【某清洁机器人的硬件和软件设计案例9900字】

某清洁机器人的硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u187391.1STC89C52单片机介绍 1313671.1.1STC89C52的管脚介绍 2301621.2单元电路设计 374961.2.1主控制模块 3177431.1.2红外避障模块 5293611.1.3四轮驱动电机模块 6143601.1.4电源模块 813911.1.5清洁模块 10292372清洁机器人软件设计 12259072.1软件开发环境 12310312.2程序设计流程 15274953清洁机器人软硬件联调 20272783.1硬件焊接 2027223.1.1车体组装 20137593.1.2电路系统焊接 2098743.1.3清洁模块安装 212653.1.4避障模块安装 2283183.1.5设计实物图 22216323.2电路焊接调试 23257393.2.1焊接问题 23180833.3清洁小车功能测试 23262123.1.1单功能测试 23324993.1.2整体性能测试 24122873.4实验结果分析 251清洁机器人硬件实现1.1STC89C52单片机介绍STC89C52是一款8位微控制器。它的内核是非常经典MCS-51，有很多微处理器都使用了这一款内核。并在其基础上做了很多改进，在功能上做了一些加强。STC89C52实物图如图1.1所示。从硬件功能上来看，它使用的是一个8位的CPU。随着成本的降低，其在越来越多的智能化场景中被应用了起来。STC89C52的总引脚数量是40个，其中32个可以控制的数据引脚，共分为4组，每组具有8个引脚。为了防止单片机偶然发生的程序跑飞的事件发生，其配备了看门狗定时器的功能，通过这个功能来确保单片机程序运行的稳定，可靠。除了看门狗定时器以外，其内部还具有三个定时器，这三个定时器都具有复用的功能。内部存储单元非常丰富，总体可分为两个部分：不可以擦除的存储部分，其程序存储器的大小是4个KB，数据存储器的大小是128个比特。另外一部分是可以擦除的部分，系统将程序都存储在可以擦除的存储器内部，这样比较方便调试和下载。这部分空间的大小是4KB。由于其高性能的特点，对很多的应用场景其都可以从容应对，对于一些低功耗的应用场景，其可以直接切断电源，使所有资源均停止工作或者让CPU停止工作的方式来降低功耗。图1.1STC89C52实物图1.1.1STC89C52的管脚介绍89C52系列单片机的引脚总数是40，其中可以进行编程的引脚一共有32个，其中分为4组，分每组具有8个引脚，单片机可以对其中的任意一个引脚按照需求进行程序的编写，来控制引脚的输出状态。单片机对引脚的控制方法非常的自由也非常的灵活，只要是系统硬件设计中使用到的引脚，都可以同时进行状态的配置。STC89C52的封装类型，按照焊接方式的不同分为两种，贴片型和直插型。贴片型，顾名思义是牢固的贴在电路板上的，这种封装适用于自己绘制的PCB板上使用，其优势是占用电路板的空间较小，但对于新手来说，焊接贴片型的封装难度是非常大的；另一种封装是直插型，其引脚是一根根引出来的细长的针脚，可以直接插在面包板上进行焊接。为了防止电烙铁过于高的温度损坏到单片机内部，一般在使用直插型封装的时候都会搭配专用的底座，将单片机直接通过插在底座上，通过引脚和金属片进行联通，通过这种方式来使用。STC89C52的引脚图如图1.2所示。图1.2STC89C52引脚图P0口首先毫无疑问其是一个8位的I/O口，这组接口的特点是，这组的8个接口都可以实现双向通信的功能。同时其接口的电平状态是高阻状态，因此这组接口是不具备直接输出高电平的能力的。如果设计中需要使用这组接口进行高电平的输出时，可以使用上拉的方式来完成。但在引脚和电源之间要使用电阻进行串联，防止过大的电流进入到引脚当中，对这组引脚进行损坏，使用的电阻的大小一般是几K的数量级。P1口同样是8位的I/O口，但是不同于P0口的是，其在单片机内部自带了一个电阻，接到单片机的供电引脚上，因此这组单口是可以通过程序控制直接对外输出高电平的。而不需要通过在外部连接电阻的方式，将引脚的电平拉高来实现。P2口与P1口的功能特点基本上是完全一致的，最大的差异点在于P2口只有准双向的输入输出功能。P3口则作为单片机最复杂的功能接口，单片机通过P3口的资源来实现丰富的外设及控制功能。其所有的I/O口都具有特殊的功能。一些中断功能，以及优先级的控制，计时器功能都需要使用这组接口。1.2单元电路设计1.2.1主控制模块采用STC89C52作为处理器，在主控模块上有一个电源开关，负责智能清洁小车的启动与停止。一个复位按键。两个调速按键，负责调节小车速度的加减变化。一个模式调节按键，负责对小车工作模式进行切换。一个风扇清扫控制按键，负责清扫电机的控制。主控制最小系统电路如图1.3所示。图1.3片机最小系统电路图(1)晶振电路晶振电路是单片机外围电路里的另一个重要的部分，其作用是给单片机内部工作所需要的时钟，其稳定与否关系到整个系统时钟的稳定程度。很多微控制器也具有内部时钟，本设计中使用的89C52单片机使用的是外接的晶振。本系统所使用晶振频率为12MHZ，晶振的外围电路图如下图5所示，由晶振Y1及电容C2和C3组成，可以通过修改电容C2和C3的值来对频率进行微调。本设计中使用的晶振Y1属于无源晶振，其不需要外接电源进行供电，因此其使用的范围比较广，对于各种不同电压供电的控制器，都可以使用。同时其价格较低，但是其信号质量不如有源晶振，因此有些时候需要外接的电容C2和C3来进行微调，以满足控制器的需要。图1.4为晶振电路。图1.4晶振电路(2)复位电路在一个正常稳定进行工作的装置中，复位电路扮演着极其重要的角色。复位系统的作用就是在电子系统程序跑偏或者程序卡死的情况下，实现程序的重新启动。当系统出现卡死或跑偏问题时，往往单片机需要重启才能正常的进行复位。复位系统通常分为两种。一种就是通过按键进行复位的，也就是人为输入端一个高电平。当按下按键后，RST算受到VCC所发出的电平。另外一种是上电复位方式，也就是在每次上电后芯片都会发出一个复位的信号施加在RESET脚上，使得单片机回到初始状态并从此状态下开始运行。其都可以实现系统的自动重启。复位之后系统就会自动重启，实现程序的初始化。其接口图1.5所示。 图1.5复位电路1.1.2红外避障模块此模块是扫地机器人最为关键的传感器模块，可以说这个模块是整个系统的眼睛，通过其对外部环境及障碍物的检测，来实现扫地机的智能躲避障碍物的功能。避障模块采用了PMM18-C301NA传感器。它是一种漫反射式传感器，被大面积使用在机器人避障，流水线计数等自动化相关产品方面。其内置抗干扰芯片，抗干扰能力强，测量物体更精准，产品上有可调节灵敏旋钮，向左调灵敏度减弱，向右旋转灵敏度增强。红外传感器通过先向探测目标连续的发射红外光束，然后利用接收器将经物体反射回的光束转换为电信号传送到传感器中的集成电路，通过集成电路的处理，最后由放大器执行放大操作后输出。避障电路如图1.6所示。图1.6避障模块电路1.1.3四轮驱动电机模块清洁机器人的正常工作离不开移动技术，而小车的移动则是通过电机驱动模块带动四个轮子完成，驱动模块功能的好坏直接影响小车的工作性能。电机负责带动轮子的运转，使小车移动。我们使用的电机一般为直流电机和步进电机两种。因为直流电机的性能优秀、控制简单而且直流电源提供简单的优点，本次设计采用的电机就为直流减速电机。对电机的驱动及控制需要电机驱动芯片，常用的电机驱动芯片BTN7960、A4950HR4988和L298N等。本次设计使用的是L298N芯片，L298N是一款应用非常广泛的电机驱动器，直流电机和步进电机都可以驱动。其内部使用的驱动类型是全桥驱动的方式。其具有4个输出的通道，每个输出通道的电流是两个安培。其能接受的最大的电流是3A。其在2.5V至46V的范围下，都可以进行正常的进行工作。同时，其不仅供电电压的范围宽泛，同时其工作的温度范围也是非常的宽泛，从低至零下二十度一直到零上一百三十度的范围，其都可以正常工作。其芯片的封装方式为直插方式，通过将其引脚插入到电路板的通孔封装中进行焊接。其实物及引脚图如1.7，实物图如1.8，驱动原理图如图1.9。图1.7L298N引脚图图1.8L298N实物图图1.9L289N驱动原理图L298N通过输入端1和输入端2接收信号控制输出端1和输出端2的输出端信号。输入端3和输入端4控制输出端3和输出端4的输出信号。根据输出电位的不同，实现电机的正向和反向旋转。在芯片中还存在两个使能端，当使能端为0时电机处于停止状态，当使能端为1时电机工作，但它们不能控制电机旋转方向，对于转向的控制通过调节IN口实现。具体见图1.10。ENAIN1IN2直流电机状态0XX停止100制动101正转110反转111制动 图1.10L298N逻辑功能图。在驱动电路原理图中除了L298N模块，还要考虑对于电路的保护。在电感线圈通电后再断电后会产生一个自感电动势，它大小通常为电压的N倍、极性与电源电压完全相反。当这个自感电动势直接作用于电机驱动芯片的功率开关器件上时，就会将其损坏。为了确保电机驱动芯片不被烧坏，这时就需要采取措施，通过泄放通道将会将功率开关器件损坏的高压和电流释放。此时电路中二极管的作用就显现了出来，它们提供了自感能量的释放途径，同时也避免了电机受外力作用旋转时所造成电机芯片受到损坏。电机驱动电路如图1.11所示。图1.11电机驱动电路1.1.4电源模块电源模块主要使用的芯片是7805稳压芯片，7805稳压芯片后缀05的含义就是输出5V的电压。电源模块将12V电池输入电压降为5V输出电压，为单片机系统供电。且7805芯片构成的外围电路简单，使用起来十分方便，对于初学者十分友好，只要正确的焊接，无需复杂的调试便可以输出稳定的5V电压。但在使用78系列稳压时也要注意输入电压至少要高出输出电压2V。若无法保证这点，就无法得到稳定的输出电压。在本次设计中系统输入电压为12V，远远大于单片机要求的5V工作电压，所以满足要求。但仍要注意当单流过大时，7805的输入电压与输出电压差值也不能过大，不然会使稳压芯片严重发热，这时芯片内部过热保护电路开始工作，使得所得到的输出电压变得不稳定从而影响到单片机的正常运行，在使用时必须外加一个散热片来散热。7805外形及引脚排列如图1.12。图1.1278系列芯片7805内部电路可以实现调整管安全、短路保护、过热保护等，如图1.13。图1.137805内部结构在本设计中，采用电池盒进行供电，电池盒内需要12V锂电池。而系统需要5V供电，所以需要电源转换电路，采用的是芯片LM7805。电源转换部分电路图如图3-4所示。其中电容C4和电容C5的作用输出滤波，使输出端输出的电压更准确，LED是电源指示灯，串联的2K电阻的作用是限流，否则流过LED的电流过大会将LED灯烧毁。电源模块电路如图1.14。图1.14电源电路原理图1.1.5清洁模块在智能清洁小车的情节模块主要通过一个马达，通过STC89C52单片机外接PNP三极管S8550对风扇进行驱动完成清扫工作，因为STC89C52单片机的I/O口驱动能力不足以驱动风扇，所以外接三极管提升驱动能力。PNP型三极管的控制端接到STC89C52单片机的P1.3引脚，串接的2K电阻R7同样是限流作用。如图1.15所示。图1.15清洁模块电路图

2清洁机器人软件设计前文对基于单片机的扫地机器人系统的硬件电路设计部分都进行了详细的介绍。本章将介绍基于单片机的扫地机器人的核心部分，即系统软件部分设计。在实际工作中，C语言作为51单片机的主要开发语言，对程序设计都是通过它来进行编写。由对应的编译器，编写正确的执行代码，这样大大提高了程序的开发效率。C语言具有程序简洁，使用起来十分方便，数据结构多样性高，对结构化程序设计有着极大的优势，在代码编写完成后，有着极高的程序执行效率。C语言函数一般由一或多个函数组成，程序从主函数开始执行，在主函数中可以调用其他函数。但受到单片机硬件的影响，在结合单片机特点的情况下，51单片机所使用的C语言函数与标准的C语言有些不太一样。这种改变后的程序被称为C51程序。软件的编写还可以采用汇编语言，这是一种更接近机器码，理论上性能比C语言更高的语言。当C语言转化为机器码时所耗费的时间于内存都会比编程语言更多，但在平时的一般应用中，这点差别是可以忽略的。而且C语言的众多优点也是汇编语言所不能替代的，汇编语言晦涩难懂，而C语言的简洁，直接面向使用，可读性强，逻辑上的易懂，后期维护和代码的跟新也要更加方便，在遇见高时效要求的情况时还可以通过嵌入汇编代码来解决。所以本次智能清洁小车的软件设计采用C语言来就行编写。2.1软件开发环境在实际工作中，C语言作为51单片机的主要开发语言，对程序设计都是通过它来进行编写。由对应的编译器，编写正确的执行代码，这样大大提高了程序的开发效率。C语言具有程序简洁，使用起来十分方便，数据结构多样性高，对结构化程序设计有着极大的优势，在代码编写完成后，有着极高的程序执行效率。C语言函数一般由一或多个函数组成，程序从主函数开始执行，在主函数中可以调用其他函数。但受到单片机硬件的影响，在结合单片机特点的情况下，51单片机所使用的C语言函数与标准的C语言有些不太一样。这种改变后的程序被称为C51程序。软件的编写还可以采用汇编语言，这是一种更接近机器码，理论上性能比C语言更高的语言。当C语言转化为机器码时所耗费的时间于内存都会比编程语言更多，但在平时的一般应用中，这点差别是可以忽略的。而且C语言的众多优点也是汇编语言所不能替代的，汇编语言晦涩难懂，而C语言的简洁，直接面向使用，可读性强，逻辑上的易懂，后期维护和代码的跟新也要更加方便，在遇见高时效要求的情况时还可以通过嵌入汇编代码来解决。所以本次智能清洁小车的软件设计采用C语言来就行编写。KeiluVision4程序开发软件是由美国KeilSoftware公司研发并首先推出面世的集成开发环境，主要功能是用于程序的编译及仿真。其功能丰富强度，但同时界面非常友好便于使用。Keil软件推出多年，并随着技术的不断发展进步，已经迭代出很多个新的版本。本设计使用的是KeiluVision4，使用其可以打开任意老版本软件输出的工程文件。随着版本的升级，其操作界面仍然进行了保留，方便开发者使用，新版本主要的优化点在于功能的优化，以及性能的提升，使编译速度更快，编译后的文件更小。Keil软件的所有版本都支持C语言编程。并且当编程过程中，出现语法错误时，系统会醒目的提示用户。STC89C52等非常的微控制器，均可在使用Keil4进行程序设计。同时，使用其提供的仿真功能也是非常的方便。Keil4软件的部分特点：(1)可以自动生成完善的启动代码，不需要开发者在枯燥难懂的启动代码上花费时间，因此使用其进行项目的开发，效率会非常的高，可以最大程度上缩短设计的周期。并且其编程界面简单直观，对开发者使用非常友好；(2)KEIL的在线仿真功能非常的实用，通过下载器连接硬件，及可实现实时的在线仿真功能，对于查找BUG非常的方便；(3)其内部集成了很多微处理器的库及开发环境，是单片机开发环境的首选；(4)支持使用ULINK2或者JLINK进行仿真或者下载，速度很快，可靠行很高；下图2.1为本次设计编写程序建立界面。 图2.1LEIL界面在对程序进行编写的过程中，要实现所需要的功能需要经过不断的调试、修改。这是一个极其消耗时间的过程，编译后没有错误的程序才可以生成HEX文件。编译成功如图2.2所示： 图2.2编译成功界面在经过耗时最长的程序编译及调试后，要做的就是将生成的HEX文件下载到我们所选的STC89C52单片芯片中，我所使用的下载软件是普中科技的PZ-ISP下载软件。图2.3为下载界面。图2.3程序下载成功界面2.2程序设计流程 下面将具体的对系统软件编程思路进行介绍，系统上电后，首先进行系统的初始化，然后通过按键的状态来检测使用者是否人为的进行了速度的设定，如果使用者没有进行速度的设定，则扫地机器人按照系统预设的速度行进。如果按下加速按键，则会在预设行进速度的基础上进行加速；反之，如果按下减速按键，则会在预设行进速度的基础上进行减速。系统的加速和减速的调节，在程序内部是通过PWM调速程序实现。此扫地机器人有三种扫地模式，分别为：往返清扫模式、任意清扫模式和延边清扫模式，可以通过模式选择按键来对此三种模式进行切换，每按一次按键则切换一种模式。当扫地机器人工作在往返清扫模式时，机器人会以S型路线进行往返清扫；当扫地机器人工作在往任意扫模式时，当前方出现障碍物时，机器人先后退，然后向右边转向，进行清扫功能；当扫地机器人工作在往返清扫模式时，它会沿着墙壁的边缘进行清扫；其能够自动准确的进行避障，主要是依赖于扫地机器人上面安装的三个红外避障传感器，通过三个红外避障传感器的输出，系统就可以判断出哪个方位存在障碍物，从而进行停止，转弯，继续前进等操作。当扫地机器人工作在任一清扫模式下，扫地风扇都是全程开启状态。整体的设计流程图如下图2.4所示。图2.4主程序流程本次设计为智能清洁小车，程序主要实现的功能是小车在工作时对周边障碍物的识别于躲避，并在工作环境中正确稳定的实现清扫工作，做到对地面的全面清洁。在此要求上设计出了三种不同的清扫模式，来帮助清洁小车应对复杂的工作环境。且三种工作模式可以互相补充，支持清洁小车更好的完成预定工作。模式一：往返清扫模式当清洁小车工作在一个相对障碍物存在较少，环境不太复杂的房间中时。我设计出了往返清扫的工作模式。在这种模式下小车可以清扫到房间地面的每个部分。以房间的一个角作为起点开始工作，沿着边缘开始对房间进行清扫。起点以一个空间平面最左侧平行位置开始，清洁小车先向前沿直线行驶到对面墙壁前，前侧红外传感器与左侧红外传感器此时同时检测到障碍物后小车停止前进，并向后退1秒，然后向右侧转向90度，再向前行进1秒，右转90度，最后后退两秒。同理，当清洁小车行驶到对面墙壁前时，前侧红外传感器感应到障碍物，执行上述操作，完成掉头。整体路径呈现S形。往返清扫模式流程图见图2.5。图2.5往返清扫模式流程图模式二：任意清扫模式设计的第二种模式是任意清扫模式，当清洁小车工作的环境中存在过多的障碍物时，才用往返清扫模式就不能满足清扫到房间中每个方法的要求，至此情况下，可以采用任意清扫模式。在这种工作模式下随着时间的延长也能做到清扫到房间每处的要求，但所需的时间过长。任意清扫模式流程图见图2.6。图2.6任意清扫模式流程图模式三：边缘清扫模式在对前两种清扫模式测试后发现对房间边缘沿墙壁部分清扫结果并不满意。经检验发现是小车清扫模块位于车底正中部分，而车体整体为一个长方体结构，所以车体在正对墙壁时会出现清扫死角，从而导致清扫工作完成的不充分。因此，为解决这种情况，设计出了边缘清扫模式，作为以上两种清扫模式的补充。在边缘清扫模式下，清洁小车主要通过左右两边的红外传感器进行工作。边缘清扫模式流程图见图2.7。图2.7延边清扫模式流程图

3清洁机器人软硬件联调对清洁小车软硬件进行联调，测试设计整体性能。3.1硬件焊接3.1.1车体组装对清洁小车车体结构进行搭建用到了以下原件：PCB材质黑色方型底盘，四个直流减速电机，电机固定件，四个轮胎，四个固定铜柱，固定螺丝与螺母若干。对以上原件进行拼接，得到如图3.1小车车体。它是本次设计的主体结构，之后所有的功能都要围绕着它展开，车体的稳定与否也决定着整体设计工作时的效果。图3.1小车车体结构3.1.2电路系统焊接清洁小车以STC89C52作为核心，在使用时要对单片机的最小系统进行焊接。用到了以下元件：STC89C52单片机芯片，40P芯片座，五个触点开关，一个自锁开关，12MHZ晶振，四个可拼接接线柱，电容若干，电阻若干，二极管若干，一个DC插座，一个电源指示灯，三个模式指示灯，一个电机驱动芯片。电路正面图如3.2所示，电路反面图如3.3所示。图3.2电路正面图图3.3电路反面图3.1.3清洁模块安装清洁小车的清洁模块主要由一个清洁电机和一个清洁风扇组成，它们一起工作，电机进行清扫，风扇进行吸尘。如图3.4所示图3.4清洁模块实物图3.1.4避障模块安装在避障模块使用了三个PMM18-C301NA红外传感器，在对其进行安装时，我用热熔胶将它们固定在了清洁小车的底板上，如图3.5所示图3.5避障模块实物图3.1.5设计实物图再将上述模块进行组合焊接后得到总体设计实物，如图3.6所示。图3.6总体设计实物图3.2电路焊接调试在进行电路的焊接时，我们秉着由低至高，由小到大的原则。在焊接时要控制焊接时间，最长时间不能超过4秒。在对芯片进行焊接前要先焊接一个IC座，然后再装IC。在对焊点进行焊接时，要保证焊点的圆润饱满，不能有毛刺、虚焊、假焊等情况的发生。3.2.1焊接问题焊接完电路后，进行加电检测时，接通电源后却发现电源指示灯却没有点亮，而且有异味。当我触摸稳压芯片7805时，发现它变得非常热，我立即关闭了电源。在使用万用表测量电源的正极和负极后发现电阻非常小。仔细检查后发现是自己将稳压器芯片引脚颠倒连接了，将作为输入引脚的接成了输出端。发现问题后，我立即更换了新的稳压器芯片，确保引脚连接正确，上电后电源指示灯正常点亮，测得的电压满足5V的要求，小车正常工作，问题得到解决。3.3清洁小车功能测试对小车各个功能依次进行测试，检验设计成果。3.1.1单功能测试(1)将清洁小车硬件组装后，将程序下载到单片机中，接通电源后，压下开关按键后，电源指示灯点亮。电源模块正常工作。(2)接通电源后，按下清洁按键，清扫电机与风扇同时开始工作。再次点击清洁按键，电机与风扇停止。清洁模块正常工作(3)接通电源后，在红外传感器前放置障碍物，此时位于传感器末端的指示灯点亮，当移除障碍物后指示灯熄灭。传感器模块正常工作。(4)接通电源后，点击模式切换按键，1号LED等点亮，清洁小车开始执行往返清扫功能；第二次点击按键后1号与2号LED灯点亮，清洁小车开始执行自由清扫功能；第三次点击按键后1号、2号和3号LED灯同时点亮，清洁小车开始执行延边清扫功能；小车模式切换功能正常工作。(5)接通电源后，使清洁小车处于工作状态，点击复位按键，清洁小车停止工作回到初始状态。复位功能正常工作。(6)接通电源后，使清洁小车处于任意工作模式，对小车调速功能进行测试。在连续点击加速按键后，车轮转速明显加快；连续点击减速按键后，车轮转速明显降低直至停止；小车调速功能正常工作。以上通过对清洁小车各功能测试后，小车各功能均实现预期效果。3.1.2整体性能测试将小车放置在一个普通住宅房间中，对小车整体工作性能进行测试：(1)首先对小车往返清扫模式进行测试：当小车第一个LED灯点亮时，小车位于往返清扫模式。使小车从房间一个角落开始工作，当小车工作到角落对面墙壁前是，红外传感器探测到障碍物，小车开始转向，按照程序要求在小车遇见障碍物后转向角度应为90度，但此时小车转向角度确大于90度，使得偏离了预先设计线路，并未按照S型线路对房间进行清扫。经过多次测试，发现这并非偶然现象。停止小车工作，在仔细分析小车工作时出现的问题后发现小车转向角度过大与电机转速有关，因小车转向时间由程序延时时间控制，当小车电机带动车轮转速过快时，会造成转向角度大于原定90度。找到问题后下一步就是找出解决办法，对于小车转速过快影响转向角度的问题，提出对电机转速施加控制控制，增添转速控制按键。当小车转速过快时，通过减速按键对小车速度进行控