全自动吸尘器核心控制电路毕业设计

中南大学本科生毕业论文（设计）题 目全自动吸尘器核心控制电路设计学生姓名 陈乐阳 指导老师 瞿年清 学 院 信息科学与工程学院专业班级 自动化 0711 完成时间 2011.6 I目 录摘 要 .1ABSTRACT .2第一章 绪论 .31.1 全自动吸尘器简述 .31.2 全自动吸尘器的研究现状 .31.3 全自动吸尘器研究意义 .51.4 本论文的研究内容 .6第二章 系统的总体设计 .72.1 系统各个模块的主要功能 .72.2 全自动吸尘器的总体设计 .8第三章 系统的电路设计 .123.1 显示按键模块电路设计 .123.1.1 AMPIRE128X64 液晶芯片资料 .123.1.2 DS1302 芯片介绍 .133.13 模块的仿真电路图及介绍 .143.2 电池电压检测及充电模块电路设计 .153.2.1 ADC0808 芯片介绍 .163.2.2 电池电压检测电路图介绍 .173.2.3 镍氢电池充电电路 .173.3 步进电机驱动模块 .193.3.1 L297 芯片介绍 .203.3.2 L298 芯片介绍 .223.3.3 电路图说明 .23第四章 系统的程序设计 .254.1 副控制器程序设计（程序见附录一副控制器程序） .254.1.1ADC0808 控制程序 .254.1.2 串行通讯程序 .264.2 主控制器程序设计（程序见附录一主控制器程序） .274.2.1 液晶显示控制程序 .274.2.2 键盘扫描控制程序 .284.2.3 主控制程序 .30第五章 系统的仿真调试 .32II5.1 仿真工具 Proteus 介绍 .325.1.1 软件简介 .325.1.2 功能特点 .325.1.3 资源丰富 .325.1.4 电路仿真 .335.2 系统的菜单显示仿真 .345.2.1 键盘说明 .345.2.2 菜单说明 .34第六章 结论与展望 .406.1 本文的总结 .406.2 展望 .40参考文献 .42附录一 单片机控制器程序 .43附录二 系统电路图 .591摘 要全自动吸尘器具有广阔的市场前景，吸尘器自主地在房间内吸尘而不需主人太多的干预是一件非常有挑战性的工作，它涉及了当前多项人工智能技术，从理论和技术上讲，全自动智能吸尘器比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性从市场前景角度讲，全自动吸尘器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、办公场所和家庭。因此开发全自动吸尘器既具有科研上的挑战性又具有广阔的市场前景。本文首先对全自动吸尘器的技术背景、应用现状和研究前景做了简要的介绍。重点介绍了全自动吸尘器核心控制电路，设计了吸尘器的单片机控制电路，对电路图模块化，分为显示按键设置及工作定时模块，吸尘器行走控制模块，电池电压检测及充电模块。进行了系统的仿真。介绍了系统的各个模块的功能，以及实现方法。编写了单片机控制程序。本文实现的内容有：1 实现了显示按键设置的内容，显示多级菜单。2 实现了系统的时间的实时显示。3 实现了电池电压的实时采集，并检测电压值，当电压值低于某个值时，提示充电。4 实现了步进电机的控制。本文最后在对系统的总结的基础上，对系统的未来的改进工作作了进一步探讨和展望。关键字：全自动吸尘器、AMPIRE128X64 液晶、步进电机、串行通讯2ABSTRACTAutonomous vacuum cleaner has very good future in commerce.To clean in a room without help of the hosts， it iS a challenging task for autonomous Cleaner because it involves many current AI technologiesIn v Jew of theory and technology，full autonomous eleaner was appied many key technology for mobile robotThey can reduce burden of housework and improve efficiency and are very suitable for using in hotel，hospital ，library，office and home Therefore it iS a challenge in scientific research and commerceThe technology background、current application status and research prospect of the intelligent cleaner are briellY introduced at the first place of this articleMainly introduces automatic cleaner core control circuit, designed the SCM control circuit, vacuum cleaner to diagram modular, divided into show button and working time module, vacuum cleaner walk control module, the battery voltage detection and charging module.Made the simulation of the system.Introduces the system functionality of each module, and implementation.Write a single-chip microcomputer control procedures. This paper realized the contents:1 Finish the button setting and display , display multistage menu button.2 realized system of time of real-time display.3 realized real-time collection of battery voltage, and testing voltage value, when voltage value below a certain value tip to charge.4 realized the stepping motor control.In the end the paper on the basis of systematic conclusion of system of the future, improvement of work makes further discussion and prospected.Key word: automatic cleaner, AMPIRE128X64 LCD, step motor, serial communication.全自动吸尘器核心控制电路设计 第一章 绪论3第一章 绪论1.1 全自动吸尘器简述随着现代化生活的快节奏发展，人们越来越期望能把自己从繁杂的家务劳动 中解脱出来，以便有更多的时间和精力节省出来做其他工作。全自动吸尘器便在这种背景下应运而生。全自动吸尘器能将移动机器人技术和吸尘器技术有机地融合起来，实现家庭、宾馆及写字楼等室内环境的半自动或全自动清洁，因此具有广泛的市场前景，近年来已受到国内外的普遍重视，成为服务机器人的一个新的研究方向。由于全自动吸尘器融合了移动机器人技术和吸尘器技术 1两大领域，这种技术背景和应用特点决定了其基本结构为：控制部分、驱动部分、传感部分、吸尘部分和电源部分等。1.2 全自动吸尘器的研究现状基于全自动吸尘器的研究意义和应用前景，国内外很多家电产家和研究单位近些年来对此进行了大量的研究设计工作。目前已有许多产品问世，其功能不一，可谓各有千秋。下面对其中比较突出的几个产品做简要介绍。1LG 电子“Roboking”虽然现代家庭中的大部分家务劳动己由机械完成，但清扫房间的家务活中仍然存在着许多需要花费时间和人力的部分。LG 电子从若干年前开始研制并已推出了机器人吸尘器。ROBOKING 是“Robot”和“King”的合成词，体现了 LG 电子欲成为机器人家用电器领域最强者的意志。ROBOKING 的电源可通过遥控器控制，最大限度地提高了使用的方便性，并配置了外出后可定时进行清扫的预约清扫功能、防止坠落的冲撞和坠落预防功能和无噪声进行清扫的静噪清扫功能，与以往吸尘器相比拥有高一个档次的多种先进功能。这个小小的机器人吸尘器内含有 100 多项 LG 电子的专利技术。另外，LG 电子计划推出第二代机器人吸尘器。该产品可与家庭网络连接，可利用手机、PDA 等移动设备和电脑进行远程控制，用户外出时还可以把吸尘器作为监视器监视房内的情况，发挥保安作用。ROBOKING 的主要功能：ROBOKING 的正面和侧面共安装了 14 个(上端 5 个、下端 9 个)超声波传感器，利用这些传感器，可以识别障碍物，避免冲撞。如果传感全自动吸尘器核心控制电路设计 第一章 绪论4器未能检测到突然出现的障碍物而存在发生冲撞的可能时，安装在吸尘器正面的缓冲传感器就会启动，避开障碍物。2伊莱克斯的 “Trilobite 一三叶虫 9”著名的家电厂商伊莱克斯在英国推出了他们的机器人吸尘器 Trilobite-三叶虫11。伊莱克斯公司是目前第一个把机器人吸尘器投入批量生产的厂商。这款“三叶虫”吸尘器使用超声波探测障碍物，并且可以自行设计出在房间中行走的最佳路线。它通过超声波躲避桌椅腿和宠物等障碍，超声波系统同时帮助它测量房间的尺寸，而最佳行进路线就是根据这些测量数据通过机器内部的计算机算出的。使用者必须在房间门口和楼梯尽头贴上磁条，做为无形的墙壁阻止机器人的前进。“三叶虫”是由可充电电池驱动的，每次充电后可以运行 60 分钟。“三叶虫”分三个挡位运作：正常、快速和点清理，吸尘器充满垃圾时还会发出灯光警告。“三叶虫”的高度只有 13 厘米，可以钻到桌子和床底下清理地毯。3三星 电子“VCRP30W”机器人吸尘器这款吸尘机器人主要是针对家庭设计的。VCRP30W 主要依靠 3D 地图技术来进行定位，并能灵巧的躲避障碍物。其强大的智能判断系统使得 VCRP30W 能轻易的分辨出垃圾与其他日常生活用品，当然机器人也允许用户定义它的王作时间及清扫区域等其他高级功能，从而实现主人不在家时机器人能进行自动清扫。这个三星的产品比较有特色： 在天花板上有一个定位装置，帮助这个吸尘器认识房间的结构，并了解自己在哪儿 也能自动回到充电器的位置，充电完毕后回到上次停止的地方，继续扫地 能够通过网络遥控它 能够通过网络，及其吸尘器上面的摄像头来观察房间4美国 iRobot“Roomba”吸尘机器人 2“Roomba”是虫美国麻省理工学院(MIT) 的媒体实验室研发育成，再经同在麻省理工 iRobot 公司制造，并由宏基集团参与投资。Roomba 的体积轻巧能像吸尘器一样自动清理地板，并钻到沙发及床底下清扫，碰到墙壁、障碍物或悬空的楼梯口，都能轻巧弹开不伤害家具。iRobot 也在不断推出拥有新功能的 Roomba。所以 iRobot Roomba 是一个智能且高效的吸尘机器入系列。所有的 Roomba 机器人都其备 AWARE 机器人智能系统。AWARE 用了许多传惑器来感知 Roomba 的周边环境，并显以每秒 67 次的速度来调整 Roomba 的运行状态，来保证 Roomba 智能地，高效地，且安全地进行清扫工作。全自动吸尘器核心控制电路设计 第一章 绪论5其功能特色简介如下：1)高效清洁iRobot Roomba 具有专利保护的 3 段式清洁系统。这个清洁系统包括一个用来清扫墙边的旋转边刷，两个相对旋转的用来捕获大的碎片垃圾刷子，还有一个超级高效的真空吸附装置来收拾那些灰尘和小碎垃圾。2)清扫所有地板Roomba 智能地引导自己，调节清扫次数来保证足够好的清扫覆盖率。Roomba的紧凑身材使得它可以钻入各种家具的底部空间，所以，相对于传统的吸尘器来说，Roomba 可以把家里打扫的更彻底。3)自动回家充电Roomba 在干完活儿后，或者电快用完的时候，它会通过它的红外接收探头来定位，以寻找充电基座所在的地方，回家充电，以备下次的清扫任务。4)防止掉到楼梯下面iRobot 的 AWARE 机器人智能系统赋予了 Roornba 四个防止跌落的探头。在Roomba 运行的时候，这四个探头不断发出红外信号来检测是否有会使得 Roomba跌落的边缘，当 Roomba 发现了边缘后，它就会立即转向。5)墙边清扫iRobot Roomba 能够清扫墙边和物体的边缘。AWARE 机器人智能系统有一对用来检测墙或家具边缘的探头，当 Roomba 检测到墙边或家具边缘后，Roomba 就会调整自己的运行方式，使得自己能顺着墙边行走，来更为高效地清扫墙的边 缘地板。6)虚拟墙虚拟墙发出的红外线能够限制 Roomba 的清扫范围，随机附带的虚拟墙能够使得 Roomha 在指定的地方执行清扫任务。1.3 全自动吸尘器研究意义从全自动吸尘器目前的国内外研究现状来看，虽然取得了相当不错的成绩，但仍然有很多工作需要继续钻研。从全自动吸尘器的技术背景和应用方向可以看出全自动吸尘器的研究意义和价值。全自动吸尘器是一个综合应用系统，揉和了计算机技术、自动控制、传感技术和机电技术等多学科知识，是目前家电领域最具挑战性的热门研究课题，但难度极大 1。作为一种令人满意的全自动吸尘机器人它应当具有能自动并彻底清洁家庭或办公室中它能走得到的地面的功能不需要人弯着腰操作；不需要人拖着电线移来全自动吸尘器核心控制电路设计 第一章 绪论6移去：不需要人把它拆开把累积在内部的垃圾倾倒出来：不需要人在旁边忍受它的噪音，需要的只是人们一次性设定它的工作方式：一次性工作还是每天工作一次、还是隔天工作、还是三天或隔几天工作一次，每次工作在什么时刻，其余人们便不用管它(当然人们也可把它当作普通吸尘器使用插上导管清洁如床或茶几底下等它走不进的地方)。它能自动充电、自动把内部垃圾传送到一个大容量垃圾箱中去。同时它还很安全：不会有触电危险、不会撞坏东西、不会被撞坏、不会跌落至楼梯下、也不会走得太远而消失得无影踪，更重要的：作为一种家用电器而非奢侈品，它的价格不会太贵，普通家庭完全买得起。而从目前国内外研究现状来看，现在的全自动吸尘器产品虽然有些已相当不错，但离令人“完全满意”还有些距离，还有很多工作可以做。将全自动吸尘器作为研究课题，一方面可以巩固加深所学相关知识，化所学为所用，另一方面，可以在不断完善的基础上将全自动吸尘器产业化，给千家万户带来方便 12。这需要持续的钻研探索和坚持不懈的努力。1.4 本论文的研究内容全自动吸尘器的研究内容很广泛，包括控制部分，传感器部分，行为控制部分等等。而本文的研究内容主要是设计一种全自动吸尘器的核心控制电路，具体工作包括如下： 了解家用全自动吸尘器设计的总体结构及设计要求； 要求用单片机控制，与“全自动吸尘器核心控制电路监控程序设计”合作，完成全自动吸尘器核心控制电路的设计； 整个核心控制电路的功能主要可包括吸尘器行走控制部分，电池电压检测及充电部分，工作定时、显示和按键设置等部分。全自动吸尘器核心控制电路设计 第二章 系统的总体设计7第 2 章 系统的总体设计2.1 系统各个模块的主要功能全自动吸尘器系统主要包括步进电机行走驱动部分，电池及充电电路部分，显示及按键设置部分，及主控制器。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度，称为“步距角” ，它的旋转是以固定的角度一步一步运