全自动吸尘器核心控制电路毕业设计.docx
《全自动吸尘器核心控制电路毕业设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《全自动吸尘器核心控制电路毕业设计.docx（68页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
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
摘要1
ABSTRACT2
第一章绪论3
1.1全自动吸尘器简述3
1.2全自动吸尘器的研究现状3
1.3全自动吸尘器研究意义5
1.4本论文的研究内容6
第二章系统的总体设计7
2.1系统各个模块的主要功能7
2.2全自动吸尘器的总体设计8
第三章系统的电路设计12
3.1显示按键模块电路设计12
3.1.1AMPIRE128X64液晶芯片资料12
3.1.2DS1302芯片介绍13
3.13模块的仿真电路图及介绍14
3.2电池电压检测及充电模块电路设计15
3.2.1ADC0808芯片介绍16
3.2.2电池电压检测电路图介绍17
3.2.3镍氢电池充电电路17
3.3步进电机驱动模块19
3.3.1L297芯片介绍20
3.3.2L298芯片介绍22
3.3.3电路图说明23
第四章系统的程序设计25
4.1副控制器程序设计（程序见附录一副控制器程序）25
4.1.1ADC0808控制程序25
4.1.2串行通讯程序26
4.2主控制器程序设计（程序见附录一主控制器程序）27
4.2.1液晶显示控制程序27
4.2.2键盘扫描控制程序28
4.2.3主控制程序30
第五章系统的仿真调试32
5.1仿真工具Proteus介绍32
5.1.1软件简介32
5.1.2功能特点32
5.1.3资源丰富32
5.1.4电路仿真33
5.2系统的菜单显示仿真34
5.2.1键盘说明34
5.2.2菜单说明34
第六章结论与展望40
6.1本文的总结40
6.2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59
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
ABSTRACT
Autonomousvacuumcleanerhasverygoodfutureincommerce.Tocleaninaroomwithouthelpofthehosts，itiSachallengingtaskforautonomousCleanerbecauseitinvolvesmanycurrentAItechnologies．InvJewoftheoryandtechnology，fullautonomouseleanerwasapp]iedmanykeytechnologyformobilerobot．Theycanreduceburdenofhouseworkandimproveefficiencyandareverysuitableforusinginhotel，hospital，library，officeandhome．ThereforeitiSachallengeinscientificresearchandcommerce．
Thetechnologybackground、currentapplicationstatusandresearchprospectoftheintelligentcleanerarebriellYintroducedatthefirstplaceofthisarticle．Mainlyintroducesautomaticcleanercorecontrolcircuit,designedtheSCMcontrolcircuit,vacuumcleanertodiagrammodular,dividedintoshowbuttonandworkingtimemodule,vacuumcleanerwalkcontrolmodule,thebatteryvoltagedetectionandchargingmodule.Madethesimulationofthesystem.Introducesthesystemfunctionalityofeachmodule,andimplementation.Writeasingle-chipmicrocomputercontrolprocedures.Thispaperrealizedthecontents:
1Finishthebuttonsettinganddisplay,displaymultistagemenubutton.
2realizedsystemoftimeofreal-timedisplay.
3realizedreal-timecollectionofbatteryvoltage,andtestingvoltagevalue,whenvoltagevaluebelowacertainvaluetiptocharge.
4realizedthesteppingmotorcontrol.
Intheendthepaperonthebasisofsystematicconclusionofsystemofthefuture,improvementofworkmakesfurtherdiscussionandprospected.
Keyword:
automaticcleaner,AMPIRE128X64LCD,stepmotor,serialcommunication.
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。
1．LG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“VC．RP30W”机器人吸尘器
这款吸尘机器人主要是针对家庭设计的。
VC．RP30W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VC．RP30W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iRobotRoomba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。
其功能特色简介如下：
1）高效清洁
iRobotRoomba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
iRobotRoomba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。
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行的。
可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的；同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。
步进电机是一种感应电机，它的工作原理是利用电子电路，将直流电变成分时供电的，多相时序控制电流，用这种电流为步进电机供电，步进电机才能正常工作，驱动器就是为步进电机分时供电的，多相时序控制器。
虽然步进电机已被广泛地应用，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
因此用好步进电机却非易事，它涉及到机械、电机、电子及计算机等许多专业知识。
步进电机作为执行元件，是机电一体化的关键产品之一,广泛应用在各种自动化控制系统中。
随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量与日俱增，在各个国民经济领域都有应用。
现在比较常用的步进电机包括反应式步进电机（VR）、永磁式步进电机（PM）、混合式步进电机（HB）和单相式步进电机等。
全自动吸尘器的电源要同时满足吸尘器多种能源的需求，如为吸尘器提供驱动力、为控制电路提供稳定的电压。
吸尘器分为有缆和无缆吸尘器两种。
移动电源的地位在无缆吸尘器中历来十分重要，可以说是他的生命源电源。
日本本田公司的HondaP3步行机器人虽然代表着当今世界这类机器人的最高水平，但仍存在供能时间短、行走缓慢和语音功能不完善等方面的问题。
P3机器人目前采用的镍锌电池只能供给25分钟的电量，电池的体积、重量与其蓄电容量相比，庞大而笨重，远不能满足未来全自动吸尘器的工作时间要求。
需研制适用于吸尘器携带的蓄电容量大且体积小、重量轻的蓄电池，以解决可携带能源问题。
理想的电池应该具有十分高的能量密度，能够在放电过程中保持恒定的电压，小内阻以便具有快速放电能力，能够耐高温，可充电以及成本低等。
但实际上没有一种电池可同时具备上述优点，这就要求设计人员根据实际任务的需要，选择一种合适的电池。
现在的电池可选范围一般为ni--cd或者ni—mh，就吸尘器本身来说，使用铅酸电池的吸尘器，已经逐步淘汰出市场。
ni～cd的特点是可以采用很高倍率（“高倍率”即电池容量的倍数电流，如1300mah电池，2倍率为2．6A电流放电）的电流放电，而且对温度适应性很强，稳定而且略便宜。
缺点是不环保，含cd元素污染很大。
而ni—mh突出优点就是绿色环保，而且容量高即使用时间长，缺点为价格稍贵。
在如今环保呼声越来越高的大环境中，ni—mh电池将成为今后的焦点，本吸尘器采用ni—mh电池组作为供电系统。
步进电机行走驱动部分主要负责吸尘器的行走，转向。
电池及充电电路是吸尘器的能源，为其它电路提供电能，使系统能够正常运行。
显示及按键设置部分提供了人机界面，把吸尘器的工作状态，工作方式，系统状态直观显示出来，是吸尘器更加智能化。
按键设置部分可以设定系统的工作时间，工作方式。
主控制器负责处理系统各个模块的分工，协调运行。
主控制器处理一些复杂的程序，例如路径规划等。
处理副控制器接受的信息，并发出动作指令。
2.2全自动吸尘器的总体设计
系统可分为三个模块，分别是行走控制部分，电池电压检测及充电部分，工作定时、显示及按键设置部分[10]，这三个部分可以用两片单片机来实现控制。
主控制器负责按键设置和菜单显示、工作定时、接受副控制器信息并处理信息、发送控制信号给副控制器等，副控制器负责定时检测电池电压并发送到主控制器、接受主控制器的电机控制信号来控制步进电机的动作及速度。
主控制器和副控制器之间的通讯是通过串行通讯来完成的。
总体设计的框图如图2.1所示：
图2.1总体设计
2.2.1主（副）控芯片介绍
主控制器和副控制器都采用AT89C51单片机，AT89C51是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能COMS8位单片机，片内含4Kbytes的可反复擦写的只读程序存储器（PEROM）和128bytes的随机存取数据存储器（RAM），期间采用ATMEL公司的高密度，非易遗失性存储技术生产，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，功能强大AT89C51单片机可为您提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域[3]。
主要性能参数[4]：
●与MCS-51产品指令系统完全兼容
●4K字节可重擦写Flash闪速存储器
●1000次擦写周期
●全静态操作：
0Hz-24Hz
●三级加密程序存储器
●128X8字节内部RAM
●32个可编程I/O口线
●2个16位定时/计数器
●5个中断源
●可编程串行UART通道
●低功耗空闲掉电模式
管脚说明：
VCC：
供电电压。
GND：
接地。
P0口：
P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。
当P0口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。
P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。
在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。
P1口：
P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。
P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。
在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。
P2口：
P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。
并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。
这是由于内部上拉的缘故。
P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。
在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。
P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。
P3口：
P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。
当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。
作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。
P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：
P3口管脚备选功能
P3.0RXD（串行输入口）
P3.1TXD（串行输出口）
P3.2/INT0（外部中断0）
P3.3/INT1（外部中断1）
P3.4T0（记时器0外部输入）
P3.5T1（记时器1外部输入）
P3.6/WR（外部数据存储器写选通）
P3.7/RD（外部数据存储器读选通）
P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。
RST：
复位输入。
当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。
ALE/PROG：
当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。
在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。
在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。
因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。
然而要注意的是：
每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。
如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。
此时，ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。
另外，该引脚被略微拉高。
如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。
/PSEN：
外部程序存储器的选通信号。
在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。
但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。
/E
升级会员 