新能源科學與工程掃地機的智能控制系統設計組員掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第1頁。01020304CONTENTS智能掃地機控制系統簡介采用單片微控器智能掃地機各系統分析掃地機系統設計掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第2頁。01智能掃地機控制系統簡介PartOne掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第3頁。智能掃地機控制系統簡介

目前，各式各樣的服務機器人越來越多應用于人們的生活中，從事著與人們生活息息相關的服務工作，極大地提高和改善了人們的生活質量。室內智能掃地機器人就是在這種背景下誕生的一種家庭服務機器人。室內智能掃地機器人的路徑規劃采用區域充滿的規劃方法，目標是在設定區域內尋找一條從始點到終點且經過所有可達點的連續路徑。根據建立的掃地機器人平臺，提出清掃機器人隨機運動路徑規劃算法。機器人利用其上安裝的紅外傳感器和攝像頭來識別和感知房間環境，機器人開始以螺旋運動方式覆蓋房間的空白區域，當遇到障礙物時，啟動障礙物應對策略，通過計算機軟件仿真和在房間環境中進行實驗驗證了該算法的有效性。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第4頁。02采用單片微機控制器PartTwo掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第5頁。單片微控器

本設計以AT89C51單片機作為檢測和控制核心。是美國ATMEL公司生產的低電壓，高性能CMOS8位單片機。兼容標準MCS-51指令系統，片內置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第6頁。AT89C51主要性能參數1.與MCS-51產品指令系統完全兼容2.有4K字節可重擦寫Flash閃速存儲器3.有1000次的擦寫周期4.全靜態操作：0Hz~24MHz5.有128×8字節的內部RAM6.有32個可編程I/O口7.有2個16位定時/計數器8.有6個中斷源9.低功率空閑和掉電模式掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第7頁。AT89C51引腳VCC：電源電壓GND：接地P0口：P0口是一組8位漏極開路型雙向I/O，也即地址/數據總線復用口。P1口：P1口是一個攜帶內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P2口：P2口是一個帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。P3口：P3口是一組帶有內部上拉電阻的8位雙向I/O口，P3口輸出緩沖級可驅動（吸收或輸出電流）4個TTL邏輯門電路。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第8頁。AT89C51引腳表2.1端口引腳第二功能表端口引腳第

二

功

能P3.0RXD（串行輸入口）P3.1TXD（串行輸出口）P3.2

（外中斷0）P3,3

（外中斷1）P3.4T0（定時/計數器0）P3.5T1（定時/計數器1）P3.6

（外部數據存儲器寫選通）P3.7

（外部數據存儲器讀選通）掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第9頁。03智能掃地機各系統分析PartThree掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第10頁。3智能掃地機各系統分析

該智能系統采用紅外傳感器、光電傳感器、接觸傳感器完成自動避障。用光電編碼器檢測電機的轉速。利用PWM技術來動態控制電動機的轉動方向和轉速。通過軟件編程實現清掃機行進、執行清掃任務、繞障、停止的精確控制以及檢測數據的存儲、顯示。通過對電路的優化組合最大限度地利用AT89C51單片機的全部資源。P0口用于數碼管顯示，P1口用于電動機的PWM驅動控制，P2、P3口用于傳感器的數據采集與中斷控制。這樣做的優點是：充分利用了單片機的內部資源,降低了總體設計的成本。總系統框圖下圖所示。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第11頁。掃地機各系統傳感器系統驅動系統紅外遙控系統浮動開關電路看門狗電路液晶顯示電路紅外遙控是目前使用最廣泛的一種通信和遙控手段。主要用來來控制智能掃地機的清掃方式及開機與關機。浮動開關是一個安裝在輪子內側的機械開關，輪子上有彈簧裝置，當輪子浮起時，開關斷開掃地機停止前進，實現了防跌落功能。采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機連接，編程，完成顯示時間及清掃機行進速度的功能。3智能掃地機各系統分析掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第12頁。3.1傳感器系統內傳感器系統主要用于采集系統自身狀態的信息,比如速度、加速度、軌跡、位置等。這類傳感器主要有測速發電機、加速度計、編碼器、陀螺儀、電子羅盤等。外傳感器系統外傳感器負責采集系統外部環境信息,比如圖像、距離、受力等。這類傳感器包括CCD視覺傳感器、超聲波傳感器、紅外傳感器、力傳感器等。

本設計方案采用超聲波傳感器、紅外光電傳感器和接觸開關、三種傳感器來構建清掃機器的傳感器系統。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第13頁。3.1.1測速裝置模塊

測速信號通過在電機的轉子上加裝帶有黑白條紋的圓盤，再利用光電開關得到電機每轉一圈產生若干個脈沖信號，據此可以算出電機的實際轉速。這種簡易的光電開關測速法成本低，性能可靠，可以在電機轉速不高，精度沒有嚴格要求的情況下使用，這種測速裝置可以構成里程計。根據里程計的返回脈沖數可以計算出電機行走的距離，并間接得到行走速度。3.1.2碰撞檢測

碰撞檢測采用霍爾元件EW462，芯片的內部原理框圖如圖3-4所示，芯片的工作方式如圖3-5所示。芯片的供電電壓范圍為4.5V~18V，靈敏度高，阻抗低，工作的最大輸出電流為15mA。當芯片的正上方有S極磁場時，霍爾元件輸出高電平，當元件偏離磁場后，元件輸出低電平。通過控制霍爾元件正上方的磁場極性，可以控制元件輸出信號的變化趨勢。當極性相反時，元件在偏離磁場時為高電平，正對磁場時為低電平。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第14頁。3.1.2碰撞檢測圖3-4EW462芯片的內部原理框圖掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第15頁。

驅動器就是驅動掃地機的動力部件，最常用的就是電機。掃地機最主要的控制量就是控制掃地機的移動，掃地機驅動器中最根本的問題就是控制電機，控制電機轉的圈數就可以控制掃地機移動的距離和方向、清掃機械的彎曲的程度或者移動的距離等。一般有專門的控制卡和控制芯片來進行控制。有了這些控制卡和芯片，然后把微控制器與其連接起來就可以用程序來控制電機。機器人的工作電機分為行走、吸塵和毛刷電機。清掃結構主要使用真空吸塵器和由電機帶動的旋轉毛刷。永磁無刷電動機具有效率高，功率大，體積小，控制精度高等明顯特點在機器人領域有著廣泛的應用。選用的輪子驅動電機即為無刷直流電機，其工作電壓是10~15V，最大工作電流0.84A，正常工作電流0.4A，有專門的換向控制引腳，高低電平控制正反轉。該電機可以由PWM信號直接驅動，3.2驅動系統電機用PWM控制技術所謂PWM控制技術，就是通過控制半導體開關器件的導通與關斷，把直流電壓變成電壓脈沖序列并通過控制電壓脈沖寬度或周期以達到變壓的目的。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第16頁。3.3看門狗電路系統看門狗電路系統單幾乎所有的單片機都需要復位電路，對復位電路的基本要求是：在單片機上電時能可靠復位，在下電時能防止程序亂飛導致EPROM中的數據被修改；另外，單片機系統在工作時，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現死機現象導致單片機系統無法正常工作，為了克服這一現象，除了充分利用單片機本身的看門狗定時器(有些單片機無看門狗定時器)外，還需外加看門狗電路；除此以外，有些單片機系統還要求在掉電瞬間單片機能將重要數據保存下來，因掉電的發生往往是根隨機的，因而此類單片機系統需要電源監控電路，在掉電剛發生時能告知單片機。IMP813L剛好能滿足這些要求，下面具體介紹該芯片的性能特點及使用方法。

IMP813L有雙列直插和貼片封裝形式，其雙列直插如圖所示，引腳功能如下：

第1腳為手動復位輸入，低電平有效；第2、3腳分別為電源和地；第4腳為電源故障輸入；第5腳為電源故障輸出；第6腳為看門狗輸入，第7腳為復位輸出，第8腳為看門狗輸出。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第17頁。3.3看門狗電路系統看門狗電路系統

IMP813L的典型應用電路：IMP813L的典型應用電路如圖3.6所示。圖中單片機以AT89C51為例，IMP813L的第1腳與第8腳相連。第7腳接單片機的復位腳(AT89C51的第9腳)；第6腳與單片機的P1.4相連。在軟件設計中，P1.4不斷輸出脈沖信號，如果因某種原因單片機進入死循環，則P1.4無脈沖輸出。于是1.6s后在IMP813L的第8引腳輸出低電平，該低電平加到第1腳，使IMP813L產生復位輸出，使單片機有效復位，擺脫死循環的困境。另外，當電源電壓低于門限值4.65V時，IMP813L也產生復位輸出，使單片機處于復位狀態，不執行任何指令，直至電源電壓恢復正常，可有效防止因電源電壓較低時單片機產生錯誤的動作。電源故障輸入PFI通過一個電阻分壓器監測未穩壓的直流電源。當PFI低于1．25V時，電源故障輸出腳第5腳PF0變低，可引起AT89C51中斷，進行電源故障處理，或將重要數據保存下來。把分壓器接到未穩壓的直流電源是為了更早地對電源故障告警。IMP813L是一體積小、功耗低、性價比高的帶看門狗和電源監控功能的復位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復位信號為高電平，因而是應用于復位信號為高電平場合的單片機系統的理想芯片。掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第18頁。04掃地機系統設計PartFour掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第19頁。4掃地機系統設計自動充電系統驅動系統電路總體軟件流程紅外系統遙控流程驅動系統流程清掃避障系統流程掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第20頁。自動充電系統01

自動充電是用對接充電來實現的，對接充電過程主要用了紅外信號，在智能吸塵機器人的左側和后面都有紅外接收器，發射傳感器則安裝在充電座上，當內部電源檢測到電壓低于一定值是，掃地機器人將沿墻壁尋找充電座。一般掃地機器人按右手法則尋找充電座，所以在掃地機器人貼墻的一側（選左側）和后部各裝有一個紅外接收傳感器，當側面的一側在貼邊過程中收到紅外信號時，掃地機器人順時針旋轉90度，并沿著紅外光路靠近充電座，同時檢測充電座充電電壓即可確定是否已經對接上。4.1自動充電系統掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第21頁。02

驅動系統電路包括驅動器、光電隔離模塊以及驅動器保護電路等部分。在具體電路中，由于單片機使用5V弱電，而電機的驅動電壓為12V或者更高，考慮到單片機會受到驅動部分的干擾，因此采用了光電耦合器TLP521，把控制部分和驅動部分隔離開來。單片機輸出端口的電流一般只有20mA左右，不足以或者不能穩定地驅動光電耦合器TLP521工作，因此采用芯片74HC245來增強驅動能力，為光電耦合器TLP521提供合適的驅動電流。驅動器保護電路由8個高速大電流肖恩特二極管1N5822（圖中D1~D8）組成，用來消除電機在起停、制動及換向時產生的反電勢。

系統工作時，單片機P1口輸出的控制信號經過驅動器芯片74HC245和光電耦合器之后輸入電機驅動芯片L298N，控制電機動作。當需要調速時只需改變PWM調速脈沖（本設計中由單片機P1.3和P1.6端口產生）的占空比即可，理論上可以實現256級調速。驅動系統電路4.2驅動系統電路掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第22頁。總體軟件流程03包括初始化整個系統、啟動各電路模塊、等待接收命令、啟動驅動系統、檢測障礙、啟動清掃避障系統、結束清掃等過程。(1)首先，啟動清掃機電源，使各模塊持續供電。

(2)啟動各電路模塊，啟動液晶顯示系統，以便顯示清掃機行進速度及運行時間。(3)當接收到前進指令時，啟動驅動系統。(4)當遇到障礙時啟動清掃系統及避障系統，此過程是整個清掃系統的關鍵，此過程包括清掃命令接收判斷及是否遇到障礙物判斷。4.3總體軟件流程掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第23頁。紅外遙控系統流程04發射電路主程序的流程圖如圖4.3所示主程序中設置串口工作方式1和定時器T1方式2是為了發射按鍵代碼時產生2000b/s的波特率；定時器T0工作方式2是用來在P3.7引腳上輸出38kHz的載波信號。有按鍵下時產生外部中斷0，寄存器R5和R4中存放的數據是用來控制1min的定時時間。1min之內無按鍵，則遙控器進入低功耗狀態。定時器T0中斷程序是將P3.7引腳取反產生38kHz的載波信號，此信號為方波信號。外部中斷0的中斷程序用于判斷按鍵并發射按鍵代碼，同時還包括按鍵去抖動和檢查設置相關標志位。4.4紅外遙控系統流程掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第24頁。驅動系統流程流程05首先是系統初始化工作,即設置寄存器、配置GPIO、定時器、A/D轉換器和外部中斷、啟動A/D轉換。然后檢測GPIO有沒有啟動信號,檢測到啟動信號后,從另一個GPIO發出控制信號給直流電機加電。從A/D轉換器里讀取電流信號數據,再通過求平均值得到電機的電流值;對輸出脈沖信號的數據進行FFT變換,求出基波的頻率,再根據電機的具體型號乘以一個系數得到電機的轉速。最后把測試電流和轉速送給液晶顯示系統顯示清掃機行進速度,啟動總線傳輸，把測試結果傳輸到單片機,以對數據進行保存和分析。軟件流程如圖4.4所示。4.5驅動系統流程掃地機智能控制系統設計全文共27頁，當前為第25頁。清掃避障系統流程06該流程是智能清掃