基于单片机的智能扫地机器人.docx
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基于单片机的智能扫地机器人
第一章概述
1.1智能扫地机器人的研究背景
2002年，家电公司伊莱克斯推出的三叶虫智能扫地机器人，颠覆了人们对扫地的概念。
三叶虫扫地机器人作为世界第一款量产的智能扫地机器人，外形采用圆饼形设计，塑料外壳。
在单片机的控制下，底部的车轮能够进行转动，从而控制扫地机器人的主要运动。
采用了仿生技术，按照蝙蝠的超声波技术，使得扫地机器人能够迅速的察觉障碍并且绕开。
从2003年开始，iRobot公司和Proscenic公司推出了一系列的产品，主要技术集中在真空吸尘以及碰撞式运动。
2004年重庆大学智能科学技术研究所与宁波波郎电器有限公司合作开发的室内清洁机器人，能够沿墙壁行走清扫地面。
2007年至今，越来越多的公司推出了一系列的产品，功能也随之越来越丰富。
国产智能扫地机器人方面，有苏州怡凯电器的科沃斯、益节等公司生产的机器人功能丰富，包括非接触式、超声波式、红外线技术、无线遥控等技术。
国产品牌的扫地机器人如浦桑尼克蓝天S、科沃斯DT85G等比较受欢迎。
小米公司生产的米家扫地机器人具有地图生成、路径规划、自动回充、断点续扫等先进技术。
目前扫地机器人有几大关键技术支撑，扫地机器人完成扫地任务分为几个步骤，即定位、构图、规划、清扫。
现在的扫地机器人不仅能够适应复杂的家庭环境，在清洁效果上也是有巨大的提高。
首先是传感器技术，扫地机器人能够在自身传感器的测控下，进行距离的前进以及移动由此可以独自完成清扫任务；室内定位功能，主流的定位系统则是RPS激光定位系统，能够实时定位变化坐标；路径规划技术，扫地机器人根据环境的变化信息，按照自身优化算法，进行合理的路径规划引导；吸尘技术则是通过机械装置进行真空吸尘，形成巨大气流旋涡，进行除尘动作。
1.2研究的目的与意义
智能扫地机器人将移动机器人技术和吸尘器技术有机地结合起来，实现室内环境的全自动清洁，能够代替传统的繁重的人工清洁工作，近几年来已受到国内外的研究人员重视。
作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术方面讲，智能扫地机器人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，智能扫地机器人将大大降低劳动强度、提高劳动效率，适用于家庭和公共场馆的室内清洁。
因此，开发自主智能吸尘器既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。
融合现代传感器以及机器人领域的关键技术，本课题旨在开发一部价格便宜，全区域盖,能够充分满足家庭需求且方便适用的智能家庭清扫机器人。
使它可以替代传统的家庭人工清扫方式，使家庭生活电气化、智能化、使科技更好地为人类服务。
1.3研究的内容
1.3.1功能
（1）全自动清扫
（2）防撞、防摔
（3）自动充电
1.3.2性能指标
（1）输入电流：
1A
（2）输入电压：
13-15V
（3）运行速度：
12m/min
（4）最长工作时间：
25min
第二章电路设计
2.1电源电路
本电源采用两块LM7805作为稳压电源，一块为控制电路和传感器电路供电，另一块单独为电机供电。
分开供电这样做的好处，有利于减小干扰，提高系统稳定性。
LM7805是常用的三端稳压器件，顾名思义05就是输出电压为5v，还可以微调，7805输出波纹很小。
使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源。
它的输出电压恰好为5v，刚好是51系列单片机运行所需的电压，他有很多的系列如ka7805，ads7805，cw7805等，性能有微小的差别，用的最多的还是LM7805。
外形如图2-1所示。
1管脚为输入端，2管脚为地，3管脚为输出.
图2-1外形图及引脚排列
2.1.1电路原理
由于后级电路需要1A左右的大电流用于驱动各类电机，查找后发现E13003完全满足这要求集电极最大允许电流ICM可以到达1.5A。
由于13003开关管需要较大的驱动电流，因此增加了一个Q1三极管与其构成达林顿驱动管，Q3为控制管，当DY引脚为低电平同时总开关K1闭合时电源部分才能正常供电。
DY为高电平时电机供电部分停止工作。
U4单独为两个减速电机和边刷提供5V电源，由于需要输出较大的电流，输入压降又比较大，因此在输入端加了一个分压电阻，降低U4上的电压，从而降低管耗。
U5为MCU和传感器电路提供稳定的5V工作电压。
在正常开机后连续保持输出。
电源电路如图2-2所示。
图2-2电源电路
2.2总控制电路
2.2.1STC89C52单片机简介
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
具有以下标准功能:
（1）8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KBEEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。
（2）另外STC89X52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。
（3）空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
（4）掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
（5）最高运作频率35Mhz，6T/12T可选。
（6）和atmel的对比STC89C52RC单片机:
8K字节程序存储空间;512字节数据存储空间;内带4K字节EEPROM存储空间;可直接使用串口下载;at89s52单片机:
8K字节程序存储空间;256字节数据存储空间;没有内带EEPROM存储空间;
引脚介绍：
1.主电源引脚VCC和VSS
电源VCC接+5V，VSS接地端，即公共参考地
2.时钟电路引脚XTAL1和XTAL2
STC89C52芯片内部设置了一个反相放大器，XTAL1为放大器输入端；XTAL2为放大器的输出端，也是内部时钟发生器的输入端。
使用自激震荡方式时，XTAL1和XTAL2外接石英晶振，内部振荡器按照晶振频率振荡，产生时钟信号。
3.控制信号引脚
（1）RST——复位输入。
当振荡器工作时，RST引脚出现两个机器周期以上高电平将是单片机复位。
（2）ALE/PROG——当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。
一般情况下，ALE仍以时钟振荡频率的1/6输出固定的脉冲信号，因此它可对外输出时钟或用于定时目的。
要注意的是：
每当访问外部数据存储器时将跳过一个ALE脉冲。
（一般不使用）
（3）PSEN——程序储存允许（PSEN）输出是外部程序存储器的读选通信号，当STC89C52由外部程序存储器取指令（或数据）时，每个机器周期两次PSEN有效，即输出两个脉冲，在此期间，当访问外部数据存储器，将跳过两次PSEN信号。
（4）EA/VPP——外部访问允许，欲使CPU仅访问外部程序存储器（地址为0000H-FFFFH），EA端必须保持低电平（接地）。
需注意的是：
如果加密位LB1被编程，复位时内部会锁存EA端状态。
如EA端为高电平（接Vcc端），CPU则执行内部程序存储器的指令。
FLASH存储器编程时，该引脚加上+12V的编程允许电源Vpp，当然这必须是该器件是使用12V编程电压Vpp。
（5）并行I/O口P0~P3端引脚
①P0口（P0.0~P0.7）8位漏极开关型双向I/O端口。
可以作为通用I/O口使用，但必须加上拉电阻。
②P1口（P1.0~P1.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口。
③P2口（P2.0~P2.7）内部带上拉电阻的8位准双向I/O端口。
④P3口（P3.0~P3.7）内部带上拉电阻的8位多功能双向I/O端口。
上面就是STC89C52单片机引脚的简单介绍，其它51系列家族的单片机8031、8051、89C51等引脚和89S51兼容，只是个别引脚功能定义不同。
如图2-3为51单片机的引脚分布图。
图2-351单片机引脚图
2.2.2总控制电路设计
（1）I/O口定义
①POO、P01、P02、P12、P13、P14为扫地机器人防撞信号输入引脚；
②P03、P04、P05为防跌落信号引脚；
③P10为电机电源控制型号（低电平有效）；
④P11、P12为电池电压检测信号输入引脚，P11为过放检测，P12为过充检测；
⑤P23、P24、P24、P26为充电时位置检测信号输入引脚；
⑥P34、P35、P35、P35为电机驱动信号，P34、P35控制左电机正反转，P35、P35控制左电机正反转；
⑦P20为两边刷电机控制信号；
⑧P21为吸尘器电机控制信号；
⑨P36、P37为晶振信号输入引脚
⑩REST引脚为复位信号输入引脚
（2）复位电路设计
51单片机高电平复位。
以当前使用较多的STC89系列单片机来说，在复位脚加高电平2个机器周期（即24个振荡周期）可使单片机复位。
复位后，主要特征是各IO口呈现高电平，程序计数器从零开始执行程序。
（3）复位方式
手动复位：
按钮按下，复位引脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。
上电复位：
上电后，电容电压不能突变，VCC通过复位电容给单片机复位脚施加高电平5V,同时,通过电阻向电容器反向充电，使复位脚电压逐渐降低。
经一定时间后复位脚变为0V,单片机开始工作。
本复位电路采用上电自动复位电路，电阻和电容的阻值根据时间常熟t=RC求出电阻和电容的阻值分别为10K与10uF。
复位电路如图2-4。
（4）I/O口电路设计
P0口是双向指的是它被用作地址/数据端口时，只有在这个时候，P0口才处于两个开关管推挽状态，当两个开关管都关闭时，才会出现高阻状态。
当P0口用于一般I/O口时，内部接VCC的那个开关管是与引脚（端口）脱离联系的，这个时候，只有拉地的那个开关管起作用，P0口作为输出，是必须外接上拉电阻的，不然就无法输出高电平。
因此在P0口上加上一个10K说的排阻。
I/0口如图2-4。
图2-4总控制电路
2.3防撞电路
防撞电路作为扫地机器人的眼睛，用于检测前方是否有障碍物，当前方有障碍物时,相应的探头所连接的电路会发出一个低电平信号给CPU,CPU做出相应的动作来控制两个轮子的电机，使机身始终不撞向障碍物。
当红外线对管前方无障碍时，红外线接收管上的阻值加大，此时R27上的电压低于基准电压，电压比较器反向输入端电压高于同向输入端，因此输出高电平。
当红外线对管处于有障碍时，红外线接收管上的阻值降低，此时R28上的电压高于
基准电压，电压比较器反向输入端电压低于同向输入端，因此输出低电平。
调节电位器R33、R35、R36、R7、R8、R9改变参考电压，可探测距离。
防撞电路如图2-5。
图2-5防撞电路
2.4电源充电电路
电池充电电路用于检测充电座的位置和充电提示。
当扫地机器人上的红外线接收头接收到充电座发出的红外信号后，向CPU发出信号,CPU控制电机，调节机身位置，进入充电区。
当扫地机器人与充电座连接后，会产生一个信号提示CPU以开始充电。
2.5驱动电路
电机驱动电路用于驱动两路减速电机的正反转、两路边刷和一个吸尘器风机。
2.5.1电机驱动电路设计
L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提高。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过750～800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5～2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。
L9110被广泛应用于玩具汽车电机驱动、步进电机驱动和开关功率管等电路上。
表2.1管脚定义
表2.2电气特性
表2.3逻辑关系
当Q3、Q4、Q5的基级接收到CPU的发出的高电平后，Q3、Q4、Q5饱和导通，边刷和吸尘器电机开始工作。
给低电平时，三极管所控制的电机就停止工作。
J4、J5接边刷电机，J6接吸尘器电机。
当1A与1B输入引脚为10时，电机正转，当输入为01时电机反转。
当输入为11或00时电机停止运行。
C5、C6为高频滤波电容，过滤掉电机工作时对芯片的干扰，提高系统稳定性。
J3接左轮电机，J7接右轮电机。
电机驱动电路如图2-6。
图2-6电机驱动电路
第三章PCB板的设计与制作
3.1PCB板的设计
Protel99SE是应用于Windows9X/2000/NT操作系统下的EDA设计软件，采用设计库管理模式，可以进行联网设计，具有很强的数据交换能力和开放性及3D模拟功能，是一个32位的设计软件，可以完成电路原理图设计，印制电路板设计和可编程逻辑器件设计等工作，可以设计32个信号层，16个电源--地层和16个机加工层[3]。
主电路板包含电源电路、电源充电电路、电机驱动电路和防撞电路（如图3-1）
图3-1主板电路
红外线充电位置检测电路如图3-2。
图3-2红外线检测电路
红外线充电检测电路图与光电对管电路如图3-3。
图3-3红外线检测头电路
3.2PCB板的制作
1、在覆铜板上画好电路，或把电路画在透明纸上
2、把需要拿掉的铜皮暴露出来，需要留在电路板的铜皮保护起来，去教学用品商店里买，有蚀刻用的感光膜和感光药水。
3、将处理好的覆铜板放在腐蚀溶液里，腐蚀时间按说明书。
4、冲洗、晾干。
第四章电路焊接
电路焊接依据从小到大，从低到高的原则进行焊接。
在焊接的时候每个焊点焊接时间应该在2~3秒之间，不得超过4秒，在焊接芯片的
时候应该增加一个IC坐，先焊IC坐在装IC,同时得用防静电烙铁，以防静电击穿芯片。
焊点要求圆润饱满，成倒锥型，无毛刺、虚焊、假焊。
第五章程序设计
5.1C语言与汇编语言的优缺点
C语言编属于高级语言，具有可移植性，能够结构化编程。
使用标准C语言的程序，几乎都可以不作改变移植到不同的微机平台上，对于嵌入式等的微控制芯片，属于标准C语言的部分也很少需要修改，而且程序很容易读懂。
C语言编写程序结构清晰，移植性好，容易维护和修改。
汇编语言针对不同的操作系统平台，不同的微控制器，指令都是完全不同的，即使指令相似，也不具有可移植性。
但是汇编语言是针对专门的控制器的，所以运行速度可以精确到一个指令周期。
汇编语言的程序读懂需要借助微控制器的指令手册以及各个寄存器的说明，所以很难读懂。
汇编语言编写代码实时性强，能够直接控制硬件的工作状态，但是不具有可移植性，维护和修改困难。
5.2系统程序设计
该扫地机器人选用C语言来进行编程。
由主要程序、防撞程序、自动充电程序等子程序构成。
5.2.1主程序
系统初始化后就执行主程序，进入主程序先执行电压检测程序，如发现电池电压不足，就执行充电寻找程序，找到充电座后执行充电程序，待电池充满后返回执行主程序。
再进行清扫程序，如发现前方有障碍物，则执行避障程序，避开障碍物后继续执行清扫程序。
程序流程图如图5-1。
图5-1主程序流程图
5.2.2防撞程序
防撞程序用于控制电机正反转从而确保机身不会撞到障碍物，从障碍物的旁边绕开,当探头1前方有障碍物时，机身右转100ms后返回壁障程序；探头2前方有障碍物时，机身右转100ms后返回壁障程序；当探头3前方有障碍物时，机身反转100ms后左转100ms壁障程序；当探头4前方有障碍物时，机身左转100ms后返回壁障程序；当探头5前方有障碍物时，机身左转100ms后返回壁障程序。
程序流程如图5-2。
图5-2防撞程序流程图
5.2.3充电寻找程序
当电池电压处于欠压时，扫地机器人关闭吸尘器与边刷的电机启用充电寻找程序，在红外线接收头没有收到充电座的红外发射信号时，执行防撞程序。
当接受到信号后立马执行充电寻找程序。
此时关闭防撞功能，充电座必须要放在放在没有障碍物的墙边。
程序流程图，如图5-3所示。
图5-3充电寻找程序流程图
第六章外壳制作
6.1有机玻璃
有机玻璃特性：
①高度透明性。
有机玻璃是目前最优良的高分子透明材料，透光率达到92％，比玻璃的透光度高。
称为人造小太阳的太阳灯的灯管是石英做的，这是因为石英能完全透过紫外线。
普通玻璃只能透过0.6％的紫外线，但有机玻璃却能透过73％。
②机械强度高。
有机玻璃的相对分子质量大约为200万，是长链的高分子化合物，而且形成分子的链很柔软，因此，有机玻璃的强度比较高，抗拉伸和抗冲击的能力比普通玻璃高7～18倍。
有一种经过加热和拉伸处理过的有机玻璃，其中的分子链段排列得非常有次序，使材料的韧性有显著提高。
用钉子钉进这种有机玻璃，即使钉子穿透了，有机玻璃上也不产生裂纹。
这种有机玻璃被子弹击穿后同样不会破成碎片。
因此，拉伸处理的有机玻璃可用作防弹玻璃，也用作军用飞机上的座舱盖。
③重量轻。
有机玻璃的密度为1.18kg/dm3，同样大小的材料，其重量只有普通玻璃的一半，金属铝（属于轻金属）的43％。
④易于加工。
有机玻璃不但能用车床进行切削，钻床进行钻孔，而且能用丙酮、氯仿等粘结成各种形状的器具，也能用吹塑、注射、挤出等塑料成型的方法加工成大到飞机座舱盖，小到假牙和牙托等形形色色的制品。
6.2底板
先在30x30cm的有机玻璃上画一个直径为30cm的圆圈，钢丝锯选用最细的锯条，沿着圆圈边缘线慢慢切割，最终切割出一个圆盘。
用打磨机将圆盘的外圈打磨至圆润光滑。
6.3边框
将有机玻璃板切成四条的长方形，并进行拼接，制成长条。
将热风枪温度调制200度左右，均匀给有机玻璃加热，使其变软，变软后，将其弯成一个圆环。
制作好圆环后用有机玻璃专用的胶水粘合到底板上。
6.4置灰盒
储灰盒底层由三层构成，地面一层为有机玻璃，上面分布着3排的洞，每排6个。
中间一层为过滤网，顶层为四条有机玻璃粘合在边缘，起固定作用。
进灰口设计为45度角，这样做的好处为，灰进去后不会随机器的震动而洒出来。
外形为长方体。
第七章整机调试
经过电路设计、PCB的制作、电路调试、软件编程、外壳制作、整机调试等步骤后最终完成的设计。
7.1存在的问题与解决办法
由于我们使用的是红外线接收头，太阳光中的红外线对红外线探头有着非常大的影响。
在进行防撞测试时正好是中午，阳光充足，因此单片机无法做出正确的判断，拉下窗帘后问题解决。
当扫地机进入充电区域后，无法正确的执行程序所编写的要求，始终保持在前进的状态。
出现这种问题有两种的可能，一种硬件电路出现问题另一种是有子程序没有执行。
经拆机后发现充电信号线没有接入到主板上，连接上后，开机测试，问题解决。
7.2系统缺陷
7.2.1传感器缺陷
由于缺少适合的传感器，所有探头都采用红外线探头，因此光线对其存在严重干扰。
因此该机器人不能在阳光直射的地方运行。
7.2.2吸尘器功率缺陷
由于吸尘器电机最大功率只有2.5W,因此在吸尘的时候存在较大的缺陷，对于比较大的污物来说，洗除干净比较困难。
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