCB板的制作174、电路焊接与调试20 4.1 电路焊接20 4.2 防撞电路的调试20 4.3 防跌电路的调试205、系统程序的设计21 5.1 C语言与汇编语言的优缺点21 5.2 系统程序设计21 5.2.1 程序的初始化21 5.2.2 主程序的设计21 5.2.3 防撞程序的设计22 5.2.3 防跌落程序的设计23 5.2.4 充电寻迹程序的设计246、外壳制作26 6.1 有机玻璃的特性26 6
7、1 底板制作26 6.2 边框制作27 6.3 储灰盒制作287、整机调试与功能介绍297.1 存在的问题与解决方案29 7.2 系统缺陷30 7.2.1 传感器缺陷30 7.2.2 电池缺陷30 7.2.3 吸尘器功率缺陷30 7.3 功能说明308、总结31致 谢32参考文献33附 录34III1、概述1.1 国内产品研究背景在国内的一些大学、如哈尔滨工业大学、华南理工大学、上海交通大学等单位也对清洁机器人进行了大量的研究并取得了一成果,对清扫机器人相关技术如机器感知、机器人导航和定位与路径规划、机器人控制、电源与电源管理、动力 驱动等技术的研究则更多,这些都为清洁机器人的研究开发和推广
8、奠定了物质基础和技术基础。哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的亚久,与香港中文大学合作,联合研制开发出一种全方位移动清扫机器人。该机器人具有如下特点:采用全放位移动技术,使机器人可执行对狭窄区域等死区的清扫任务;采用开放式机器人铰制结构,实现硬件可扩展,软件可移植、可继承,使机器人作为服务载体具有更好的功能适应性;在拥挤环境下的实时避障功能能更好地适应不断变化的清扫工作环境;遥控操作和自主运动两种运动方式;吸尘机构可实现吸尘腔路的自动转换,提高了吸尘效率。浙江大学l999年初在浙江大学机械电子研究所开始进行智能吸尘机器人的研究,两年后设计成功国内第一个左右初步朱能的自主吸尘机器人,这
9、种智能吸尘机器人工作时,首先进行环境学习;利用超声波传感器测距,与墙保持一定距离行走, 在清洁这角落的同时获得房间的尺寸信息,从而决定清扫时间;之后,利用随机和局部遍历规划相结合的策略产生高效的清扫路径;清扫结束以后,自行回到充电座补充电力。吸尘机器人在 5.53.5m2 的实际家庭环境中,工作 10 分钟可以达到 90以上的覆盖率。更大房间的清扫试验还没有进行。目前,系统正在引入机器视觉和全局定位功能,力图在多房间环境下,提高自定位能力、 智能决策能力以及回归充电效率,最终提高清扫效率。1.2 研究的目的和意义 吸尘机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融台起来,实现室内环境(地面)的半自
10、动或全自动清洁,替代传统繁重的人工清洁工作近年来已受到国内外的研究人员重视。作为智能移动机器人的一个特殊应用,从技术方面讲,智能化自王式吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术,具有较强的代 表性。性市场前景角度讲,自主吸尘器将大大降低劳动强度、提高劳动效率,适用于家庭和公共场馆的室内清洁。因此,开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑 战性,又具有广阔的市场前景。融合现代传感器以及机器人领域的关键技术,本课题旨在开发一部价格便 宜,全区域盖,能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家鹿清扫机器人。使它可以替代传统的家庭人工清扫方式,使家庭生活电气化、智能化、使科技更好地 为人类服务。1.3 课题
11、的要内容1.3.1 扫地机器人功能(1)自动清扫(2)壁障(3)防撞(4)自动充电(5)虚拟墙1.3.2 性能指标(1)输入电压:13V15V(2)输入电流:1A(3)运行速度:10m/min(4)最大工作时间30min1.3.3 论文的主要内容第一部分主要介绍课题的背景,研究的目的与意义。第二部分详细说明了扫地机器人各部分电路的设计。第三部分详细描述了PCB板的设计流程。第四部分详细描述了焊接工艺和部分电路的调试。第五部分详细说明了系统软件设计,并给出详细的流程图。第六部分详细介绍了扫地机的外壳制作过程。第七部分对扫地机的整机装配及调试进行了详细的说明。第八部分设计总结。2、电路设计、理论分
12、析与计算2.1 电源电路设计电源的好坏决定了整个电路的稳定性,输出波纹越平滑,性能越好。本电源采用两块LM7805作为稳压电源,一块为控制电路和传感器电路供电,另一块单独为电机供电。分开供电这样做的好处,有利于减小干扰,提高系统稳定性。LM7805是国家半导体开发出来比较成熟,较早的一种线性稳压半导体器件,通常采用TO-220封装,具有短路保护、过流保护、高温保护等保护措施,同时只要用到很少的元件就能输出稳定的5V电压,最大输出电流能达到1.5A。外形如图2-1所示。1管脚为输入端,2管脚为地,3管脚为输出. 图2-1封装图2.1.1 电路原理 由于后级电路需要1A左右的大电流用于驱动各类电机
13、查找后发现E13003完全满足这要求,集电极最大允许电流ICM可以到达1.5A。由于13003开关管需要较大的驱动电流,因此增加了一个Q1三极管与其构成达林顿驱动管,Q3为控制管,当DY引脚为低电平同时总开关K1闭合时电源部分才能正常供电。DY为高电平时电机供电部分停止工作。U4单独为两个减速电机和边刷提供5V电源,由于需要输出较大的电流,输入压降又比较大,因此在输入端加了一个分压电阻,降低U4上的电压,从而降低管耗。U5为MCU和传感器电路提供稳定的5V工作电压。在正常开机后连续保持输出。电源电路如图2-2所示。 图2-2电源电路2.2 总控制电路2.2.1 STC89C52单片机简介ST
14、C89C52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。 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
15、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。空闲模式下,CPU 停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。1)特性 8K字节程序存储空间。 512字节数据存储空间。 内带2K字节EEPROM存储空间。 可直接使用串口下载。2)参数 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,工作电压:5.5V3.3V。 工作频率范围:040MHz,相当于普通8051 的080MHz,实际工
16、作 频率可达48MHz。用户应用程序空间为8K字节。 片上集成512 字节RAM。 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。 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/P3.1)直接下载用户程序,数秒即可完成一片。 具有EEPROM 功能。 共3 个16 位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2。 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
17、低电平触发中断方式唤醒。 通用异步串行口(UART),还可用定时器软件实现多个UART。 工作温度范围:-40+85(工业级)/075(商业级)。 PDIP封装。 3) 引脚介绍STC89C52有PDIP、PLCC、TQFP三种封装方式,其中最常见的就是采用40Pin封装的双列直封装,外形结构下图。芯片共有40个引脚,引脚的排列顺序为从靠芯片的缺口(如图2-3)左边那列引脚逆时针数起,依次为1、2、3、4。40,其中芯片的1脚顶上有个凹点。在单片机的40个引脚中,电源引脚2根,外接晶体振荡器引脚2根,控制引脚4根以及4组8位可编程I/O引脚32根。VCC(Pin40):电源输入,接5V电源GN
18、D(Pin20):接地线XTAL1(Pin19):片内振荡电路的输入端XTAL2(Pin20):片内振荡电路的输出端RST/VPP(Pin9):复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位。ALE/PROG(Pin30):地址锁存允许信号PSEN(Pin29):外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。 STC89C5单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。每一根引脚都可以编程,比如用来控制电机、交通灯、霓虹灯等,开发产品时
19、就是利用这些可编程引脚来实现我们想要的功能,尽情发挥你的想象力吧,实现你想要的:) 强大无比。 PO口(Pin39Pin32):8位双向I/O口线,名称为P0.0P0.7 P1口(Pin1Pin8):8位准双向I/O口线,名称为P1.0P1.7 P2口(Pin21Pin28):8位准双向I/O口线,名称为P2.0P2.7 P3口(Pin10Pin17):8位准双向I/O口线,名称为P3.0P3.7上面就是STC89C5单片机引脚的简单介绍,其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容,只是个别引脚功能定义不同。如图5-3为51单片机的引脚分布图。图2-3 51单
20、片机引脚图2.2.2 总控制电路的设计1)I/O口定义 P00、P01、P02、P12、P13、P14为扫地机器人防撞信号输入引脚; P03、P04、P05为防跌落信号引脚; P10为电机电源控制型号(低电平有效); P11、P12为电池电压检测信号输入引脚,P11为过放检测,P12为过充检测; P23、P24、P24、P26为充电时位置检测信号输入引脚; P34、P35、P35、P35为电机驱动信号,P34、P35控制左电机正反转,P35、P35 控制左电机正反转; P20为两边刷电机控制信号; P21为吸尘器电机控制信号; P36、P37为晶振信号输入引脚 REST引脚为复位信号输入引脚
21、2)复位电路设计51单片机高电平复位。以当前使用较多的STC89系列单片机来说,在复位脚加高电平2个机器周期(即24个振荡周期)可使单片机复位。复位后,主要特征是各IO口呈现高电平,程序计数器从零开始执行程序。3)复位方式有两种: 手动复位:按钮按下,复位引脚得到VCC的高电平,单片机复位,按钮松开后,单片机开始工作。 上电复位:上电后,电容电压不能突变,VCC通过复位电容给单片机复位脚施加 高电平5V,同时,通过电阻向电容器反向充电,使复位脚电压逐渐降低。经一定时间后复位脚变为0V,单片机开始工作。本复位电路采用上电自动复位电路,电阻和电容的阻值根据时间常熟=RC求出电阻和电容的阻值分别为1
22、0K与10uF。复位电路如图2-4。晶振电路设计理论上来说,振荡频率越高表示单片机运行速度越快,但同时对存储器的速度和印刷电路板的要求也就越高。如同木桶原理。同时单片机性能的好坏,不仅与CPU运算速度有关,而且与存储器的速度、外设速度等都有很大关系。根据数据手册上STC89系列单片机最高频率可达到40MHZ,但频率越高就越不稳定,最终根据数据手册所推荐使用12MHZ,这以常见的晶振。并联谐振电路对电容的值没有严格要求,但两个电容必须,不然会影响振荡器的稳定、振荡器频率高低、起振快速性等,所以一般C1、C2选值30pF。晶振电路如图2-4。 4)I/O电路设计P0口是双向指的是它被用作地址/数据
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