掃地機(jī)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)-本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書掃地機(jī)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)THE DESIGN OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE DATA CONTROL SYSTEM學(xué)院（部）： 電氣與信息工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 電氣# 學(xué)生姓名： # 指導(dǎo)教師： # 年 月 日掃地機(jī)的數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要自動(dòng)掃地機(jī)屬于服務(wù)機(jī)器人的一種，隨著社會(huì)的發(fā)展需要，服務(wù)機(jī)器人已經(jīng)滲透了我們的生活、工作和經(jīng)濟(jì)方面，并且起到了很大的作用。世界各國尤其是西方發(fā)達(dá)國家都在致力于研究開發(fā)和廣泛使用自動(dòng)掃地機(jī)。盡管目前國內(nèi)外在這方面的研究開發(fā)方面已經(jīng)取得一定的成果，但是仍有許多關(guān)鍵技術(shù)問題需要解決或提高，如路徑規(guī)劃就是其中的一個(gè)比較重

2、要的技術(shù)。本文介紹一種基于MC9S12DG128單片機(jī)的自動(dòng)掃地機(jī)數(shù)據(jù)控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高功能完備，包括信息采集模塊、控制模塊、清掃模塊、運(yùn)動(dòng)模塊。由碰撞傳感器、紅外測距傳感器等來探測周圍的環(huán)境，由紅外接收頭實(shí)現(xiàn)無線手動(dòng)遙控功能，由直流電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪旋轉(zhuǎn)，采用改進(jìn)的“井”字形路徑遍歷法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)證明了設(shè)計(jì)的可靠性，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掃地機(jī)的自動(dòng)清潔行走。關(guān)鍵詞：自動(dòng)掃地機(jī)，單片機(jī)，紅外遙控，自動(dòng)行走THE DESIGN OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE DATA CONTROL SYSTEM ABSTRACTAutomatic sweeping machine is

3、one part of the serving robot. With the development of society, the serving robot has infiltrated our lives, work and the economy, and has played a significant role. Automatic sweeping is being researched and developed in the countries all over the world, and which is being used widely in the west d

4、eveloped countries. Despite the current areas of research and development at home and abroad in this aspect has made certain achievements, there are still many key technical problems need to be solved or improved. For example, path planning is one of the important technical. This paper presents the

5、system integration and overview of autonomous cleaning robot which is based on MC9S12DG128 singlechip. The real time characteristic and function of the system are in good condition. The system consists four segments: information collection module, the decision module, cleaning module, motion control

6、 module. Several sensors such as collision sensor, infrared distance sensors detect the surrounding obstacles while cleaning. The realization of wireless remote manual control function is composed of an infrared receiving head. Two driven wheels are driven by two DC motors combining. It adopts the i

7、mproved 井 - shaped path traversal method. Experiments show that the control system run well and the robot have the ability to clean the floor automatically. KEYWARDS：automatic sweeping machine, singlechip, infrared remote control, automatic move目錄摘要IABSTRACTII1 緒論11.1 概述11.2選題依據(jù)和意義11.3 國內(nèi)外自動(dòng)掃地機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀

8、22 MC9S12DG128單片機(jī)簡介42.1前言42.2引腳說明42.3 操作模式72.4 本系統(tǒng)中的MC9S12DG128單片機(jī)73 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)93.1自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)組成93.1.1信息采集模塊93.1.2控制模塊93.1.3運(yùn)動(dòng)模塊103.1.4 清掃模塊103.2 自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)103.2.1自動(dòng)掃地機(jī)功能設(shè)計(jì)103.2.2自動(dòng)掃地機(jī)硬件框架113.2.3自動(dòng)掃地機(jī)軟件框架123.2.4自動(dòng)掃地機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)133.3電機(jī)和電池選型133.3.1電機(jī)選型133.3.2電池選型144系統(tǒng)硬件電路和軟件流程164.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)164.1.1自動(dòng)掃地機(jī)本體設(shè)計(jì)164.1.2傳感器配置

9、與安裝164.1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)164.2硬件電路設(shè)計(jì)174.2.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)174.2.2子板設(shè)計(jì)184.2.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)184.2.4看門狗電路設(shè)計(jì)194.2.5電源模塊設(shè)計(jì)194.2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)214.2.7信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì)224.2.8視覺模塊設(shè)計(jì)244.2.9遙控模塊設(shè)計(jì)254.2.10 LCD顯示模塊設(shè)計(jì)264.2.11自動(dòng)充電系統(tǒng)設(shè)計(jì)274.3軟件流程設(shè)計(jì)304.3.1主程序流程304.3.2路徑規(guī)劃概述314.3.3自動(dòng)充電流程334.3.4視覺導(dǎo)引研究335結(jié)束語36參考文獻(xiàn)371 緒論1.1 概述自動(dòng)掃地機(jī)小巧輕便，操作簡單，有很好的實(shí)用性，它自帶電源，

10、對(duì)工作環(huán)境適應(yīng)性好。它的任務(wù)是清潔房間地面，主要處理地面的灰塵，對(duì)大尺寸的物體不進(jìn)行處理，它對(duì)家具和人都是安全的，且具備一定得自我保護(hù)能力。自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)一般包括四部分：信息采集模塊、控制模塊、清掃模塊、運(yùn)動(dòng)模塊。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、人工智能技術(shù)、傳感器技術(shù)、移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的飛速發(fā)展，為自動(dòng)掃地機(jī)的控制模塊的研究和開發(fā)打下堅(jiān)實(shí)的理論與技術(shù)基礎(chǔ)以及美好的未來發(fā)展藍(lán)圖；信息采集模塊依賴于傳感器技術(shù)，一般常用的傳感器有：CCD攝像機(jī)、紅外測距傳感器、重力傳感器、碰撞傳感器等，采集外部的環(huán)境信息；運(yùn)動(dòng)模塊是自動(dòng)掃地機(jī)的本體，一般的結(jié)構(gòu)有：輪式、履帶式、步進(jìn)式或其他方式，輪式和履帶式適合移動(dòng)在平整

11、的地面上，步進(jìn)式適合與條件較差的路面移動(dòng)；清掃模塊一般有：邊刷、地刷和吸塵器，邊刷和地刷用于強(qiáng)力清掃地板上的吸附物，吸塵器吸取地板上較小的物體。近年來快速發(fā)展、深刻影響著自動(dòng)掃地機(jī)進(jìn)步的關(guān)鍵技術(shù)有：路徑規(guī)劃技術(shù)、傳感器技術(shù)、吸塵技術(shù)、控制技術(shù)、電源技術(shù)等。1.2選題依據(jù)和意義在人類不斷發(fā)展的文明中，科技扮演的角色越來越重要。尤其在當(dāng)今世界，科學(xué)技術(shù)使人類的生活和思維方式不斷變革，科技產(chǎn)品已深入到人類生活的個(gè)個(gè)角落。在控制、感知、驅(qū)動(dòng)、材料等領(lǐng)域不斷進(jìn)步的技術(shù)背景下，機(jī)器人首次出現(xiàn)在制造領(lǐng)域之外的服務(wù)領(lǐng)域，開辟了應(yīng)用機(jī)器人的新領(lǐng)域。服務(wù)機(jī)器人的出現(xiàn)有著深刻的社會(huì)因素，主要有三大原因：（1）、勞動(dòng)

12、力成本上升；（2）、人類想擺脫枯燥乏味的體力勞動(dòng)，像清潔、家務(wù)、照顧病人等；（3）、人口的老齡化和社會(huì)福利制度的日益完善。服務(wù)機(jī)器人有著比較明顯的特征：適合具體的方式、環(huán)境以及任務(wù)過程的一個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)，活動(dòng)范圍廣，非結(jié)構(gòu)環(huán)境下移動(dòng)性，所以大多數(shù)機(jī)器人是移動(dòng)機(jī)器人。自動(dòng)掃地機(jī)是一種能夠自動(dòng)執(zhí)行房間清掃的家用服務(wù)機(jī)器人，集中了機(jī)械學(xué)、電子技術(shù)、傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、控制技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、人工智能技術(shù)等多學(xué)科。開始于20世紀(jì)80年代的研究，現(xiàn)在已經(jīng)有多重樣機(jī)和產(chǎn)品，并且促進(jìn)了家庭服務(wù)機(jī)器人行業(yè)的發(fā)展，也促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)、圖像、語音識(shí)別、傳感器等技術(shù)的發(fā)展。許多發(fā)達(dá)國家都將其視為機(jī)器人研究的新領(lǐng)

13、域給予重視。有關(guān)資料也預(yù)測自動(dòng)掃地機(jī)是未來幾年需求量最大的服務(wù)機(jī)器人，特別是日用清潔電器不論在市場上或者是在產(chǎn)品創(chuàng)新上，絕對(duì)是所有小家電產(chǎn)品中最活躍的，未來仍有很大的成長空間。1.3 國內(nèi)外自動(dòng)掃地機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀哈爾濱工業(yè)大學(xué)在此領(lǐng)域的探索工作開始于90年代，前后負(fù)責(zé)國家863高科技計(jì)劃資助項(xiàng)目-高樓壁面清潔爬壁機(jī)器人的研究任務(wù)，完美的做完了樣機(jī)的研制工作。哈爾濱工業(yè)大學(xué)和香港中文大學(xué)聯(lián)合，開發(fā)一種全方位移動(dòng)自動(dòng)掃地機(jī)，安裝的萬向輪可任意方向移動(dòng)，開放式控制結(jié)構(gòu)，軟件可移植，硬件可拓展，時(shí)時(shí)避障功能，增強(qiáng)的自動(dòng)掃地機(jī)的環(huán)境適應(yīng)能力。1999年，浙江大學(xué)的機(jī)械電子研究所開始只能吸塵機(jī)器人的研發(fā)工作

14、。我國首臺(tái)低級(jí)智能自動(dòng)掃地機(jī)兩年以后成功問世。此類機(jī)器人執(zhí)行清掃，第一學(xué)習(xí)環(huán)境，也即是依靠超聲波傳感器檢測障礙物的距離，而且離墻壁有固定的一段距離，依據(jù)這些角落的清掃信息，計(jì)算房間的面積，根據(jù)這些信息計(jì)算清潔工作的時(shí)間，隨后，基于局部遍歷規(guī)劃與隨機(jī)規(guī)劃匯合的方法進(jìn)行計(jì)算最佳的移動(dòng)清潔路線，打掃工作完成后，也會(huì)進(jìn)行自主充電?！叭~蟲”吸塵機(jī)器人是瑞典家電公司伊萊克斯經(jīng)歷12年，向市場推出的世界首臺(tái)智能吸塵機(jī)器人。它被開啟后，首先會(huì)依著墻角進(jìn)行清掃工作，與此同時(shí)對(duì)清掃的房間進(jìn)行掃描獲取房間信息。機(jī)器人工作時(shí)，主要應(yīng)用的是隨機(jī)規(guī)劃模式，也就是工作中會(huì)使用超聲波傳感器探測行進(jìn)方向前方的障礙物，當(dāng)探測到

15、有障礙物時(shí)會(huì)自動(dòng)選擇躲避障礙物，然會(huì)自主選擇新的清掃路徑。工作過程中電量不足時(shí)，它會(huì)停止工作移動(dòng)到充電器進(jìn)行自動(dòng)充電，充電完畢后，會(huì)返回到原來中斷的清掃地點(diǎn)繼續(xù)清掃工作。為了避免機(jī)器人跑到危險(xiǎn)的區(qū)域，一般用磁條來限制機(jī)器人的移動(dòng)空間，保護(hù)機(jī)器人上的安全。“Roomba”是美國iRobot公司研發(fā)的家庭自動(dòng)掃地機(jī)。“Roomba”可以運(yùn)行三種模式：S模式，清掃大約34平方米，工作20分鐘；M模式，清掃大約67平方米，工作30分鐘；L模式，清掃大約8平方米以上，工作40分鐘。在設(shè)置清掃模式之后，“Roomba”會(huì)執(zhí)行螺旋清掃路線，通過碰撞探測障礙物。當(dāng)碰撞障礙物后，會(huì)順著障礙物前行，移動(dòng)一定距離后

16、，會(huì)自動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)90度，并不斷重復(fù)上面的過程。這樣循環(huán)的進(jìn)行，一直到清潔完成，然后停止工作。通過“虛擬墻”設(shè)置一個(gè)對(duì)機(jī)器人有阻隔作用的墻壁，控制機(jī)器人的活動(dòng)空間?！癛oomba”的環(huán)境適應(yīng)性比較強(qiáng)，能夠在家具的縫隙間自由移動(dòng)，動(dòng)作靈巧快捷?！癛oomba”的最大特點(diǎn)是吸塵構(gòu)造，不但有真空吸口，還有底部的旋轉(zhuǎn)滾刷以及側(cè)部的旋轉(zhuǎn)毛刷，這些都強(qiáng)化了清潔去污能力，補(bǔ)償了洗塵功率的不足。另外，還能夠檢測污垢情況，進(jìn)行多次的清掃工作。2003年5月日本的日立公司亮相的智能真空機(jī)器人，其身長直徑25cm，身高13cm，總重4kg，是世界上當(dāng)時(shí)最小的吸塵機(jī)器人。移動(dòng)最快速度是40cm/s，清掃面積是10平方米，大

17、約耗時(shí)10分鐘，障礙物假定是3個(gè)，通過遙控器或機(jī)身進(jìn)行操作。吸塵機(jī)器人裝有CCD相機(jī)，可以經(jīng)過手機(jī)連接家用電腦查看房間清潔情況。清掃工作結(jié)束后，自動(dòng)回到“充電/垃圾回收站”，補(bǔ)充能量并處理垃圾。在機(jī)身下部，裝有移動(dòng)伸縮的自由洗塵口，可深處5cm左右，當(dāng)移動(dòng)到一些角落或者狹窄區(qū)域時(shí)，可最大化清潔地面，不留任何死角。韓國Samsung公布的一種交新型吸塵機(jī)器人使用交新型3D地圖影射技術(shù)定位自身位置，操作者能夠連接任意電腦互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算機(jī)操作自己的自動(dòng)掃地機(jī)。機(jī)器人頂部安裝有攝像裝置用于時(shí)時(shí)檢查家庭清潔狀態(tài)。VC-RP30W配置有自動(dòng)充電設(shè)備，機(jī)器人清掃過程中電壓不足時(shí)會(huì)自我檢測到，及時(shí)的進(jìn)行充電，結(jié)束

18、充電后，會(huì)繼續(xù)進(jìn)行前面的清掃工作。整個(gè)清掃工作結(jié)束后，該機(jī)器人會(huì)釋放負(fù)離子，凈化空氣，充當(dāng)空氣清新機(jī)的功能。2 MC9S12DG128單片機(jī)簡介2.1前言本系統(tǒng)采用Freescale HCS12系列的MC9S12DG128單片機(jī)作為核心控制芯片。MC9S12DG128是一個(gè)以16位中央處理器為核心的16位單片機(jī)，128K的字節(jié)的Flash EEPROM存儲(chǔ)器，8K字節(jié)的RAM，2K字節(jié)的EEPROM，兩個(gè)異步串行通信接口（SCI），兩個(gè)串行外圍接口（SPI），兩個(gè)8通道模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC），1個(gè)8通道脈寬調(diào)制模塊，兩個(gè)兼容CAN2.0A/B協(xié)議的控制器，1個(gè)Byteflight模塊和內(nèi)部集

19、成電路總線。2.2引腳說明圖2-1 MC9S12DG128單片機(jī)112引腳圖 MC9S12DG128單片機(jī)有80引腳和112引腳兩種封裝形式，本系統(tǒng)采用112引腳，其引腳圖如圖2-1。EXTAL，XTAL：振蕩器引腳，晶振電路或外部時(shí)鐘引腳。EXTAL、XTAL分別是振蕩器的輸入和輸出引腳。RESET：外部復(fù)位引腳，高電平有效，為雙向控制信號(hào)。當(dāng)輸入高電平有效時(shí)，將單片機(jī)初始化成默認(rèn)狀態(tài)；單片機(jī)內(nèi)部功能引起復(fù)位時(shí)，可作為輸出信號(hào)。TEST：測試引腳，僅有輸入功能，專為測試預(yù)留。測試引腳在所有應(yīng)用中必須和VSS連一起用。PA7-0/ADDR15-8/DATA15-8：通用輸入引腳；在單片機(jī)擴(kuò)展操

20、作模式中，這些引腳可作為數(shù)據(jù)總線。PB7-0/ADDR7-0/DATA7-0：通用輸入引腳；在單片機(jī)擴(kuò)展操作模式中，這些引腳可作為數(shù)據(jù)總線。PH7-4/KWH7-4：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式。PH3/KWH3/ ：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為SPI1的從選擇端。PH2/KWH2/SCK1：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為SPI1的時(shí)鐘引腳SCK。PH1/KWH1/MOSI1：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)

21、，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為SPI1的主模式的輸出（MO）引腳，或者從模式的輸入（SI）引腳，即配置為MOSI。PH0/KWH0/MISO1：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為SPI1的主模式的輸入（MI）引腳，或者從模式的輸出（SO）引腳，即配置為MISO。PJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL/TXCAN0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為CAN0或CAN4的數(shù)據(jù)接收引腳；還可以配置為C模塊的串行時(shí)鐘引腳SCL。PJ6/KWJ6/RXCAN4/S

22、DA/RXCAN0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為中斷輸入信號(hào)，該中斷使單片機(jī)退出停止或等待模式；同時(shí)也可以配置為CAN0或CAN4的數(shù)據(jù)接收引腳；還可以配置為C模塊的串行數(shù)據(jù)引腳SDA。PK5-0/XADDR19-14：通用輸入或輸出引腳；在單片機(jī)擴(kuò)展操作模式中，當(dāng)配置單片機(jī)擴(kuò)展操作模式時(shí)，這些引腳作為外部總線提供擴(kuò)展地址XADDR19-14。PM7/BF_PSLM/TXCAN4：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的BF_PSLM信號(hào)，也可以配置為CAN4的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳。PM6/BF_PERR/RXCAN4：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的BF_P

23、ERR信號(hào)，表示通信中信息格式錯(cuò)誤或者非法脈沖信號(hào)；也可以配置為CAN4的數(shù)據(jù)接收引腳。PM5/BF_PROK/TXCAN0/TXCAN4/SCK0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的BF_PROK信號(hào)，接收數(shù)據(jù)正確，該引腳輸出脈沖信號(hào)；也可以配置為CAN4或CAN0的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；還可以配置為SPI0的串行時(shí)鐘信號(hào)SCK0。PM4/BF_PSYN/RXCAN0/RXCAN4/MOSI0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的BF_PSYN信號(hào)，也可以配置為CAN4或CAN0的數(shù)據(jù)接收引腳；還可以配置為SPI0的主模式的輸出引腳，或者從模式的輸入引腳，即

24、配置為MOSI。PM3/TX_BF/TXCAN1/TXCAN0/：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的TX_BF信號(hào)，即數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；也可以配置為CAN1或CAN0的數(shù)據(jù)發(fā)送引腳；還可以配置為SPI0的從模式選擇引腳。PM2/RX_BF/RXCAN1/RXCAN0/MISO0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為Byteflight模塊的RX_BF信號(hào)，即數(shù)據(jù)接收引腳；也可以配置為CAN1或CAN0的數(shù)據(jù)接收引腳；還可以配置為SPI0的主模式的輸入引腳，或者從模式的輸出引腳，即配置為MISO。PM1/TXCAN0/TXB：通用輸入或輸出引腳；也可以作為CAN0的發(fā)送引腳；也可以作

25、為BDLC的傳輸引腳TXB。PM0/RXCAN0/RXB：通用輸入或輸出引腳；也可以作為CAN0的接收引腳；也可以作為BDLC的接收引腳RXB。PP7-4/KWP7-4/PWM7-4：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的74通道的輸出。PP3/KWP3/PWM3/SS1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的3通道的輸出。同時(shí)也可以配置為SPI1的從選擇端 。PP2/KWP2/PWM2/SCK1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的2通道的輸出。同

26、時(shí)也可以配置為SPI1的時(shí)鐘引腳SCK1。PP1/KWP1/PWM1/MOSI1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的1通道的輸出；還可以配置為SPI1的主模式的輸出（MO）引腳，或者從模式的輸入（SI）引腳，即配置為MOSI。PP0/KWP0/PWM0/MISO1：通用輸入或輸出引腳；可用于產(chǎn)生一個(gè)使單片機(jī)退出停止或等待模式的中斷；也可以作為PWM的0通道的輸出；還可以配置為SPI1的主模式的輸入（SI）引腳，或者從模式的輸出（MO）引腳，即配置為MISO。PS7/ ：通用輸入或輸出引腳；可以配置為SPI0的從選擇端。PS6/SCK0：通用輸

27、入或輸出引腳；以配置為SPI0的時(shí)鐘引腳SCK。PS5/MOSI0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為SPI0的主模式的輸出（MO）引腳，或者從模式的輸入（SI）引腳，即配置為MOSI。PS4/MISO0：通用輸入或輸出引腳；可以配置為SPI0的主模式的輸入（SI）引腳，或者從模式的輸出（MO）引腳，即配置為MOSI。PS3/TXD1：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口1的發(fā)送引腳。PS2/RXD1：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口1的接收引腳。PS1/TXD0：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口0的發(fā)送引腳。PS0/RXD0：通用輸入或輸出引腳；可作為串行通信接口0的接收引腳。2.

28、3 操作模式MC9S12DG128有八種操作模式。在復(fù)位信號(hào)的上升沿，MODC，MODB，和MODA引腳上的數(shù)據(jù)鎖進(jìn)MODE寄存器的相應(yīng)位，用來決定操作模式，如表2-1所列。MODE寄存器的MODC，MODB，和MODA位在運(yùn)行期間指示當(dāng)前操作模式。在復(fù)位信號(hào)的上升沿，ROMCTL引腳數(shù)據(jù)鎖存，送入MISC寄存器中的ROMON位，ROMON位決定內(nèi)部Flash在內(nèi)存映像中是否可見。ROMON=1說明Flash在內(nèi)存映像中可見。表2-1 操作模式選擇BKGD=MODCPE6=MODBPE5=MODAPK7=ROMCTLROMONBIT模式簡介000-1特殊單片模式，BDM有效00101仿真擴(kuò)展窄

29、模式，BDM有效10010-0特殊測試模式，BDM有效01101仿真擴(kuò)展寬模式，BDM有效10100-1普通單片模式，BDM有效10100普通擴(kuò)展窄模式，BDM有效11110-1特殊設(shè)備模式，BDM有效；但是如果進(jìn)行總線操作，講引起總線沖突，所以一定不能使用總線11100普通擴(kuò)展寬模式112.4 本系統(tǒng)中的MC9S12DG128單片機(jī) MC9S12DG128有8路PWM輸出，本系統(tǒng)利用PWM輸出來控制兩輪轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)差速控制；豐富的數(shù)字I/O口可以接碰撞傳感器、紅外避障傳感器等，可編程的上升沿或下降沿觸發(fā)可用來檢測樓梯，另外它的定時(shí)器功能可以精確進(jìn)行定時(shí)中斷，為自動(dòng)掃地機(jī)提供精確周期來完成采集信

30、號(hào)、決策、行走等。 本系統(tǒng)涉及的MC9S12DG128MPV的I/O口包括PA，PB，PK，PM，PS，PH，PWM口，其中PWM口用于電機(jī)控制，PA和PB口分別作為攝像頭和LCD的數(shù)據(jù)傳輸線，PK和PM作為數(shù)字I/O口接收數(shù)字傳感器的返回值，PS口復(fù)用了串行通信設(shè)備接口的功能，在本設(shè)計(jì)中用作無線串行接口，PH口復(fù)用了中斷功能，用作檢測樓梯傳感器返回值的接口。3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)組成信息采集模塊控制模塊運(yùn)動(dòng)模塊清掃模塊圖3-1 自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)典型組成示意圖自動(dòng)掃地機(jī)需要完成的任務(wù)是能夠在房間中自動(dòng)清潔地面。工作時(shí)，利用各種傳感器測得環(huán)境信息，并做出決策，實(shí)現(xiàn)邊行走邊打掃，完成預(yù)

31、定的任務(wù)。典型的自動(dòng)掃地機(jī)主要由以下幾個(gè)模塊組成： (1)信息采集模塊 (2)控制模塊 (3)運(yùn)動(dòng)模塊 (4)清掃模塊這四個(gè)部分構(gòu)成了完整的自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)，如圖3-1所示。信息采集模塊返回當(dāng)前自動(dòng)掃地機(jī)的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信息送給控制模塊進(jìn)行決策，控制運(yùn)動(dòng)模塊，使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎或者后退等，在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的同時(shí)讓清掃模塊進(jìn)行清掃，完成打掃地面的任務(wù)。3.1.1信息采集模塊 自動(dòng)掃地機(jī)在工作時(shí)需要實(shí)時(shí)檢測自身狀態(tài)信息和收集外界環(huán)境信息，以控制自身狀態(tài)，進(jìn)行路徑規(guī)劃，同時(shí)判斷電池電量是否不足并自動(dòng)充電等。 根據(jù)自動(dòng)掃地機(jī)的工作需要，自動(dòng)掃地機(jī)傳感器的選擇有以下要求：質(zhì)量

32、輕、體積小、安裝方便可靠；精度好；穩(wěn)定性好、可靠性高；抗干擾能力強(qiáng)；經(jīng)濟(jì)性好。3.1.2控制模塊 這個(gè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心所在，相當(dāng)于人的“大腦”?？刂颇K接收信息采集模塊傳送過來的環(huán)境信息，進(jìn)行相應(yīng)的分析判斷，做出最佳的決策，再將做出的運(yùn)動(dòng)決策傳送給運(yùn)動(dòng)模塊，保證機(jī)器人執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。本設(shè)計(jì)的控制模塊是16位的MC9S12DG128單片機(jī)，隨著功能和要求的提高，并逐漸向32位處理器發(fā)展。3.1.3運(yùn)動(dòng)模塊 這個(gè)模塊是機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的核心部分，其性能直接關(guān)系到整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)能力。它的功能就是根據(jù)控制模塊的指令，使機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作，這個(gè)模塊設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于控制電機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)和控制方

33、法的設(shè)計(jì)。3.1.4 清掃模塊 清掃模塊的功能是在自動(dòng)掃地機(jī)行走的同時(shí)完成清掃的工作，一般只需完成吸塵功能，這時(shí)需要設(shè)計(jì)一個(gè)小型吸塵器裝在機(jī)器人上，也有一些自動(dòng)掃地機(jī)設(shè)計(jì)成既可吸塵又可擦地，需要擦地時(shí)可在機(jī)器人底部放上棉布。3.2 自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.2.1自動(dòng)掃地機(jī)功能設(shè)計(jì) 本文要研制一臺(tái)結(jié)構(gòu)小巧靈活，便于操作，能夠自動(dòng)避障且路徑規(guī)劃智能度較高的自動(dòng)掃地機(jī)。除了一般自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)的典型組成部分之外，還要有良好的人機(jī)接口，如紅外遙控、LCD顯示等。詳細(xì)的功能如下： (1)自動(dòng)避障 自動(dòng)掃地機(jī)的任務(wù)是在室內(nèi)清潔地面，房間的環(huán)境信息對(duì)于機(jī)器人是未知的，在自動(dòng)掃地機(jī)移動(dòng)的過程中可能會(huì)碰撞到諸如

34、家具、寵物之類的物體，這時(shí)自動(dòng)掃地機(jī)需要感知前面碰撞到了物體；當(dāng)自動(dòng)掃地機(jī)被卡在了一個(gè)小空間內(nèi)時(shí)它要來回移動(dòng)找到出口，這時(shí)它需要感知前后左右各方面的碰撞信息?；诖祟惪紤]，本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃地機(jī)采用4個(gè)碰撞傳感器，分別安裝在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后方。 (2)全區(qū)域遍歷清潔 這是自動(dòng)掃地機(jī)最核心最重要的功能，全區(qū)域遍歷時(shí)間越少覆蓋率越高越好，目前常見的幾種全區(qū)域遍歷方法有：“井”字形遍歷法、內(nèi)螺旋遍歷法、外螺旋遍歷法、隨機(jī)遍歷法。本文采用改進(jìn)的“井”字形遍歷法，采用紅外測距傳感器，分別裝在機(jī)器人的右前、右后、正前方。 (3)樓梯檢測 自動(dòng)掃地機(jī)可以檢測樓梯或者自身正處于高處，進(jìn)行相應(yīng)的后退

35、或者轉(zhuǎn)彎，以免跌落損壞。本文采用紅外避障傳感器，分別裝在兩個(gè)輪子的前方，向下檢測距離，如果比預(yù)定的距離大則認(rèn)為己處在樓梯邊沿，進(jìn)行后退。 (4)自動(dòng)充電 自動(dòng)掃地機(jī)采用電池作為系統(tǒng)電源，如果打掃的房間過大，在打掃過程中可能電池欠壓，這時(shí)它需要自己找到充電器進(jìn)行充電。首先，它要判斷電池是否欠壓，如果是則關(guān)掉微型吸塵器，節(jié)約電量，然后根據(jù)自動(dòng)尋找充電器的流程找到充電器。本文采用HT7033作為電壓檢測傳感器，兩個(gè)一體化紅外接收頭來尋找充電器。 (5)遠(yuǎn)程遙控 自動(dòng)掃地機(jī)可以自主清潔，如果對(duì)它的清潔效果不滿意，還可以利用遠(yuǎn)程遙控，讓它著重在某一處進(jìn)行打掃。 (6)自身狀態(tài)顯示 自動(dòng)掃地機(jī)在打掃或者充

36、電時(shí)，可以把自身狀態(tài)顯示在LCD上，良好的界面可以更方便使用。 (7)視覺處理接口 方便研究機(jī)器視覺在自動(dòng)掃地機(jī)中的應(yīng)用。 (8)移動(dòng)靈活，結(jié)構(gòu)小巧 自動(dòng)掃地機(jī)需要鉆到家具下面打掃，這就要求機(jī)器人的高度不能太高，有時(shí)機(jī)器人需要原地轉(zhuǎn)圈，這就要求它的機(jī)械結(jié)構(gòu)要靈活。本文采用兩輪差速控制，前后各裝一個(gè)萬向輪支撐，可以達(dá)到原地轉(zhuǎn)彎的要求。3.2.2自動(dòng)掃地機(jī)硬件框架圖3-2本設(shè)計(jì)中清潔機(jī)器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 根據(jù)系統(tǒng)功能要求，本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)硬件主要由以下幾個(gè)部分組成：控制模塊、運(yùn)動(dòng)模塊、清掃模塊、信息采集模塊、紅外遙控模塊和LCD顯示模塊，如圖3-2所示。 (1)信息采集模塊：包括碰撞傳感器、紅外接收頭、

37、紅外避障傳感器、視覺傳感器，根據(jù)這些信息，自動(dòng)掃地機(jī)進(jìn)行路徑規(guī)劃和自動(dòng)充電。 (2)紅外遙控模塊：通過電腦給自動(dòng)掃地機(jī)發(fā)送指令，機(jī)器人通過無線接收模塊接收信息，根據(jù)信息采取相應(yīng)行動(dòng)。(3)運(yùn)動(dòng)模塊：采用MC33886作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，根據(jù)主芯片發(fā)出的PWM信號(hào)的占空比對(duì)控制電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。 (4)LCD顯示模塊：采用SYB12864K-ZK液晶顯示，及時(shí)反饋?zhàn)詣?dòng)掃地機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。 (5)清潔模塊：通過安裝微型吸塵器，完成吸塵功能，在電池電量低的時(shí)候關(guān)閉此微型吸塵器。 (6)控制模塊：負(fù)責(zé)分析各種傳感器返回的信息并對(duì)運(yùn)動(dòng)模塊做出決策。3.2.3自動(dòng)掃地機(jī)軟件框架初始化數(shù)據(jù)尋找充電器遍歷清掃充電完畢

38、開始是否有電結(jié)束圖3-3本設(shè)計(jì)中自動(dòng)掃地機(jī)的軟件框圖否是自動(dòng)掃地機(jī)開始工作后，通過撥碼開關(guān)選擇人工遙控或者自主清掃，如果是自主清掃則首先檢查電池是否電量低，若電池電量低則運(yùn)行自動(dòng)充電程序，完成充電后，開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，工作過程中液晶顯示當(dāng)前機(jī)器人的工作狀態(tài)。檢測到樓梯是一個(gè)緊急情況，需要及時(shí)響應(yīng)，因此采用中斷服務(wù)子程序，在子程序中使機(jī)器人后退并轉(zhuǎn)彎。整個(gè)系統(tǒng)軟件框架如圖3-3所示，其中遍歷清掃包括了全區(qū)域路徑覆蓋、自動(dòng)避障和運(yùn)動(dòng)控制幾個(gè)部分。3.2.4自動(dòng)掃地機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)側(cè)面四個(gè)紅外測距傳感器下面兩個(gè)紅外測距傳感器，檢測樓梯兩個(gè)輪子側(cè)面四個(gè)碰撞傳感器兩個(gè)紅外接收頭圖3-4清潔機(jī)

39、器人機(jī)械結(jié)構(gòu)圖為了使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎更靈活，選擇使用圓形底盤，如圖3-4所示，兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪位于機(jī)器人的中間部位，以達(dá)到零轉(zhuǎn)彎半徑，即原地轉(zhuǎn)彎。根據(jù)系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)，四個(gè)碰撞傳感器分別放在機(jī)器人的左前、左后、右前、右后方，兩個(gè)向下測距的紅外傳感器放在輪子的前方用來檢測樓梯，側(cè)面的四個(gè)紅外測距傳感器用來路徑規(guī)劃，而兩個(gè)紅外接收頭放在機(jī)器人的正前方，二者中間有一個(gè)擋板，這兩個(gè)接收頭用來尋找充電器。3.3電機(jī)和電池選型3.3.1電機(jī)選型 一般微電機(jī)有直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種選擇，步進(jìn)電機(jī)和直流電機(jī)的主要區(qū)別在于它們的驅(qū)動(dòng)方式。步進(jìn)電機(jī)是以步階方式分段移動(dòng)，直流電機(jī)通常則采用連續(xù)移動(dòng)的模擬控制方式。由于步進(jìn)電機(jī)采用步

40、階移動(dòng)，所以特別適合絕對(duì)尋址應(yīng)用，目前市場上常見的步進(jìn)電機(jī)己能提供每一步1.8或0.9的精確移動(dòng)能力。步進(jìn)電機(jī)采用直接控制方式，它的主要命令和控制變量都是步階位置；而直流電機(jī)則是以電機(jī)電壓做為控制變量，以位置或速度做為命令變量。直流電機(jī)需要反饋控制系統(tǒng)，它會(huì)以間接方式控制電機(jī)位置，步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)多半則是以開環(huán)方式進(jìn)行操作。直流電機(jī)結(jié)構(gòu)較步進(jìn)電機(jī)復(fù)雜，但調(diào)速性能優(yōu)良，調(diào)速方便、平滑范圍廣。本系統(tǒng)采用Faulhaber的2342系列有刷直流電機(jī)，型號(hào)為2342-012CR，額定電壓是12V，減速比為1：64。電機(jī)的詳細(xì)參數(shù)見表3-1。表3-1 電機(jī)參數(shù)1輸出功率W172額定電壓V123空載轉(zhuǎn)速rpm

41、81004堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩mNm805轉(zhuǎn)速/轉(zhuǎn)矩斜率rpm/mNm1016空載電流mA757堵轉(zhuǎn)電流A1.48電樞電阻1.99最大效率%8010轉(zhuǎn)矩常數(shù)mNm/A13.411速度常數(shù)rpm/V71312機(jī)械時(shí)間常數(shù)ms613轉(zhuǎn)子慣量gcm25.714轉(zhuǎn)子電感uH6515熱阻K/W3/153.3.2電池選型 電池的選擇是自動(dòng)掃地機(jī)設(shè)計(jì)的一個(gè)很重要的內(nèi)容，本系統(tǒng)的兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和微型吸塵器需同時(shí)工作，另外還要給控制系統(tǒng)供電，但受到機(jī)器人的尺寸限制，電源的體積不能太大。因此在選擇電池時(shí)，對(duì)容量、效能及體積等諸方面因素應(yīng)綜合考慮。 常見的充電電池有鎳氫電池、鎳鎬電池、鏗電池電池和電瓶。鎳福電池是較早出現(xiàn)的一種可

42、充電電池，單體電壓為1.2V，常見的有7號(hào)(AAA型)、5號(hào)(AA型)、1號(hào)、2號(hào)以及工業(yè)專用型號(hào)，優(yōu)點(diǎn)是自放電率較鎳氫電池低、內(nèi)阻小、價(jià)格相對(duì)便宜；缺點(diǎn)是容易產(chǎn)生記憶效應(yīng)。電池容量方面以使用最廣泛的5號(hào)(AA型)電池為例，單節(jié)電池的容量可以做到500mAh-850mAh，主流為600-700mAh的產(chǎn)品。 鎳氫電池是一種新型的高容量可充電電池，性能優(yōu)于鎳福電池，鎳氫電池的單體電壓1.2V，常見型號(hào)與鎳福電池相同。優(yōu)點(diǎn)是單體電池容量大、內(nèi)阻低、基本沒有記憶效應(yīng)；缺點(diǎn)是自放電率較高。電池容量方面同樣以使用最廣泛的5號(hào)(AA型)電池為例，單節(jié)電池的容量可達(dá)1000-1300mAh。 可充電的聚合物

43、鏗離子電池是目前比較先進(jìn)的電池，它具有能量密度高的特性，使鏗電池具備重量輕、體積小、容量大、無記憶效應(yīng)等優(yōu)點(diǎn)，單體電池容量為2.2Ah，單體電池電壓一般為3.7V。電瓶常見的有鉛酸電瓶和免維護(hù)電瓶，主要用在需要大容量電池的場合，不過一般電瓶體積比較大。 經(jīng)過綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用鏗電池，通過3串2并的方式組合成電池組，電壓范圍在9V-12.6V，容量為4.4Ah。4系統(tǒng)硬件電路和軟件流程4.1機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.1.1自動(dòng)掃地機(jī)本體設(shè)計(jì) 機(jī)器人本體的良好設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)其他各功能模塊的基礎(chǔ)。最常被采用的車體外形是圓形車體，具有運(yùn)動(dòng)靈活，控制簡單的優(yōu)點(diǎn)，因此本文設(shè)計(jì)的自動(dòng)掃地機(jī)采用圓形車體。 機(jī)器人在地面上

44、移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。本設(shè)計(jì)中自動(dòng)掃地機(jī)只需在室內(nèi)打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。 輪式移動(dòng)機(jī)器人的輪系一般有三輪、四輪和六輪等，由于四輪結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性好，承載能力較大，在本設(shè)計(jì)中采用四輪結(jié)構(gòu)，左右兩個(gè)輪子是驅(qū)動(dòng)輪，前后兩個(gè)萬向輪起支撐作用，在機(jī)器人的左、右輪上分別裝上兩個(gè)獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制左右輪的速度差來實(shí)現(xiàn)車體的轉(zhuǎn)向，控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)，可以方便地實(shí)現(xiàn)吸塵機(jī)器人的前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、后退，以及調(diào)頭等功能，并且自動(dòng)掃地機(jī)可以實(shí)現(xiàn)零轉(zhuǎn)彎半徑(即原地旋轉(zhuǎn))。4.1.2傳感器配置與安裝紅外避障傳感器、碰撞傳感器等需要安裝在底盤上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。

45、碰撞傳感器安裝在車體四周，它本身有兩個(gè)安裝孔，不需要額外的撐架，可直接用螺絲進(jìn)行固定。紅外避障傳感器直徑為18mm長45mm左右，外面旋鈕直徑26mm左右，通過上面的兩個(gè)大旋轉(zhuǎn)扣來固定該傳感器，因此需要自制一個(gè)零件使其可以夾在上面，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)L形配件把紅外避障傳感器固定在機(jī)器人底盤上，配件的一面固定該紅外避障傳感器，另一面通過兩個(gè)螺絲將該配件固定到底盤上。4.1.3運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)選用Faulhaber的有刷直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，將電機(jī)安裝在機(jī)器人底盤下面。該電機(jī)直徑30mm，長度85mm，出軸直徑6mm，出軸長度35mm，出軸周圍有三個(gè)直徑3mm的安裝孔。通過設(shè)計(jì)一個(gè)L型配件進(jìn)行

46、安裝，側(cè)面用于固定電機(jī)，底面固定在底盤上。驅(qū)動(dòng)輪需要固定在電機(jī)軸上，電機(jī)出軸直徑6mm，軸上有兩個(gè)垂直的橫截面，可以把輪子固定在上面，輪子直徑60mm，側(cè)面凸出部分上面有安裝孔，可以把輪子固定在電機(jī)軸上。4.2硬件電路設(shè)計(jì)4.2.1硬件電路總體結(jié)構(gòu)圖4-1 清潔機(jī)器人總體設(shè)計(jì)框圖根據(jù)自動(dòng)掃地機(jī)功能要求，自動(dòng)掃地機(jī)系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)框圖如圖4-1所示。其中，信號(hào)輸入部分主要包括信息采集模塊(碰撞傳感器、測距傳感器、攝像頭、紅外接收頭)、無線串行接口(紅外遙控接收模塊)、電壓檢測芯片。信息采集模塊要實(shí)現(xiàn)全區(qū)域路徑規(guī)劃、防止跌落和尋找充電器，其中防止跌落檢測是用來防止機(jī)器人從臺(tái)階或者高處跌落，對(duì)實(shí)時(shí)性

47、要求比較高，需要占用外部中斷端口。其它信號(hào)采用普通I/O口接收，采用定時(shí)查詢方式進(jìn)行信號(hào)處理即可。另外為了方便使用，還擴(kuò)展了紅外遙控模塊，可以手動(dòng)控制機(jī)器人的行走。 單片機(jī)根據(jù)所有的輸入信號(hào)，對(duì)微型吸塵器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、液晶顯示進(jìn)行控制，對(duì)微型吸塵器的控制信號(hào)來自單片機(jī)的普通I/O口，用三極管放大后再對(duì)微型吸塵器進(jìn)行開關(guān)控制。電機(jī)需要特定的驅(qū)動(dòng)芯片，單片機(jī)產(chǎn)生PWM波通過驅(qū)動(dòng)芯片來對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)與控制。為了創(chuàng)建友好的人機(jī)界面，還需要擴(kuò)展顯示模塊和一些狀態(tài)指示燈，方便了解機(jī)器人的運(yùn)行狀況，其中LCD采用并行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞健?機(jī)器人工作時(shí)，首先根據(jù)電壓檢測芯片的返回值判斷電池是否欠壓，如果欠壓則利用兩

48、個(gè)紅外接收頭尋找充電器并進(jìn)行充電，充好電后開始按照一定的路徑規(guī)劃方法進(jìn)行清掃，其中行走機(jī)構(gòu)采用閉環(huán)控制。四個(gè)碰撞傳感器用來實(shí)時(shí)避障，當(dāng)機(jī)器人任何一個(gè)方向碰到物體時(shí)反饋信息給單片機(jī)，以做出避障決策，紅外測距傳感器用來路徑規(guī)劃，液晶在機(jī)器人工作時(shí)顯示機(jī)器人的狀態(tài)。4.2.2子板設(shè)計(jì)MC9S12DG128單片機(jī)為整個(gè)控制系統(tǒng)核心。為了便于調(diào)試和功能擴(kuò)展，單片機(jī)的最小系統(tǒng)做成獨(dú)立的子板，其他模塊制成一塊電路板作為母板，子板通過插針、插座與母板連接。子板由以下幾個(gè)模塊構(gòu)成：電源部分，負(fù)責(zé)提供穩(wěn)定的5V電源；晶振電路，為系統(tǒng)提供時(shí)鐘；看門狗電路，實(shí)時(shí)監(jiān)測掃地機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，并設(shè)置手動(dòng)復(fù)位按鈕；LED狀態(tài)顯示，

49、調(diào)試子板時(shí)下載跑馬燈程序用。4.2.3時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)圖4-2有源晶振連接電路 時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設(shè)計(jì)不當(dāng)就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號(hào)對(duì)其他電路造成干擾，尤其是對(duì)模擬部分如AD轉(zhuǎn)換輸入信號(hào)的干擾；若晶振工作不正常，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)無法運(yùn)行。MC9S12系列單片機(jī)的時(shí)鐘輸入接口在其46(EXTAL)和47(XTAL)引腳上(112引腳封裝)，通常是接一個(gè)16M的晶振體。晶振和單片機(jī)引腳之間的連線盡量要短，這樣可以保證其工作的穩(wěn)定性和避免晶振的高頻信號(hào)過多的干擾周圍線路。晶振的下方和周圍盡量不要走線，尤其是對(duì)信號(hào)質(zhì)量要求高的器件的

50、線路。晶振的周圍和下面盡量用地線包圍和覆蓋，將晶振的噪聲阻擋起來，也防止其他干擾信號(hào)進(jìn)來。與無源晶振相比，有源晶振不需要單片機(jī)內(nèi)部起振電路，信號(hào)質(zhì)量好，比較穩(wěn)定，而且連接方式相對(duì)簡單(通常使用一個(gè)電容和電感構(gòu)成的PI型濾波網(wǎng)絡(luò)，輸出端用一個(gè)小阻值的電阻過濾信號(hào)即可)，不需要復(fù)雜的配置電路，本系統(tǒng)選用了16MHZ的有源晶振，封裝選用標(biāo)貼的，體積與無源晶振相當(dāng)，具體實(shí)現(xiàn)電路如圖4-2所示。另外根據(jù)時(shí)鐘模式選擇要求將PE7引腳進(jìn)行下拉。4.2.4看門狗電路設(shè)計(jì)圖4-3 看門狗接口電路單片機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)，由于干擾等各種因素的影響，有可能出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)無法正常工作，為了克服這一現(xiàn)象，除了充分

51、利用單片機(jī)本身的看門狗定時(shí)器外，還需外加看門狗電路。IMP813L是一體積小、功耗低、性價(jià)比高的帶看門狗和電源監(jiān)控功能的復(fù)位芯片；它使用簡單、方便，它所提供的復(fù)位信號(hào)為高電平，因而是應(yīng)用于復(fù)位信號(hào)為高電平場合的單片機(jī)系統(tǒng)的理想芯片。IMP813L的典型應(yīng)用電路如圖4-3所示。4.2.5電源模塊設(shè)計(jì)機(jī)器人系統(tǒng)要穩(wěn)定工作必須有強(qiáng)健的電源供給作為保障，強(qiáng)大的電源可以使系統(tǒng)在各種環(huán)境下長時(shí)間穩(wěn)定的工作，因此電源管理是整個(gè)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)中采用了電源隔離變換模塊，將系統(tǒng)電源分為功率和信號(hào)兩部分隔離輸出，即單片機(jī)最小系統(tǒng)、各傳感器接口、LCD模塊、無線串行模塊的電源由信號(hào)電源供應(yīng)；電機(jī)驅(qū)動(dòng)、電壓

52、檢測芯片、微型吸塵器的電源由功率電源供應(yīng)。圖4-4 5V電源模塊電源模塊需要向系統(tǒng)的其它各模塊提供三種電壓的電源供給，分別是12V，5V和3.3V，其中12V電源直接來自于電池組，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和微型吸塵器工作，電壓檢測芯片直接檢測總電源電壓，如果低于10V則輸出一個(gè)跳變信號(hào)給單片機(jī)，12V通過LM2576轉(zhuǎn)換成5V，給MC33886的FS和D2引腳供電，功率部分對(duì)應(yīng)的地是功率地。隔離5V負(fù)責(zé)給各種傳感器、LCD等供電，3.3V電源負(fù)責(zé)給隔離PWM模塊供電，這些控制部分的地是數(shù)字地。圖4-5 3.3V電源系統(tǒng)選用的電源芯片LM1117-330以及LM2576是兩款表現(xiàn)出色的電源芯片，具有較寬

53、的輸入電壓范圍、穩(wěn)定的輸出電流以及較小的發(fā)熱量，能夠很好的勝任本系統(tǒng)電源方案。5V電源模塊主要負(fù)責(zé)為單片機(jī)、傳感器模塊、LCD、攝像頭提供穩(wěn)定的電源，是電源系統(tǒng)中最重要的部分。系統(tǒng)中選用的LM2576芯片是一款在很多單片機(jī)系統(tǒng)中廣泛使用的性能優(yōu)秀的開關(guān)電源芯片，其輸入電壓最大可達(dá)45V，輸出電流可以達(dá)到3A，工作溫度范圍為-40到125。5V電源模塊的原理圖如圖4-4所示，其連接方法使用了LM2576使用手冊(cè)中的典型接法，3.3V電源模塊原理圖如圖4-5所示。4.2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊為自動(dòng)掃地機(jī)的行駛提供動(dòng)力，機(jī)器人啟動(dòng)、行駛和剎車時(shí)電機(jī)都會(huì)需要較大的驅(qū)動(dòng)電流，該模塊必須能夠提

54、供足夠的電流并保證發(fā)熱量不會(huì)太大。本系統(tǒng)選用了飛思卡爾公司的H橋驅(qū)動(dòng)芯片MC33886，該芯片采用20引腳貼片封裝，驅(qū)動(dòng)電壓范圍可以從5V到40V，最大輸出電流可達(dá)到6A。圖4-6 MC33886應(yīng)用示意圖該芯片包含內(nèi)部控制邏輯、電荷泵、門驅(qū)動(dòng)和低阻輸出，可用頻率最高可達(dá)l0KHz的PWM波調(diào)節(jié)輸出電壓，帶有欠壓、過流、過溫自動(dòng)保護(hù)功能，在輸入壓降過大、輸出電流過大或芯片溫度過高時(shí)能夠自動(dòng)切斷輸出，以保護(hù)電路不被損壞。芯片的FS引腳是錯(cuò)誤狀態(tài)標(biāo)志信號(hào)，當(dāng)芯片由于上述三種錯(cuò)誤狀態(tài)中的某種發(fā)生時(shí)該信號(hào)將變低，表示芯片進(jìn)入了保護(hù)狀態(tài)。此時(shí)，如果是欠壓狀態(tài)，當(dāng)欠壓狀況消除后芯片會(huì)自動(dòng)恢復(fù)輸出，而如果是

55、過流或過溫狀態(tài)，則需要通過單片機(jī)向MC33886芯片的Dl和D2引腳發(fā)送復(fù)位信號(hào)來恢復(fù)33886的輸出。MC33886的應(yīng)用示意圖如圖4-6所示。本系統(tǒng)采用兩輪差速控制，因此需要控制兩個(gè)電機(jī)，系統(tǒng)使用了四片MC33886，兩兩并聯(lián)來提高電流驅(qū)動(dòng)能力并減小單片MC33886的發(fā)熱。在具體的使用中，單片機(jī)的PWMO和PWM2口輸出PWM波到控制左輪的MC33886，PWM4和PWM6口輸出PWM波到控制右輪的MC33886，并使用PWM1，PWM3，PWM5作為備份，以增加可靠性。為了將控制部分和功率部分隔離開，所有的PWM信號(hào)都通過6N137進(jìn)行了隔圖4-7 隔離PWM信號(hào)離，隔離后的信號(hào)再送給

56、MC33886，如圖4-7所示，負(fù)責(zé)驅(qū)動(dòng)左輪的兩個(gè)MC33886并圖4-8 左輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖聯(lián)電路原理圖如圖4-8所示。4.2.7信號(hào)采集模塊設(shè)計(jì) 自動(dòng)掃地機(jī)必須知道自身位置，在特定位置或區(qū)域進(jìn)行特定的動(dòng)作，完成對(duì)房間的吸塵任務(wù)。它需要通過傳感器進(jìn)行障礙檢測，并將障礙物信息傳送給單片機(jī)，進(jìn)行決策，最終完成全區(qū)域路徑覆。障礙探測是指由各種傳感器組成的傳感器陣列對(duì)周圍未知環(huán)境進(jìn)行探測。整個(gè)傳感器陣列就像是自動(dòng)掃地機(jī)的“眼睛”，收集周圍未知環(huán)境的某些信息。自動(dòng)掃地機(jī)中的傳感器數(shù)量比較多，相關(guān)的有用于環(huán)境感知的傳感器、自身定位傳感器，種類繁多，將這些傳感器的信息有效融合是一個(gè)重要問題。 綜合考慮各傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)和本系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)后，本系統(tǒng)選取碰撞傳感器(微動(dòng)開關(guān))和紅外測距傳感器來完成避障