扫地机智能控制系统设计

新能源科学与工程扫地机的智能控制系统设计组员扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第1页。01020304CONTENTS智能扫地机控制系统简介采用单片微控器智能扫地机各系统分析扫地机系统设计扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第2页。01智能扫地机控制系统简介PartOne扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第3页。智能扫地机控制系统简介

目前，各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。室内智能扫地机器人就是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人。室内智能扫地机器人的路径规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的连续路径。根据建立的扫地机器人平台，提出清扫机器人随机运动路径规划算法。机器人利用其上安装的红外传感器和摄像头来识别和感知房间环境，机器人开始以螺旋运动方式覆盖房间的空白区域，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第4页。02采用单片微机控制器PartTwo扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第5页。单片微控器

本设计以AT89C51单片机作为检测和控制核心。是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS8位单片机。兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第6页。AT89C51主要性能参数1.与MCS-51产品指令系统完全兼容2.有4K字节可重擦写Flash闪速存储器3.有1000次的擦写周期4.全静态操作：0Hz~24MHz5.有128×8字节的内部RAM6.有32个可编程I/O口7.有2个16位定时/计数器8.有6个中断源9.低功率空闲和掉电模式扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第7页。AT89C51引脚VCC：电源电压GND：接地P0口：P0口是一组8位漏极开路型双向I/O，也即地址/数据总线复用口。P1口：P1口是一个携带内部上拉电阻的8位双向I/O口，P1的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P2口：P2口是一个带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2的输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。P3口：P3口是一组带有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P3口输出缓冲级可驱动（吸收或输出电流）4个TTL逻辑门电路。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第8页。AT89C51引脚表2.1端口引脚第二功能表端口引脚第

二

功

能P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2

（外中断0）P3,3

（外中断1）P3.4T0（定时/计数器0）P3.5T1（定时/计数器1）P3.6

（外部数据存储器写选通）P3.7

（外部数据存储器读选通）扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第9页。03智能扫地机各系统分析PartThree扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第10页。3智能扫地机各系统分析

该智能系统采用红外传感器、光电传感器、接触传感器完成自动避障。用光电编码器检测电机的转速。利用PWM技术来动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现清扫机行进、执行清扫任务、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合最大限度地利用AT89C51单片机的全部资源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2、P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的优点是：充分利用了单片机的内部资源,降低了总体设计的成本。总系统框图下图所示。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第11页。扫地机各系统传感器系统驱动系统红外遥控系统浮动开关电路看门狗电路液晶显示电路红外遥控是目前使用最广泛的一种通信和遥控手段。主要用来来控制智能扫地机的清扫方式及开机与关机。浮动开关是一个安装在轮子内侧的机械开关，轮子上有弹簧装置，当轮子浮起时，开关断开扫地机停止前进，实现了防跌落功能。采用2行16个字的DM-162液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示时间及清扫机行进速度的功能。3智能扫地机各系统分析扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第12页。3.1传感器系统内传感器系统主要用于采集系统自身状态的信息,比如速度、加速度、轨迹、位置等。这类传感器主要有测速发电机、加速度计、编码器、陀螺仪、电子罗盘等。外传感器系统外传感器负责采集系统外部环境信息,比如图像、距离、受力等。这类传感器包括CCD视觉传感器、超声波传感器、红外传感器、力传感器等。

本设计方案采用超声波传感器、红外光电传感器和接触开关、三种传感器来构建清扫机器的传感器系统。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第13页。3.1.1测速装置模块

测速信号通过在电机的转子上加装带有黑白条纹的圆盘，再利用光电开关得到电机每转一圈产生若干个脉冲信号，据此可以算出电机的实际转速。这种简易的光电开关测速法成本低，性能可靠，可以在电机转速不高，精度没有严格要求的情况下使用，这种测速装置可以构成里程计。根据里程计的返回脉冲数可以计算出电机行走的距离，并间接得到行走速度。3.1.2碰撞检测

碰撞检测采用霍尔元件EW462，芯片的内部原理框图如图3-4所示，芯片的工作方式如图3-5所示。芯片的供电电压范围为4.5V~18V，灵敏度高，阻抗低，工作的最大输出电流为15mA。当芯片的正上方有S极磁场时，霍尔元件输出高电平，当元件偏离磁场后，元件输出低电平。通过控制霍尔元件正上方的磁场极性，可以控制元件输出信号的变化趋势。当极性相反时，元件在偏离磁场时为高电平，正对磁场时为低电平。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第14页。3.1.2碰撞检测图3-4EW462芯片的内部原理框图扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第15页。

驱动器就是驱动扫地机的动力部件，最常用的就是电机。扫地机最主要的控制量就是控制扫地机的移动，扫地机驱动器中最根本的问题就是控制电机，控制电机转的圈数就可以控制扫地机移动的距离和方向、清扫机械的弯曲的程度或者移动的距离等。一般有专门的控制卡和控制芯片来进行控制。有了这些控制卡和芯片，然后把微控制器与其连接起来就可以用程序来控制电机。机器人的工作电机分为行走、吸尘和毛刷电机。清扫结构主要使用真空吸尘器和由电机带动的旋转毛刷。永磁无刷电动机具有效率高，功率大，体积小，控制精度高等明显特点在机器人领域有着广泛的应用。选用的轮子驱动电机即为无刷直流电机，其工作电压是10~15V，最大工作电流0.84A，正常工作电流0.4A，有专门的换向控制引脚，高低电平控制正反转。该电机可以由PWM信号直接驱动，3.2驱动系统电机用PWM控制技术所谓PWM控制技术，就是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第16页。3.3看门狗电路系统看门狗电路系统单几乎所有的单片机都需要复位电路，对复位电路的基本要求是：在单片机上电时能可靠复位，在下电时能防止程序乱飞导致EPROM中的数据被修改；另外，单片机系统在工作时，由于干扰等各种因素的影响，有可能出现死机现象导致单片机系统无法正常工作，为了克服这一现象，除了充分利用单片机本身的看门狗定时器(有些单片机无看门狗定时器)外，还需外加看门狗电路；除此以外，有些单片机系统还要求在掉电瞬间单片机能将重要数据保存下来，因掉电的发生往往是根随机的，因而此类单片机系统需要电源监控电路，在掉电刚发生时能告知单片机。IMP813L刚好能满足这些要求，下面具体介绍该芯片的性能特点及使用方法。

IMP813L有双列直插和贴片封装形式，其双列直插如图所示，引脚功能如下：

第1脚为手动复位输入，低电平有效；第2、3脚分别为电源和地；第4脚为电源故障输入；第5脚为电源故障输出；第6脚为看门狗输入，第7脚为复位输出，第8脚为看门狗输出。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第17页。3.3看门狗电路系统看门狗电路系统

IMP813L的典型应用电路：IMP813L的典型应用电路如图3.6所示。图中单片机以AT89C51为例，IMP813L的第1脚与第8脚相连。第7脚接单片机的复位脚(AT89C51的第9脚)；第6脚与单片机的P1.4相连。在软件设计中，P1.4不断输出脉冲信号，如果因某种原因单片机进入死循环，则P1.4无脉冲输出。于是1.6s后在IMP813L的第8引脚输出低电平，该低电平加到第1脚，使IMP813L产生复位输出，使单片机有效复位，摆脱死循环的困境。另外，当电源电压低于门限值4.65V时，IMP813L也产生复位输出，使单片机处于复位状态，不执行任何指令，直至电源电压恢复正常，可有效防止因电源电压较低时单片机产生错误的动作。电源故障输入PFI通过一个电阻分压器监测未稳压的直流电源。当PFI低于1．25V时，电源故障输出脚第5脚PF0变低，可引起AT89C51中断，进行电源故障处理，或将重要数据保存下来。把分压器接到未稳压的直流电源是为了更早地对电源故障告警。IMP813L是一体积小、功耗低、性价比高的带看门狗和电源监控功能的复位芯片；它使用简单、方便，它所提供的复位信号为高电平，因而是应用于复位信号为高电平场合的单片机系统的理想芯片。扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第18页。04扫地机系统设计PartFour扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第19页。4扫地机系统设计自动充电系统驱动系统电路总体软件流程红外系统遥控流程驱动系统流程清扫避障系统流程扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第20页。自动充电系统01

自动充电是用对接充电来实现的，对接充电过程主要用了红外信号，在智能吸尘机器人的左侧和后面都有红外接收器，发射传感器则安装在充电座上，当内部电源检测到电压低于一定值是，扫地机器人将沿墙壁寻找充电座。一般扫地机器人按右手法则寻找充电座，所以在扫地机器人贴墙的一侧（选左侧）和后部各装有一个红外接收传感器，当侧面的一侧在贴边过程中收到红外信号时，扫地机器人顺时针旋转90度，并沿着红外光路靠近充电座，同时检测充电座充电电压即可确定是否已经对接上。4.1自动充电系统扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第21页。02

驱动系统电路包括驱动器、光电隔离模块以及驱动器保护电路等部分。在具体电路中，由于单片机使用5V弱电，而电机的驱动电压为12V或者更高，考虑到单片机会受到驱动部分的干扰，因此采用了光电耦合器TLP521，把控制部分和驱动部分隔离开来。单片机输出端口的电流一般只有20mA左右，不足以或者不能稳定地驱动光电耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245来增强驱动能力，为光电耦合器TLP521提供合适的驱动电流。驱动器保护电路由8个高速大电流肖恩特二极管1N5822（图中D1~D8）组成，用来消除电机在起停、制动及换向时产生的反电势。

系统工作时，单片机P1口输出的控制信号经过驱动器芯片74HC245和光电耦合器之后输入电机驱动芯片L298N，控制电机动作。当需要调速时只需改变PWM调速脉冲（本设计中由单片机P1.3和P1.6端口产生）的占空比即可，理论上可以实现256级调速。驱动系统电路4.2驱动系统电路扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第22页。总体软件流程03包括初始化整个系统、启动各电路模块、等待接收命令、启动驱动系统、检测障碍、启动清扫避障系统、结束清扫等过程。(1)首先，启动清扫机电源，使各模块持续供电。

(2)启动各电路模块，启动液晶显示系统，以便显示清扫机行进速度及运行时间。(3)当接收到前进指令时，启动驱动系统。(4)当遇到障碍时启动清扫系统及避障系统，此过程是整个清扫系统的关键，此过程包括清扫命令接收判断及是否遇到障碍物判断。4.3总体软件流程扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第23页。红外遥控系统流程04发射电路主程序的流程图如图4.3所示主程序中设置串口工作方式1和定时器T1方式2是为了发射按键代码时产生2000b/s的波特率；定时器T0工作方式2是用来在P3.7引脚上输出38kHz的载波信号。有按键下时产生外部中断0，寄存器R5和R4中存放的数据是用来控制1min的定时时间。1min之内无按键，则遥控器进入低功耗状态。定时器T0中断程序是将P3.7引脚取反产生38kHz的载波信号，此信号为方波信号。外部中断0的中断程序用于判断按键并发射按键代码，同时还包括按键去抖动和检查设置相关标志位。4.4红外遥控系统流程扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第24页。驱动系统流程流程05首先是系统初始化工作,即设置寄存器、配置GPIO、定时器、A/D转换器和外部中断、启动A/D转换。然后检测GPIO有没有启动信号,检测到启动信号后,从另一个GPIO发出控制信号给直流电机加电。从A/D转换器里读取电流信号数据,再通过求平均值得到电机的电流值;对输出脉冲信号的数据进行FFT变换,求出基波的频率,再根据电机的具体型号乘以一个系数得到电机的转速。最后把测试电流和转速送给液晶显示系统显示清扫机行进速度,启动总线传输，把测试结果传输到单片机,以对数据进行保存和分析。软件流程如图4.4所示。4.5驱动系统流程扫地机智能控制系统设计全文共27页，当前为第25页。清扫避障系统流程06该流程是智能清扫