智能家庭清扫机器人充电站的研究优秀毕业论文.pdf

工学硕士学位论文 智能家庭清扫机器人充电站的研究 陈培雯 哈尔滨工业大学 2006 年 6 月 图书分类号：tp242.6 u.d.c.:629.5 工学硕士学位论文 智能家庭清扫机器人充电站的研究 硕 士 研 究 生： 陈培雯 导师： 黄庆成 副教授 申请学位级别： 工学硕士 学 科 、 专 业： 仪器科学与技术 所 在 单 位： 自动化测试与控制系 答 辩 日 期： 2006 年 6 月 授予学位单位： 哈尔滨工业大学 classified index：tn242.6 u.d.c.:629.5 a dissertation for the degree of m. eng. charge station research of intelligent domestic cleaning robot candidate： chen peiwen supervisor： associate prof. huang qingcheng academic degree applied for：master of engineering specialty： instrumentation science and technology date of oral examination：june, 2006 university： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘要摘要 在智能家庭清扫机器人系统中，充电站与机器人共同完成自动清扫、电 池电能即将耗尽时的对接充电等任务。充电站的软硬件设计的技术水准对清 扫机器人的自动化程度起着决定性的作用。有鉴于此，本文对智能家庭清扫 机器人充电站进行了详细地研究。 首先介绍了清扫机器人技术的发展现状并对自主充电技术的背景进行了 综述和分析，为了满足智能清扫机器人的自动充电、遥控等要求，设计了使 用单片机系统实现的红外无线通讯系统和快速充电控制器。其次阐述了红外 无线通讯的原理、实现方法以及各种红外编码的优缺点；进而详细制定了充 电站主体和专用遥控器共同使用的红外通讯协议，设计了具体的实现方法。 然后在详细分析了镍氢电池的特性的基础上开发了快速充电控制器，进而设 计了供给系统工作的电源电路。 在软件设计方面，利用 snc 系列单片机的汇编语言对单片机系统的按 键和红外通讯进行了设计，其中利用内存来存储通讯协议所对应的编码数 据，使其能够实现红外通讯功能。 此外，对充电站进行了总体试验，并与机器人一起做了对接充电和遥控 的试验。结果表明智能家庭清扫机器人系统能够实现自主清扫、对接充电的 功能。整体实验表明，充电站能够与机器人实现通讯，并能够对电池进行快 速安全地充电，满足了设计要求。 关键词 清扫机器人；红外通讯；对接充电；单片机系统 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract in the system of intelligent domestic cleaning robot, auto cleaning, docking charge while batteries are exhausted and so forth assignments are achieved by charge station and the robot working together. the level of technology of charge stations hardware and software is a crucial factor to the automatic grade of domestic cleaning robot. as a result of that, this paper in detail studies charge station of intelligent domestic cleaning robot. firstly, the paper introduces the development history of technology of cleaning robot, and discusses the background of auto charging. in order to satisfy the auto charging, and telecontrol requirements of intelligent domestic cleaning robot system, an ir wireless communication system is presented based on mcu and a controller of fast charging. secondly, we expatiate the work principle and the implemental method of ir wireless communication system and strongpoint and flaw of ir coding, then constitute the ir communication protocol which is used by both main body of charge station and appropriative remote device, design idiographic circuit of it. finally, controller of fast charging is designed at the base of analyzing characteristic of ni-mh batteries. in the design of control software, the paper designs the keyboard and ir communication in mcu system using assembly language of snc in series, and store coding data of ir protocol in memory to achieve ir communication. in the experiment and test part, we complete the full test of charge station, independence charge and telecontrol experimentation with the robot. the experiment indicates that the intelligent domestic cleaning robot system has the ability of auto cleaning, docking charge, the charge station could communicate with robot, fast and safe charge for battery. the experimental result meet the request of plan. keywords clearing robot, infrared communication, docking charge, mcu system 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - 目录目录 摘要.i abstract. ii 绪论.1 1.1 课题背景.1 1.2 国内外的研究现状及分析.1 1.2.1 国外产品研究状况.1 1.2.2 国内产品研究现状.3 1.2.3 自主充电技术发展现状.4 1.3 课题来源、研究的目的和意义及主要研究内容.5 1.3.1 课题来源.5 1.3.2 研究的目的和意义.5 1.3.3 主要研究内容.6 第 2 章 智能家庭清扫机器人充电站的总体设计.7 2.1 智能家庭清扫机器人设计目标.7 2.2 家庭清扫机器人的结构组成.7 2.3 通讯方式的选择.8 2.4 智能家庭清扫机器人充电站的设计方案.8 2.4.1 系统硬件设计.9 2.4.2 系统软件的设计.10 2.5 本章小结.10 第 3 章 智能家庭清扫机器人充电站硬件系统设计.11 3.1 充电站的单片机系统设计.11 3.1.1 单片机的选择.11 3.1.2 控制系统的组成.12 3.2 充电控制器.13 3.2.1 ni-mh 电池的主要特性.13 3.2.2 充电控制器设计.15 3.3 供电电源.17 3.4 红外发射和接收电路的设计.17 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 3.4.1 红外发射电路的设计.17 3.4.2 红外接收电路.21 3.5 专用遥控器.21 3.6 本章小结.23 第 4 章 系统软件的设计.24 4.1 引言.24 4.2 红外通讯的实现.24 4.2.1 红外通讯协议的制定.25 4.2.2 红外通讯的软件实现.27 4.3 单片机的程序设计.28 4.3.1 主程序设计.28 4.3.2 键盘控制子程序设计.29 4.3.3 红外发射子程序设计.31 4.3.4 红外译码子程序.31 4.4 本章小结.32 第 5 章 调试与实验测试.33 5.1 充电站的软硬件试验.34 5.1.1 电池充电控制试验.34 5.1.2 充电站红外发射覆盖范围实验.34 5.2 机器人与充电站的对接实验.35 5.3 本章小结.36 结论.38 参考文献.39 哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明.43 哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书.43 哈尔滨工业大学硕士学位涉密论文管理.43 致谢.44 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 绪论 1.1 课题背景 很久以来，人们一直幻想着有一种机器人来替我们做家务，使我们从繁重 的家务劳动中解脱出来，随着微型电子计算机为基础的自动化技术的飞速发 展，人们的这个愿望正在逐步实现1。 据联合国 2004 年 10 月 20 日公布的一份调查结果显示，到 2007 年末，家 用机器人数量将会增加 6 倍2。随着机器人的普及，价格也将大幅下降。由于 人工智能、声音及图形识辨科技、无线计算机网络的不断发展，新一代家庭机 器人更加自立与互动。它们可以成为保姆，照顾孩子学习玩乐，看护老人，提 醒病人吃药。预计清洁，迎宾，警卫，看护，轮椅这五大领域的机器人是将成 为家庭机器人应用的首选方向3。 家庭清洁机器人作为一种新型的服务机器人，集机械学、电子技术、传感 器技术、计算机技术、控制技术、机器人技术、人工智能等诸多学科为一体， 具有广阔的研究前景47。 1.2 国内外的研究现状及分析 地面清洁机器人作为智能移动机器人实用化发展的先行者，其研究始于 20 世纪 80 年代，到目前为止，已经产生了一些概念样机和产品。吸尘机器人的 发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像和 语音识别、传感器等相关技术的发展8。现结合国内外的文献将清扫机器人及 其自动充电技术的发展现状阐述如下916。 1.2.1 国外产品研究状况 rc3000 是世界上第一台能够自行完成所有家庭地面清洁工作的清洁机器 人，如图 1-1 所示，它有光电传感器和芯片控制，当遇到障碍时，会随机改变 一个角度，然后继续直走，直到遇到新的障碍物。内置了四种清洁程序，保证 在遇到不同污渍的地面时，可以调整其清洁程序；通过传感器对于地板污渍的 判断，选择合适的应用程序。内置光敏传感器，确保在遇到楼梯与台阶时，能 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 够自动避让，不会掉落。扁平的设计使其 能够清洁床，沙发，茶几等家具的下部位 置。其相应的充电站有红外发射、工作时 间设定、工作模式选择、充电、垃圾处理 五个功能。充电站一直发射红外定位和导 航信号来指引机器人回到充电站完成充电 和垃圾处理的任务；同时能够根据用户设 定的信息来控制机器人完成相应的操作。 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“三叶虫”，如图 1-2 所示。它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处理器算出 的。使用者必须在房间门口和楼梯尽头贴上磁条作为无形的墙壁阻止机器人的 前进。“三叶虫”是由充电电池驱动的，每次充电后可以运行 60 分钟。“三叶 虫”有正常、快速和点清理三种模式可供选择。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。 2003 年 11 月，三星公司推出一款代号为 vc-rp30w 的机器人吸尘器，如 图 1-3 所示。vc-rp30w 主要依靠 3d 地图技术来进行定位，并能灵巧地躲避 障碍物，能够快速、高效地对房间每个角落进行吸尘。当遇到障碍物或者死角 等情况，vc-rp30w 会自动转向继续工作。其强大的智能判断系统使得 vc- 图 1-1 rc3000 图 1-2 伊莱克斯的“三叶虫” 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - rp30w 能轻易地分辨出垃圾与其他日常 生活用品，机器人也允许用户定义它的 工作时间及清扫区域等，从而实现主人 不在家时机器人也能进行自动清扫。事 实上，用户除了可以对它本身进行设置 以外，还能通过计算机查看安装在机器 人前部的摄像头进行远程遥控。整个器 人的电池能维持它连续工作 50 分钟，而 一旦电池处于即将耗尽的状态时它自动 回到充电座补充能源，非常地智能化。它回充电站使用的是已经生成的 3d 地 图，而不是像 rc3000 那样使用红外的导航信号。 1.2.2 国内产品研究现状 在国内，哈尔滨工业大学于 90 年代开始致力于这方面的研究，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：采用全方位移动技术，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行方式；吸尘 机构可实现吸尘腔路的自动转换，提高了吸尘效率。 浙江大学于 1999 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具有初步智能的自主吸尘机器人。这种 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，在清洁这些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m5 . 35 . 5 2 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。 kv8 保洁机器人是今年在市场以低价位卖得比较火的一款产品，也是国内 首个产品化清扫机器人，如图 1-4 所示。它广泛用于家庭、办公和娱乐场所， 以及其它一些人员不便进入的地方。kv8 能够通过自身的碰撞传感器来实现随 图 1-3 三星的vc-rp30w 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 机的清扫和碰撞处理，需要人工对其电池进行充电，有三种工作模式可以选 择，在启动时伴有音乐声。 1.2.3 自主充电技术发展现状 在 20 世纪 40 年代末，grey walter 开发第一个自主充电的移动机器人名 为：“tortoises” 17，这种机器人具有在神经学研究中向着光线走的行为。 walter 还发明了一个可以充电的小橱，橱中有能够发射光束的装置和充电器， 并把它当作充电站。通过光线束的引导，机器人来到橱前通过接触从而进行自 主充电。这个系统有如下的特征： (1)机器人的感知行为：感光； (2)充电站能够发出机器人可以感知的光束； (3)能够对电池和充电器进行具有一定准确性地对接。 1998年，tsukuba大学成功开发出了一款可以自动充电的名为yamabico- liv的导游机器人。通过使用导航系统，该机器人能够利用地图自主导航绕越 实验室的环境到达充电站，通过充电站上一些特殊的装置的作用，实现自主充 电18。 最近，位于美国的卡内基梅隆大学的机器人研究中心也开发出了一种叫做 sage 的导游机器人，它是从卡内基梅隆历史博物馆所使用的导游机器人 nomad xr4000 改进而来19。机器人 sage 通过其所携带的 ccd 摄像头对标 识环境的三维路标等进行识别和处理，从而自主地寻找充电站实现自动充电。 路标被直接放于充电站的插座的正上方，通过它的引导，实现机器人可靠地停 靠在预设的充电位置处，从而实现充电，在插座和插孔中间没有别的东西。在 图 1-4 国内公司生产的 kv8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 174 天的操作运行中，这个机器人成功地实现 135 天无故障地运转。与此同 时，大约每九天就偶尔会要人为地进行一些精度校正。 1.3 课题来源、研究的目的和意义及主要研究内容 1.3.1 课题来源 本课题来自哈尔滨工业大学多智能体机器人研究中心与龙昌国际集团的合 作项目“智能家庭清扫机器人”。 1.3.2 研究的目的和意义 研究的目的在于研制出可以与智能家庭清扫机器人一起完成清扫功能的控 制中心（充电站） 。 从 20 世纪 40 年代开始，全球范围的科技革命进入了飞速发展的崭新阶 段。作为现代生产和生活重要组成部分的各种高科技发明和创造，以新的生活 知识和新产品的方式直接或间接地促进着人类社会的进步与发展20。机器人的 诞生和机器人学的建立，正是顺应了人类社会科技革命发展的潮流，成为 20 世纪人类科学技术的重大成就之一。正如宋健院士在国际自动控制联合会第 14 届大会报告中所指出的那样：“机器人的进步和应用是本世纪自动化控制最有 说服力的成就，是当代最高意义上的自动化”。 机器人的诞生和发展与科学技术革命的发展有着密不可分的关系，符合科 技革命关于生产实践的需要的理论。机器人作为一种高技术，也是不断发展和 完善的，这种不断的发展和完善是通过科技革命的内在推动力来实现的。同 时，机器人的发展和广泛应用，使科学技术成为显见的生产力，极大地推动着 科学技术的发展，推动着人民生活的改善，推动着生产力的提高，推动着整个 社会的进步。 清扫机器人的发展，带动了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机 器人技术、图像和语音识别、传感器等相关技术的发展。许多发达国家都将其 作为机器人研究的新领域加以重视，我国很多高校也在进行清扫机器人技术的 研究。本课题所开发的智能家庭清扫吸尘机器人充电站，解决了清扫机器人电 池容量小的瓶颈问题，并增加了其智能化的程度、减少了对使用环境大小的限 制。综上所述，本课题的研究对智能家庭清扫机器人技术的发展和应用具有重 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 要意义。 1.3.3 主要研究内容 本课题的中心任务是为智能家庭清扫机器人研制出一个充电站，使机器人 能根据充电站的信号自主地完成充电。主要研究内容分为以下几个部分： (1)根据清扫机器人的工作特点，选择充电站与机器人的通讯方式，制定相 应的通讯协议，并通过单片机系统来实现； (2)根据充电站工作环境和功率要求设计适宜的电源； (3)结合清扫机器人供电电池的特点来完成恰当的充电控制系统的设计； (4)与机器人的总体调试试验。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - a b c d 红外接收器 充电电极 插座 充电站 机器人 红外发射器 红外线发射区 第2章 智能家庭清扫机器人充电站的总体设计 2.1 智能家庭清扫机器人设计目标 智能家庭清扫机器人的总体设计目标是开发一个具有自动清扫，自动返回 充电，自动避障，防跌落，卡住报警，电流过流检测，尘仓满仓检测等功能的 智能家庭清扫机器人系统。 为使机器人高效、可靠地完成作业，在其内部嵌入路径覆盖算法，使它脱 离随机清扫的模式，并且能够记忆已走过的路径和遇到的障碍物位置，以使机 器人不遗漏、重复清扫地面和避免遇到同一个障碍物，实现了高覆盖率，低重 复率的清扫；为使机器人在快耗尽电地情况下也能自动地工作，通过自动寻找 和对接算法程序，使它可以自主寻找充电站，实现自动对接；用户可以通过红 外遥控器控制机器人的行走路径，也可以控制机器人返回充电站来停止工作； 机器人具有内部的时钟芯片，用户通过按键可以设定当前时钟，实时显示时 间，日期等。 2.2 家庭清扫机器人的结构组成 智能家庭清扫机器人的总体结构如图 2-1 所示。 图 2-1 智能清扫机器人的总体结构图 智能家庭清扫机器人系统由机器人和充电站两部分组成。机器人主要负责 清扫地面，同时具有自动清扫，遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 返回充电站充电，定时工作，过流检测等功能；充电站主要负责与机器人的无 线通讯，发射召回信号，对机器人进行充电。 2.3 通讯方式的选择 通讯是指对具有一定距离的被控目标实施控制。按照传递通讯信号媒介不 同，通讯技术可以分为无线通讯和有线通讯。有线通讯一般是利用金属导线或 者光纤作为传输媒体，而无线通讯是利用无线电、红外光波、超声波等作为载 体，不用导线，而在空间传输，所以实用价值比有线通讯更大21。 无线电通讯具有距离远并能够穿过墙壁等固体障碍物工作的特点，但也由 于它会穿透墙壁，就有可能会干扰到其它用户和设备，同时它还易受其它电磁 波的干扰，从而导致了误动作多、可靠性差。 与无线电通讯相比，超声波通讯比较简单，其传播时有一定方向性和反射 特性，因此它也被广泛使用，但其缺点是易受室内外超声波辐射干扰，并且各 种声源的干扰均可能引起误动作。 与以上两者相比较，红外通讯是目前最为广泛使用的通讯方式，它利用红 外通讯器产生的红外线作为在空间传递信息的媒介，从而实现与设备之间的远 距离通讯。 利用红外光进行通讯具有以下特点22： (1)频率高，波长短，所发射的能量集中； (2)红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装 置工作时不存在视觉污染，且对人体没有伤害； (3)传播范围不受局限，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必 就频谱资源问题向有关部门进行申请和登记，易于实施； (4)具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不 超过一定角度的时候，红外装置运行效果最好； (5)目前产生和接收红外信号的技术己经比较成熟，组件体积小，成本低； (6)制作简单、易于产生和调制等优势。 基于以上的分析，本课题中的通讯方式选择红外无线通讯。 2.4 智能家庭清扫机器人充电站的设计方案 根据充电站总体功能的要求，研究确定了对接充电站硬件及软件的总体设 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 计方案如下。 2.4.1 系统硬件设计 系统硬件结构如图 2-2 所示，主要由 5 个部分组成：单片机及其外围电 路、专用遥控器、充电控制器、电源、红外线发射模块。 图 2-2 系统硬件结构框图 (1)单片机及其外围电路 用户通过充电站上的按键来控制其工作，单片机 根据用户的指令和机器人是否在站内充电来点亮相应的指示灯（红灯为工作指 示灯，绿灯为快速充电中指示灯） 。将红外编码信号的数据存储在内存中，在 红外通讯中根据所要发射的信号类型来读取并输出信号同时再输出 39khz 的 载波信号供给红外线发射控制器使用。 (2)红外发射电路 根据单片机输出的编码信号和载波信号来驱动红外发光 二极管发射相应的信号。为了满足机器人对接充电的需要，将 f2b（对接信 号）与其它的信号通过不同的发光二极管输出，为了增加充电站与机器人的通 讯覆盖面积将 f1b（导航信号）发射管设计为 4 个并联。 (3)专用遥控器 在使用充电站与机器人的通讯功能的时候，由于机器人是 在整个室内移动的，而红外的穿透性是比较差的，这个时候一个遥控器就显得 很有必要了。它利用和充电站一致的红外通讯协议来实现对处于任意位置机器 人的前进、后退、左转、右转和召回的操作。 (4)电源模块 充电站的供电电源是 220v 交流电，电源模块的作用在于将 220v 的交流电转换为供给电池充电用的 1922v 直流电，在通过稳压芯片供 给控制系统 5v 的直流电。利用 kbl406（4a 的桥式整流电路）完成 220v 交 流到直流的转换，并利用电容滤波形成直流脉动电压，再由 w7805 输出+5v 来供给单片机应用系统。如图 2-3 所示。 snc5a8 电源模块 充电控制器 红外线发射模块 专用遥控器 按键 指示灯 内存 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 图 2-3 电源模块原理框图 (5)充电控制器 机器人使用的是 10 节 1.2v/4000mah 的 ni-mh（镍氢） 电池。充电控制器采用快速充电率对电池充电，并在电池充足电后进入涓流充 电模式，利用 bq2002f（cmos 镍氢/镍镉电池充电控制器）来实现。 2.4.2 系统软件的设计 充电站系统软件的设计包括以下 3 个方面： (1)红外线的通讯协议的制定及实现。 (2)红外线发射和接收应用程序设计，其中包括充电站和遥控器中的红外发 射子程序，机器人本体的红外译码子程序。 (3)专用遥控器及充电站上按键控制开发。 2.5 本章小结 本章首先介绍了智能家庭清扫机器人的设计目标，在此基础上给出了智能 家庭清扫机器人充电站的设计方案；然后介绍了本课题所用红外无线通讯的理 论基础和通讯原理；最后给出了充电站硬件设计结构框图及各个功能模块的定 义和系统软件的总体设计。 电源 变压器 整流 电路 滤波 电路 220v 50hz + uo - 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 第3章 智能家庭清扫机器人充电站硬件系统设计 3.1 充电站的单片机系统设计 单片机系统是充电站的重要组成部分，负责读取用户的指令并向红外发射 电路输出其所对应的编码信号。 3.1.1 单片机的选择 对于一个单片机应用系统来说，单片机的选型是一件重要而费心的事情， 如果单片机型号选择的合适，单片机应用系统就会显得经济而又可靠；如果选 择不当，将出现两种情况，一种是选择功能过强的单片机从而造成资源浪费， 性能价格比下降；另一种就是选择功能过少的单片机，使单片机应用系统无法 完成控制任务，达不到预先设计的功能。在单片机选型时，应把握以下三个原 则23： (1)芯片含有略大于设计要求的功能和 i/o 端口数量； (2)设计需求尽可能用芯片完成，少用外围器件； (3)尽量选用性价比高的品牌产品。 本课题中选用了美国 sonic 公司的 snc5a8，其组成结构如图 3-1 所示。 图 3-1 snc5a8 的内部逻辑图 io1 io2 io3 io4 io5 算术逻辑部件 定时器 io6 声音 合成器 d/a pwm sram(1284bit) 采样率计数器2 osc时钟发生器 地址指针/堆栈 rom 38410bit 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 12 - snc5a8 的主要特性如下： (1)单电源供电 2.4v5.5v； (2)38.5khz 红外载波信号； (3)两个独立的声音通道； (4)内置 pwm 直接驱动电路和固定电流 d/a 输出； (5)系统时钟：2mhz； (6)低电压复位。 3.1.2 控制系统的组成 (1)时钟电路 snc5a8 接收 rc 特性的振荡器作为系统时钟，这就简化了 电路的设计。选用合适的电阻代替一般单片机系统中的阻容网络可以得到 2mhz 的时钟信号。 (2)红外载波的加入 p33 脚通过方式设定可以输出 38.5khz 的调制信 号，也可以设定为逻辑 1,以便该引脚作为普通输出引脚，其内部结构如图 3-2 所示。 图 3-2 红外载波输出的内部结构 (3)内存的扩展 系统需要存储多达 50 种组合的红外信号的编码格式，这 时 snc5a8 的bit10384的 rom 就不能满足需要，这里外扩了一个存储容量 bit8128的数据存储器 w27c010。 单片机的系统扩展是通过单片机的片外引脚进行的，片外引脚呈现三总线 结构，即地址总线(ab)、数据总线(db)和控制总线(cb) 。根据系统的需要， 设计地址总线 7 位，数据总线 8 位，由于只有一个 w27c010 外扩芯片，控制 总线一直处于使能状态，这样就构成了 snc5a8 外围存储扩展系统，单片机系 统具体的电路图如图 3-3 所示。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 13 - 图 3-3 单片机系统原理图 3.2 充电控制器 家庭清扫机器人的电源采用圆柱型密封镍氢电池。它由正极板、负极板、 隔板、安全排气孔等部分组成。正极板的材料为 niooh，负极板的材料为储 氢合金。当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐渐上升。该压力达到 一定数值后，顶盖上的限压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压力过 大而爆炸24。 3.2.1 ni-mh 电池的主要特性 在常温(20)下，采用 1c（c 表示电池的标称容量） 、0.2c 和 0.5c 充电速 率时，电池电压随充入电量的变化规律如图 3-4 所示。镍氢电池充足电后，电 压基本上保持不变，开始充电时，电池电压出现很小负增量。通常采用 1c 充 电速率时，70min 以内，镍氢电池可以充足电，采用 0.2c 充电速率时，充电时 间约为 7h。 在常温（20）下，采用 3c、1c 和 0.2c 放电速率时，镍氢电池的电压 随放电容量的变化规律如图 3-5 所示。由图可以看出，采用 0.2c 放电速率时， 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 14 - 电压下降到 1.2v 时，镍氢电池已放出标称容量的 90%以上。采用大电流（放 电速率为 3c）放电时，电池电压降到 1.2v 时，放出的容量还不到标称容量的 20%。 应当说明，镍氢电池的自放电率很小，在常温下，镍氢电池充足电后，放 置 28 天，电池容量仍能保持在标称容量的 75%80%之间。 镍氢电池快速充电特性如图 3-6 所示。充足电后，电池电压开始下降，电 池的温度和内部压力迅速上升。为了保证电池充足电又不过充，可以采用定时 控制、电压控制和温度控制等多种方法。 电压 压力 pa 图 3-6 镍氢电池快速充电特性 v 160 50 时间/s 1000 020003000400050006000 0 2.0 1.8 1.3 1.2 1.7 1.6 1.5 1.4 1.9 40 80 120 20 35 40 45 30 25 温度 电压 温度 压力 输入电量/% 1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 25 0 50 75 100 125 150 电池电压 v 120 放电电压 v 1.4 1.3 1.2 1.1 1.0 20 0 40 60 80 100 0.9 图 3-4 镍氢电池充电特性曲线图 3-5 镍氢电池放电特性曲线 输出电量/% 1c 0.5c 0.2c 0.2c 1c 3c 1.5 1.6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 15 - 3.2.2 充电控制器设计 为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，结合本课 题自身的特点，选用 bq2002f 来构成对负电压增长率和最长充电时间同时检 测的控制器。 bq2002f 快速充电集成电路是