緒論1.1研究的背景和意義近年來(lái)，隨著對(duì)移動(dòng)機(jī)器人的研究逐漸深入，已經(jīng)成為現(xiàn)如今智能研究中最為火爆的課題之一。但其火爆外面的背后也仍然存在著很多問(wèn)題，那就是其將面臨更加多變的環(huán)境，執(zhí)行更加多樣的任務(wù)。例如，一些人體不便進(jìn)入的狹小區(qū)域可以使用機(jī)器人代替進(jìn)入等。再如，隨著各種智能家居的興起，移動(dòng)機(jī)器人也可以用在清掃的場(chǎng)景下?；趩纹瑱C(jī)的掃地機(jī)器人在這樣一個(gè)大環(huán)境下被提出了，這種機(jī)器人有很多種工作方式可以選擇。可以按照實(shí)際使用條件的不同，來(lái)隨心所欲的變換其工作方式。掃地機(jī)器人出現(xiàn)至今，持續(xù)受到世界各地人士的關(guān)注，是因?yàn)槠渚哂蟹浅？捎^的發(fā)展前景和空間，使它成為一個(gè)當(dāng)前非常火爆的一個(gè)熱門的研究課題，能創(chuàng)造出很多可能性，且非常具有實(shí)用價(jià)值智能清潔機(jī)器人通過(guò)把移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)與清潔技術(shù)二者相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)智能自主化清潔。它極大的解放了人力資源，將人們從重復(fù)性質(zhì)的的清潔工工作中解放了出來(lái)。對(duì)于相關(guān)方面的研究，近年來(lái)受到了國(guó)內(nèi)外研究者的重視。隨著智能機(jī)器人在清潔領(lǐng)域的應(yīng)用，技術(shù)上智能的自主清潔具有強(qiáng)大的表達(dá)力，可以體現(xiàn)許多清潔機(jī)器人的重要技術(shù)。站在市場(chǎng)的角度，清潔機(jī)器人使原來(lái)需要耗費(fèi)時(shí)間去做重復(fù)性清潔工作的人們擁有更多可以自由支配的時(shí)間，也為企業(yè)節(jié)省了用于雇傭清潔工作者的資金，不論在家庭還是公共場(chǎng)所都有廣泛的應(yīng)用前景。 所以，研究智能清潔機(jī)器人不論在科研的挑戰(zhàn)性上還是市場(chǎng)前景的廣闊性上都極具優(yōu)勢(shì)。通過(guò)將現(xiàn)代傳感技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，開發(fā)一臺(tái)高智能化、低成本的全區(qū)域清掃覆蓋清掃機(jī)器人是非常有意義的。它滿足人們的需求，替代傳統(tǒng)的人工清掃作業(yè)，使人們免于重復(fù)枯燥的清潔工作。也是人們能夠更好的享受智能化的生活，直觀體驗(yàn)到科技對(duì)日常生活的改變。1.2國(guó)內(nèi)外研究動(dòng)態(tài)在最近幾十年,人類社會(huì)因?yàn)榭萍嫉目焖偬岣叨杆侔l(fā)展，但同時(shí)也帶來(lái)了各種各樣的問(wèn)題。不斷變快的生活節(jié)奏，日益增大的工作壓力成為了越來(lái)越多人們的煩惱，人們也就越傾向于簡(jiǎn)單，便捷的日常生活方式。而繁瑣的家庭清潔工作就是其中的一個(gè)體現(xiàn)，在這種情況下，家庭清潔機(jī)器人就有了廣泛的應(yīng)用前景。而在商業(yè)場(chǎng)景中，人們對(duì)清潔效率的要求不斷提高，各種景區(qū)和建筑物對(duì)于科技和美觀的要求，還有人力資源成本的提升等種種原因使得商用級(jí)掃地機(jī)器也有廣泛市場(chǎng)。國(guó)外對(duì)于智能清潔機(jī)器人技術(shù)的研究已經(jīng)有了一段時(shí)間，對(duì)于產(chǎn)品功能的開發(fā)和不同場(chǎng)合的應(yīng)用已經(jīng)形成了一套自己成熟的體系。而國(guó)內(nèi)智能清潔機(jī)器人開發(fā)起步較晚，技術(shù)主要是依托于逐漸成熟的低速自動(dòng)駕駛技術(shù)，開發(fā)出了戶外清掃機(jī)器人、無(wú)人駕駛環(huán)衛(wèi)車等商用清潔機(jī)器人產(chǎn)品。這些產(chǎn)品也可自主完成種種清掃工作，但由于技術(shù)相對(duì)還沒(méi)有國(guó)外成熟，在智能導(dǎo)航路徑識(shí)別、地圖構(gòu)建和相關(guān)算法等方面仍有一些不近人意的地方。還在努力研發(fā)、調(diào)試于逐步量產(chǎn)的階段，技術(shù)還在逐步成熟中。最近幾年，智能清潔機(jī)器人的市場(chǎng)擴(kuò)張非常快，日益增長(zhǎng)的需求不斷推動(dòng)著清潔機(jī)器人的普及，越來(lái)越多的日常生活場(chǎng)合開出出現(xiàn)它們的身影。在初期發(fā)展階段，清潔機(jī)器人的主要發(fā)展方向是提高清潔效率。而在現(xiàn)階段，在清潔效果得到保證的基礎(chǔ)上，對(duì)于智能化程度的要求也變得更受重視。多傳感器結(jié)合、導(dǎo)航、路徑規(guī)劃等智能化核心技術(shù)將成為新的發(fā)展方向。1.3設(shè)計(jì)任務(wù)為了體現(xiàn)出小車系統(tǒng)的智能化，清潔智能小車要在無(wú)人情況下滿足設(shè)計(jì)要求，完成設(shè)計(jì)功能。本次設(shè)計(jì)具體要完成的任務(wù)如下：(1)了解51單片機(jī)開發(fā)環(huán)境，使用C語(yǔ)言對(duì)程序進(jìn)行編寫；(2)熟悉所選單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，使用資源和設(shè)備調(diào)試方法；(3)自行搭建單片機(jī)最小系統(tǒng)，對(duì)設(shè)計(jì)各模塊原理和功能進(jìn)行學(xué)習(xí)；(4)完成硬件電路設(shè)計(jì)，對(duì)整體硬件結(jié)構(gòu)完成設(shè)計(jì)和組裝；(5)對(duì)小車程序軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，完成設(shè)計(jì)要求；1.4章節(jié)安排本次設(shè)計(jì)的清潔小車是基于51系列單片機(jī)所實(shí)現(xiàn)，首先要完成最基本的清掃任務(wù)，在此基礎(chǔ)上突出清潔小車的智能性，對(duì)于各模塊的選擇與實(shí)現(xiàn)既要保證所要求的功能的穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)，又要對(duì)性價(jià)比有所考慮。最終實(shí)現(xiàn)所要求的任務(wù)。第一章是引言部分，這部分主要對(duì)其歷史應(yīng)用到現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r、課題的目的與意義與設(shè)計(jì)任務(wù)都做了很詳盡的介紹。第二章詳細(xì)介紹總體設(shè)計(jì)方案，比較各個(gè)模塊設(shè)計(jì)方案，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)的方案框圖做出最優(yōu)選擇。第三章使清潔小車的硬件實(shí)現(xiàn)，對(duì)各個(gè)模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，將各硬件進(jìn)行組合連接，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能。第四章詳為系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，在前一章節(jié)硬件鋪墊的基礎(chǔ)上，對(duì)系統(tǒng)的軟件部分進(jìn)行了介紹。首先介紹了系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境，對(duì)清潔小車工作模式做出具體介紹并給出了詳細(xì)的流程圖。第五章為軟硬件聯(lián)調(diào)。對(duì)小車功能進(jìn)行測(cè)試，對(duì)測(cè)試過(guò)程中所出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行分析并提出解決辦法，最后對(duì)實(shí)物成果進(jìn)行展示。第六章是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)總結(jié)，總結(jié)了軟件和硬件的核心思路，以及對(duì)設(shè)計(jì)的整體性能。2總體方案設(shè)計(jì)根據(jù)題目要求，本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用單片作為核心系統(tǒng)控制處理器，用于智能清潔小車的控制。避障模塊負(fù)責(zé)收集工作環(huán)境中的信息，智能清潔小車的驅(qū)動(dòng)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊完成進(jìn)，電源模塊負(fù)責(zé)給單片機(jī)供電，充電模塊負(fù)責(zé)電池的充電。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方框圖見圖2.1。圖2.1系統(tǒng)總體方框圖2.1車體選擇方案1在網(wǎng)上購(gòu)買成品的電動(dòng)玩具車，然后通過(guò)對(duì)成品玩具車進(jìn)行改裝實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。因?yàn)槌善冯妱?dòng)玩具車自帶有配套齊全的車架結(jié)構(gòu)、電機(jī)和配套的驅(qū)動(dòng)電路。但直接購(gòu)買的電動(dòng)玩具車也有一些缺點(diǎn)，由于電動(dòng)玩具車的商業(yè)屬性，它的裝配會(huì)很緊湊，車體上很少有空位置去添加設(shè)計(jì)中的一些元器件，不利于改裝傳感器和一些其他器件。第二，對(duì)于市面上常見的電動(dòng)玩具車多數(shù)是由后輪對(duì)小車進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，前輪為轉(zhuǎn)向輪，因此，玩具車不能靈活快速地執(zhí)行諸如保持原地旋轉(zhuǎn)90度或180度掉頭之類的功能。三是電動(dòng)玩具車電動(dòng)機(jī)主要是使用玩具直流電機(jī)。由于玩具直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩太小，空載速度快，玩具車的負(fù)載性能下降，調(diào)速變得困難。且它的價(jià)格較高，性價(jià)比不高。所以放棄這種方案。方案2直接購(gòu)買亞克力車身底板，雙層亞克力板具有有利于搭建其他結(jié)構(gòu)模塊的優(yōu)點(diǎn)，在其上安裝紅外傳感器容易實(shí)施。在經(jīng)過(guò)多次考量后，基本制定了智能清潔小車由四輪驅(qū)動(dòng)，由左右車輪轉(zhuǎn)速差實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向的車模方案。即左右四個(gè)輪分別用四個(gè)力矩和轉(zhuǎn)速基本完全相同的直流減速電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)，且左邊兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)，右邊兩個(gè)電機(jī)串聯(lián)，當(dāng)左右兩邊電機(jī)分別進(jìn)行正反轉(zhuǎn)或轉(zhuǎn)速不同時(shí)，就可實(shí)現(xiàn)智能清潔小車的轉(zhuǎn)向與掉頭等功能，且四輪系統(tǒng)智能清潔小車行駛與執(zhí)行清掃任務(wù)也更穩(wěn)定。最終選擇方案2。2.2單片機(jī)控制模塊選擇本系統(tǒng)最重要的部分是選擇適合的核心控制模塊，開發(fā)小型智能控制系統(tǒng)時(shí)無(wú)需考慮結(jié)構(gòu)復(fù)雜的嵌入式芯片，因此本文在選擇控制芯片時(shí)以當(dāng)前市場(chǎng)上應(yīng)用較多的為主，屬于一種單芯片微處理器。在選取本系統(tǒng)核心控制芯片前，要對(duì)比市場(chǎng)上多款主流SCM模型。(1)MSP430單片機(jī)：全球規(guī)模最大的半導(dǎo)體制造公司TT在市場(chǎng)上推出的一款16位高性能混合信號(hào)處理芯片，即為MSP430系列MCU芯片，該芯片的特征體現(xiàn)在能耗超低，運(yùn)行速度快、計(jì)算能力強(qiáng)，組裝指令集簡(jiǎn)單且高度集成，用戶操作簡(jiǎn)單，主要在對(duì)功耗比較敏感的場(chǎng)景有很好的表現(xiàn)，如數(shù)模轉(zhuǎn)換、能耗超低及計(jì)算要求高的工業(yè)自動(dòng)控制領(lǐng)域運(yùn)用。根據(jù)功能和內(nèi)存大小等具體配置的差異，其分為很多個(gè)系列。從最開始的11x系列，發(fā)展到后來(lái)的33x系列和F13系列、F14系列等等。由于其實(shí)16位處理器，因此其特點(diǎn)是處理能力強(qiáng)、運(yùn)算速度快。此外，其片內(nèi)還有包括看門狗，定時(shí)器，以及一些常見的硬件通信接口等等。同時(shí)其也有固定的編譯軟件，方便開發(fā)者對(duì)其進(jìn)行開發(fā)。(2)STC89C52單片機(jī)：STC單片機(jī)在長(zhǎng)期發(fā)展下已經(jīng)被我國(guó)市場(chǎng)所接受，是我國(guó)國(guó)產(chǎn)單片機(jī)的代表。STC89C52單片機(jī)是一款入門者廣泛接觸并使用的微處理器，其是一款8位的處理器。它日常的工作狀態(tài)非常的穩(wěn)定，很少出現(xiàn)程序跑飛的情況。其具有兩個(gè)非常顯著的特點(diǎn)，一是供電壓低，二是其性能也相對(duì)較高。89C52系列單片機(jī)的引腳總數(shù)是40，其中可以進(jìn)行編程的引腳一共有32個(gè)，其中分為4組，分別記做P0-P3，每組有8個(gè)，每個(gè)都是8位并行I/O口；有一個(gè)可以雙向通信的串行端口，還擁有可以隨時(shí)中斷程序的中斷源，共5個(gè)，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)以及位數(shù)達(dá)到16位的定時(shí)器。STC89C52單片機(jī)存儲(chǔ)分為兩個(gè)部分，一部分是不可以擦除的存儲(chǔ)部分，其程序存儲(chǔ)器的大小是4個(gè)KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的大小是128個(gè)比特。另外一部分是可以擦除的部分，系統(tǒng)都程序都將存儲(chǔ)在可以擦除的存儲(chǔ)器內(nèi)部，這樣比較方便調(diào)試和下載。這部分空間的大小是4KB。STC89C52微控制器含有中斷控制，定時(shí)器等部件，因此使用起來(lái)非常的方便，外部所需要的器件也很少，它與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS51指令集也相互兼容。(3)PIC單片機(jī)：PIC單片機(jī)系列產(chǎn)品從市場(chǎng)需求出發(fā)分為三個(gè)等級(jí)，分別為高級(jí)、中級(jí)、低級(jí)。美國(guó)芯片公司成立后，其生產(chǎn)制造的芯片銷售量與銷售速度讓人意想不到，且PIC微控制器上運(yùn)用RISC指令集結(jié)構(gòu)，從性能出發(fā)可劃分為三個(gè)等級(jí)。系統(tǒng)架構(gòu)上運(yùn)用哈佛雙總線法，一個(gè)指令周期上的工作方式如下：在從內(nèi)存中讀取一條指令后再運(yùn)行該指令。(4)AVR單片：AVR單片機(jī)是同樣是8位的，但它的不同之處是——它是一款高速單片機(jī)。AVR微處理器內(nèi)部擁有高質(zhì)量的FLASH。其始終頻率較高，因此他執(zhí)行指令的速度很快，執(zhí)行每條指令對(duì)程序帶來(lái)的延時(shí)很小。但是AVR單片機(jī)內(nèi)部沒(méi)有類似累加器的功能，需要靠頻繁反復(fù)的使用其內(nèi)部的寄存器進(jìn)行操作。通過(guò)分析智能清潔小車的系統(tǒng)，幾種方案相比，MSP430單片機(jī)和AVR單片機(jī)性能雖好，但是本設(shè)計(jì)中并沒(méi)有那么大的資源消耗，同時(shí)這兩款單片機(jī)價(jià)格也相對(duì)STC89C52單片機(jī)來(lái)說(shuō)比較昂貴。而PIC單片機(jī)存在四個(gè)地址存儲(chǔ)區(qū)間，在編程過(guò)程中要不斷選擇存儲(chǔ)區(qū)間，因此對(duì)編程造成了一些麻煩。而STC89C52單片機(jī)價(jià)格低廉，并且內(nèi)存等資源完全夠用。本文設(shè)計(jì)應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)考慮的主要因素為成本核算、功能需求及運(yùn)行穩(wěn)定性，STCMCU系列的STC89C52芯片穩(wěn)定性強(qiáng)、功能完善、運(yùn)行速度快，可以與8051MCU指令集相互兼容，且價(jià)格低廉，基本上可以達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求。因此綜合以上種種考慮，在本設(shè)計(jì)中采用方案二使用STC89C52作為主控制器。2.3電源模塊選擇在對(duì)于本次智能清潔小車系統(tǒng)的電源模塊選擇時(shí)，我考慮到小車的續(xù)航情況、性價(jià)比和環(huán)保等方面，設(shè)計(jì)了以下幾種方案。方案1采用12V蓄電池做電源，經(jīng)過(guò)7805三端集成穩(wěn)壓器將12V電壓變換后為單片機(jī)供電。穩(wěn)定的電壓輸出性能與優(yōu)秀的電流驅(qū)動(dòng)能力完全滿足系統(tǒng)要求，且硬件成本低，不論是購(gòu)買成本還是維修更換成本。對(duì)于電子產(chǎn)品適應(yīng)性好。而蓄電池安裝體積大，不易于在一般小型電動(dòng)車上應(yīng)用的缺點(diǎn)在本次設(shè)計(jì)的智能清潔機(jī)器人上則不存在，本次設(shè)計(jì)采用雙層亞克力車板結(jié)構(gòu)有足夠的地方固定蓄電池，四輪驅(qū)動(dòng)，所以不存在安裝與運(yùn)行時(shí)不方便的情況。使用蓄電池也符合小車性價(jià)比高的要求，且本次設(shè)計(jì)還要求有與智能清潔小車配套的充電裝置，因此我們選擇此方案。方案2采用6節(jié)1.5V干電池作為電源，經(jīng)過(guò)7805三端集成穩(wěn)壓器變壓后為單片機(jī)系統(tǒng)供電。雖然這種方案也能滿足智能清潔小車工作室系統(tǒng)的要求，但考慮到小車性價(jià)比，環(huán)保等方面，放棄這種方案。綜上所述采用方案12.4電機(jī)模塊選擇方案1步進(jìn)電機(jī)的工作是通過(guò)脈沖信號(hào)來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，其一般實(shí)現(xiàn)的轉(zhuǎn)速是相對(duì)精確的，通過(guò)程序可以控制其實(shí)現(xiàn)相對(duì)精確的轉(zhuǎn)動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)單片機(jī)控制其進(jìn)行加速、減速、正轉(zhuǎn)等功能。步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的速度由其驅(qū)動(dòng)芯片提供的脈沖頻率所決定。它的速度與驅(qū)動(dòng)脈沖的頻率成正比。脈沖頻率越高，速度越快。但它也存在著缺點(diǎn)，低速行駛時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)異常的抖動(dòng)，并且由于高速行駛時(shí)扭矩?fù)p失大且精度相對(duì)較低，因此步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行速度受到限制，不能實(shí)現(xiàn)快速的運(yùn)行。方案2汽車的發(fā)動(dòng)機(jī)大部分是使用的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)的，因?yàn)槠淇煽刂菩詮?qiáng)，加速減速也快，所有被廣泛的使用。其可以直接使用單片機(jī)控制其速度的變換，控制加減速的方式主要是通過(guò)控制其兩端的電壓的大小，也可以通過(guò)程序性控制的方式-PWM調(diào)速程序控制其占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)控制其速度。故本次設(shè)計(jì)采用方案2來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.5避障檢測(cè)模塊選擇方案1用超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)小車的避障檢測(cè)功能。超聲波傳感器是將超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為另一個(gè)能量信號(hào)的傳感器。它是利用超聲波的特性開發(fā)的傳感器，超聲波是頻率為20KHZ或更高的機(jī)械波。它可以用于檢測(cè)透明物體、液體，還可以對(duì)集裝箱狀態(tài)進(jìn)行探測(cè)，但是，它不適用于室外高溫高壓環(huán)境或壓力罐和泡沫物體。精度相對(duì)低于反射型光電傳感器。方案2紅外傳感器具有高度敏感，反應(yīng)快等的優(yōu)點(diǎn)。通過(guò)將發(fā)射與接受合二為一，根據(jù)不同的需求對(duì)檢測(cè)距離進(jìn)行調(diào)節(jié)。具有檢測(cè)距離長(zhǎng)，抗光干擾能力強(qiáng)，成本低，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便等特點(diǎn)。被大面積使用在機(jī)器人避障，流水線計(jì)數(shù)等自動(dòng)化相關(guān)產(chǎn)品方面。經(jīng)過(guò)以上分析，本設(shè)計(jì)采用方案2紅外傳感器。2.6充電模塊選擇因?yàn)橹悄芮鍧嵭≤囁玫碾娫礊?2V蓄電池，在小車充電模塊所需完成的任務(wù)就是提供12V蓄電池的充電裝置，所需要完成的工作為制作一個(gè)220V轉(zhuǎn)12V的直流電源，通過(guò)一個(gè)220V轉(zhuǎn)12V的變壓器實(shí)現(xiàn)，在直流電源的輸出端引出一個(gè)與12V蓄電池相接的端口。充電裝置如下圖2.2所示。圖2.2充電裝置2.7顯示模塊選擇方案1用LCD液晶顯示屏顯示，它的原理利用穿過(guò)濾色器并產(chǎn)生各種顏色的白光，再通過(guò)電流調(diào)節(jié)不同像素點(diǎn)的透光率來(lái)完成對(duì)不同顏色的控制。LCD有許多的優(yōu)點(diǎn)顯示更加清晰，內(nèi)容更豐富，信息量大，使用起來(lái)非常便利，但安裝占用地方較大，智能清潔小車在固定蓄電池后車體緊湊不宜安裝，且價(jià)格相對(duì)較高，功耗耗能大。方案2用LED燈來(lái)進(jìn)行顯示，通過(guò)了LED燈亮滅的數(shù)量來(lái)顯示智能清潔小車不同的工作模式。它有格便宜、使用簡(jiǎn)單、功耗小、無(wú)熱量、耐沖擊等優(yōu)點(diǎn)，而且LED燈安裝簡(jiǎn)單，占用空間小，也滿足車體安裝蓄電池后安裝空間有限的問(wèn)題。綜上所述選用方案2。2.8選擇方案在對(duì)智能清潔小車進(jìn)行反復(fù)選擇，我最終確定了以下的方案：本次設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為核心部件，使用L298N模塊對(duì)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，使掃地機(jī)器人可以移動(dòng)。通過(guò)紅外避障模塊來(lái)檢測(cè)障礙物。系統(tǒng)的供電部分是使用電池進(jìn)行供電，經(jīng)過(guò)板子上的電源轉(zhuǎn)換模塊，將電壓轉(zhuǎn)換為5V對(duì)系統(tǒng)上的各個(gè)器件供電。系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)的功能：掃地機(jī)器人往返清掃、任意清掃和延邊清掃的功能，同時(shí)該掃地機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程當(dāng)中可以智能的避開沿途的所有障礙物，可以通過(guò)按鍵來(lái)改變掃地機(jī)器人的清掃方式，同時(shí)還可以通過(guò)按鍵來(lái)改變掃地機(jī)器人的移動(dòng)速度。3清潔機(jī)器人硬件實(shí)現(xiàn)3.1STC89C52單片機(jī)介紹STC89C52是一款8位微控制器。它的內(nèi)核是非常經(jīng)典MCS-51，有很多微處理器都使用了這一款內(nèi)核。并在其基礎(chǔ)上做了很多改進(jìn)，在功能上做了一些加強(qiáng)。STC89C52實(shí)物圖如圖3.1所示。從硬件功能上來(lái)看，它使用的是一個(gè)8位的CPU。隨著成本的降低，其在越來(lái)越多的智能化場(chǎng)景中被應(yīng)用了起來(lái)。STC89C52的總引腳數(shù)量是40個(gè)，其中32個(gè)可以控制的數(shù)據(jù)引腳，共分為4組，每組具有8個(gè)引腳。為了防止單片機(jī)偶然發(fā)生的程序跑飛的事件發(fā)生，其配備了看門狗定時(shí)器的功能，通過(guò)這個(gè)功能來(lái)確保單片機(jī)程序運(yùn)行的穩(wěn)定，可靠。除了看門狗定時(shí)器以外，其內(nèi)部還具有三個(gè)定時(shí)器，這三個(gè)定時(shí)器都具有復(fù)用的功能。內(nèi)部存儲(chǔ)單元非常豐富，總體可分為兩個(gè)部分：不可以擦除的存儲(chǔ)部分，其程序存儲(chǔ)器的大小是4個(gè)KB，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的大小是128個(gè)比特。另外一部分是可以擦除的部分，系統(tǒng)將程序都存儲(chǔ)在可以擦除的存儲(chǔ)器內(nèi)部，這樣比較方便調(diào)試和下載。這部分空間的大小是4KB。由于其高性能的特點(diǎn)，對(duì)很多的應(yīng)用場(chǎng)景其都可以從容應(yīng)對(duì)，對(duì)于一些低功耗的應(yīng)用場(chǎng)景，其可以直接切斷電源，使所有資源均停止工作或者讓CPU停止工作的方式來(lái)降低功耗。圖3.1STC89C52實(shí)物圖3.1.1STC89C52的管腳介紹89C52系列單片機(jī)的引腳總數(shù)是40，其中可以進(jìn)行編程的引腳一共有32個(gè)，其中分為4組，分每組具有8個(gè)引腳，單片機(jī)可以對(duì)其中的任意一個(gè)引腳按照需求進(jìn)行程序的編寫，來(lái)控制引腳的輸出狀態(tài)。單片機(jī)對(duì)引腳的控制方法非常的自由也非常的靈活，只要是系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)中使用到的引腳，都可以同時(shí)進(jìn)行狀態(tài)的配置。STC89C52的封裝類型，按照焊接方式的不同分為兩種，貼片型和直插型。貼片型，顧名思義是牢固的貼在電路板上的，這種封裝適用于自己繪制的PCB板上使用，其優(yōu)勢(shì)是占用電路板的空間較小，但對(duì)于新手來(lái)說(shuō)，焊接貼片型的封裝難度是非常大的；另一種封裝是直插型，其引腳是一根根引出來(lái)的細(xì)長(zhǎng)的針腳，可以直接插在面包板上進(jìn)行焊接。為了防止電烙鐵過(guò)于高的溫度損壞到單片機(jī)內(nèi)部，一般在使用直插型封裝的時(shí)候都會(huì)搭配專用的底座，將單片機(jī)直接通過(guò)插在底座上，通過(guò)引腳和金屬片進(jìn)行聯(lián)通，通過(guò)這種方式來(lái)使用。STC89C52的引腳圖如圖3.2所示。圖3.2STC89C52引腳圖P0口首先毫無(wú)疑問(wèn)其是一個(gè)8位的I/O口，這組接口的特點(diǎn)是，這組的8個(gè)接口都可以實(shí)現(xiàn)雙向通信的功能。同時(shí)其接口的電平狀態(tài)是高阻狀態(tài)，因此這組接口是不具備直接輸出高電平的能力的。如果設(shè)計(jì)中需要使用這組接口進(jìn)行高電平的輸出時(shí)，可以使用上拉的方式來(lái)完成。但在引腳和電源之間要使用電阻進(jìn)行串聯(lián)，防止過(guò)大的電流進(jìn)入到引腳當(dāng)中，對(duì)這組引腳進(jìn)行損壞，使用的電阻的大小一般是幾K的數(shù)量級(jí)。P1口同樣是8位的I/O口，但是不同于P0口的是，其在單片機(jī)內(nèi)部自帶了一個(gè)電阻，接到單片機(jī)的供電引腳上，因此這組單口是可以通過(guò)程序控制直接對(duì)外輸出高電平的。而不需要通過(guò)在外部連接電阻的方式，將引腳的電平拉高來(lái)實(shí)現(xiàn)。P2口與P1口的功能特點(diǎn)基本上是完全一致的，最大的差異點(diǎn)在于P2口只有準(zhǔn)雙向的輸入輸出功能。P3口則作為單片機(jī)最復(fù)雜的功能接口，單片機(jī)通過(guò)P3口的資源來(lái)實(shí)現(xiàn)豐富的外設(shè)及控制功能。其所有的I/O口都具有特殊的功能。一些中斷功能，以及優(yōu)先級(jí)的控制，計(jì)時(shí)器功能都需要使用這組接口。3.2單元電路設(shè)計(jì)3.2.1主控制模塊采用STC89C52作為處理器，在主控模塊上有一個(gè)電源開關(guān)，負(fù)責(zé)智能清潔小車的啟動(dòng)與停止。一個(gè)復(fù)位按鍵。兩個(gè)調(diào)速按鍵，負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)小車速度的加減變化。一個(gè)模式調(diào)節(jié)按鍵，負(fù)責(zé)對(duì)小車工作模式進(jìn)行切換。一個(gè)風(fēng)扇清掃控制按鍵，負(fù)責(zé)清掃電機(jī)的控制。主控制最小系統(tǒng)電路如圖3.3所示。圖3.3片機(jī)最小系統(tǒng)電路圖(1)晶振電路晶振電路是單片機(jī)外圍電路里的另一個(gè)重要的部分，其作用是給單片機(jī)內(nèi)部工作所需要的時(shí)鐘，其穩(wěn)定與否關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘的穩(wěn)定程度。很多微控制器也具有內(nèi)部時(shí)鐘，本設(shè)計(jì)中使用的89C52單片機(jī)使用的是外接的晶振。本系統(tǒng)所使用晶振頻率為12MHZ，晶振的外圍電路圖如下圖5所示，由晶振Y1及電容C2和C3組成，可以通過(guò)修改電容C2和C3的值來(lái)對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)。本設(shè)計(jì)中使用的晶振Y1屬于無(wú)源晶振，其不需要外接電源進(jìn)行供電，因此其使用的范圍比較廣，對(duì)于各種不同電壓供電的控制器，都可以使用。同時(shí)其價(jià)格較低，但是其信號(hào)質(zhì)量不如有源晶振，因此有些時(shí)候需要外接的電容C2和C3來(lái)進(jìn)行微調(diào)，以滿足控制器的需要。圖3.4為晶振電路。圖3.4晶振電路(2)復(fù)位電路在一個(gè)正常穩(wěn)定進(jìn)行工作的裝置中，復(fù)位電路扮演著極其重要的角色。復(fù)位系統(tǒng)的作用就是在電子系統(tǒng)程序跑偏或者程序卡死的情況下，實(shí)現(xiàn)程序的重新啟動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)卡死或跑偏問(wèn)題時(shí)，往往單片機(jī)需要重啟才能正常的進(jìn)行復(fù)位。復(fù)位系統(tǒng)通常分為兩種。一種就是通過(guò)按鍵進(jìn)行復(fù)位的，也就是人為輸入端一個(gè)高電平。當(dāng)按下按鍵后，RST算受到VCC所發(fā)出的電平。另外一種是上電復(fù)位方式，也就是在每次上電后芯片都會(huì)發(fā)出一個(gè)復(fù)位的信號(hào)施加在RESET腳上，使得單片機(jī)回到初始狀態(tài)并從此狀態(tài)下開始運(yùn)行。其都可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)重啟。復(fù)位之后系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)重啟，實(shí)現(xiàn)程序的初始化。其接口圖3.5所示。 圖3.5復(fù)位電路3.1.2紅外避障模塊此模塊是掃地機(jī)器人最為關(guān)鍵的傳感器模塊，可以說(shuō)這個(gè)模塊是整個(gè)系統(tǒng)的眼睛，通過(guò)其對(duì)外部環(huán)境及障礙物的檢測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的智能躲避障礙物的功能。避障模塊采用了PMM18-C301NA傳感器。它是一種漫反射式傳感器，被大面積使用在機(jī)器人避障，流水線計(jì)數(shù)等自動(dòng)化相關(guān)產(chǎn)品方面。其內(nèi)置抗干擾芯片，抗干擾能力強(qiáng)，測(cè)量物體更精準(zhǔn)，產(chǎn)品上有可調(diào)節(jié)靈敏旋鈕，向左調(diào)靈敏度減弱，向右旋轉(zhuǎn)靈敏度增強(qiáng)。紅外傳感器通過(guò)先向探測(cè)目標(biāo)連續(xù)的發(fā)射紅外光束，然后利用接收器將經(jīng)物體反射回的光束轉(zhuǎn)換為電信號(hào)傳送到傳感器中的集成電路，通過(guò)集成電路的處理，最后由放大器執(zhí)行放大操作后輸出。避障電路如圖3.6所示。圖3.6避障模塊電路3.1.3四輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊清潔機(jī)器人的正常工作離不開移動(dòng)技術(shù)，而小車的移動(dòng)則是通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊帶動(dòng)四個(gè)輪子完成，驅(qū)動(dòng)模塊功能的好壞直接影響小車的工作性能。電機(jī)負(fù)責(zé)帶動(dòng)輪子的運(yùn)轉(zhuǎn)，使小車移動(dòng)。我們使用的電機(jī)一般為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)兩種。因?yàn)橹绷麟姍C(jī)的性能優(yōu)秀、控制簡(jiǎn)單而且直流電源提供簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)，本次設(shè)計(jì)采用的電機(jī)就為直流減速電機(jī)。對(duì)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及控制需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片BTN7960、A4950HR4988和L298N等。本次設(shè)計(jì)使用的是L298N芯片，L298N是一款應(yīng)用非常廣泛的電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)都可以驅(qū)動(dòng)。其內(nèi)部使用的驅(qū)動(dòng)類型是全橋驅(qū)動(dòng)的方式。其具有4個(gè)輸出的通道，每個(gè)輸出通道的電流是兩個(gè)安培。其能接受的最大的電流是3A。其在4.5V至46V的范圍下，都可以進(jìn)行正常的進(jìn)行工作。同時(shí)，其不僅供電電壓的范圍寬泛，同時(shí)其工作的溫度范圍也是非常的寬泛，從低至零下二十度一直到零上一百三十度的范圍，其都可以正常工作。其芯片的封裝方式為直插方式，通過(guò)將其引腳插入到電路板的通孔封裝中進(jìn)行焊接。其實(shí)物及引腳圖如3.7，實(shí)物圖如3.8，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖3.9。圖3.7L298N引腳圖圖3.8L298N實(shí)物圖圖3.9L289N驅(qū)動(dòng)原理圖L298N通過(guò)輸入端1和輸入端2接收信號(hào)控制輸出端1和輸出端2的輸出端信號(hào)。輸入端3和輸入端4控制輸出端3和輸出端4的輸出信號(hào)。根據(jù)輸出電位的不同，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正向和反向旋轉(zhuǎn)。在芯片中還存在兩個(gè)使能端，當(dāng)使能端為0時(shí)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)，當(dāng)使能端為1時(shí)電機(jī)工作，但它們不能控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，對(duì)于轉(zhuǎn)向的控制通過(guò)調(diào)節(jié)IN口實(shí)現(xiàn)。具體見圖3.10。ENAIN1IN2直流電機(jī)狀態(tài)0XX停止100制動(dòng)101正轉(zhuǎn)110反轉(zhuǎn)111制動(dòng) 圖3.10L298N邏輯功能圖。在驅(qū)動(dòng)電路原理圖中除了L298N模塊，還要考慮對(duì)于電路的保護(hù)。在電感線圈通電后再斷電后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)，它大小通常為電壓的N倍、極性與電源電壓完全相反。當(dāng)這個(gè)自感電動(dòng)勢(shì)直接作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的功率開關(guān)器件上時(shí)，就會(huì)將其損壞。為了確保電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片不被燒壞，這時(shí)就需要采取措施，通過(guò)泄放通道將會(huì)將功率開關(guān)器件損壞的高壓和電流釋放。此時(shí)電路中二極管的作用就顯現(xiàn)了出來(lái)，它們提供了自感能量的釋放途徑，同時(shí)也避免了電機(jī)受外力作用旋轉(zhuǎn)時(shí)所造成電機(jī)芯片受到損壞。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3.11所示。圖3.11電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.1.4電源模塊電源模塊主要使用的芯片是7805穩(wěn)壓芯片，7805穩(wěn)壓芯片后綴05的含義就是輸出5V的電壓。電源模塊將12V電池輸入電壓降為5V輸出電壓，為單片機(jī)系統(tǒng)供電。且7805芯片構(gòu)成的外圍電路簡(jiǎn)單，使用起來(lái)十分方便，對(duì)于初學(xué)者十分友好，只要正確的焊接，無(wú)需復(fù)雜的調(diào)試便可以輸出穩(wěn)定的5V電壓。但在使用78系列穩(wěn)壓時(shí)也要注意輸入電壓至少要高出輸出電壓2V。若無(wú)法保證這點(diǎn)，就無(wú)法得到穩(wěn)定的輸出電壓。在本次設(shè)計(jì)中系統(tǒng)輸入電壓為12V，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機(jī)要求的5V工作電壓，所以滿足要求。但仍要注意當(dāng)單流過(guò)大時(shí)，7805的輸入電壓與輸出電壓差值也不能過(guò)大，不然會(huì)使穩(wěn)壓芯片嚴(yán)重發(fā)熱，這時(shí)芯片內(nèi)部過(guò)熱保護(hù)電路開始工作，使得所得到的輸出電壓變得不穩(wěn)定從而影響到單片機(jī)的正常運(yùn)行，在使用時(shí)必須外加一個(gè)散熱片來(lái)散熱。7805外形及引腳排列如圖3.12。圖3.1278系列芯片7805內(nèi)部電路可以實(shí)現(xiàn)調(diào)整管安全、短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等，如圖3.13。圖3.137805內(nèi)部結(jié)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中，采用電池盒進(jìn)行供電，電池盒內(nèi)需要12V鋰電池。而系統(tǒng)需要5V供電，所以需要電源轉(zhuǎn)換電路，采用的是芯片LM7805。電源轉(zhuǎn)換部分電路圖如圖3-4所示。其中電容C4和電容C5的作用輸出濾波，使輸出端輸出的電壓更準(zhǔn)確，LED是電源指示燈，串聯(lián)的2K電阻的作用是限流，否則流過(guò)LED的電流過(guò)大會(huì)將LED燈燒毀。電源模塊電路如圖3.14。圖3.14電源電路原理圖3.1.5清潔模塊在智能清潔小車的情節(jié)模塊主要通過(guò)一個(gè)馬達(dá)，通過(guò)STC89C52單片機(jī)外接PNP三極管S8550對(duì)風(fēng)扇進(jìn)行驅(qū)動(dòng)完成清掃工作，因?yàn)镾TC89C52單片機(jī)的I/O口驅(qū)動(dòng)能力不足以驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，所以外接三極管提升驅(qū)動(dòng)能力。PNP型三極管的控制端接到STC89C52單片機(jī)的P1.3引腳，串接的2K電阻R7同樣是限流作用。如圖3.15所示。圖3.15清潔模塊電路圖

4清潔機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)前文對(duì)基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)部分都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。本章將介紹基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人的核心部分，即系統(tǒng)軟件部分設(shè)計(jì)。在實(shí)際工作中，C語(yǔ)言作為51單片機(jī)的主要開發(fā)語(yǔ)言，對(duì)程序設(shè)計(jì)都是通過(guò)它來(lái)進(jìn)行編寫。由對(duì)應(yīng)的編譯器，編寫正確的執(zhí)行代碼，這樣大大提高了程序的開發(fā)效率。C語(yǔ)言具有程序簡(jiǎn)潔，使用起來(lái)十分方便，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣性高，對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)有著極大的優(yōu)勢(shì)，在代碼編寫完成后，有著極高的程序執(zhí)行效率。C語(yǔ)言函數(shù)一般由一或多個(gè)函數(shù)組成，程序從主函數(shù)開始執(zhí)行，在主函數(shù)中可以調(diào)用其他函數(shù)。但受到單片機(jī)硬件的影響，在結(jié)合單片機(jī)特點(diǎn)的情況下，51單片機(jī)所使用的C語(yǔ)言函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言有些不太一樣。這種改變后的程序被稱為C51程序。軟件的編寫還可以采用匯編語(yǔ)言，這是一種更接近機(jī)器碼，理論上性能比C語(yǔ)言更高的語(yǔ)言。當(dāng)C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間于內(nèi)存都會(huì)比編程語(yǔ)言更多，但在平時(shí)的一般應(yīng)用中，這點(diǎn)差別是可以忽略的。而且C語(yǔ)言的眾多優(yōu)點(diǎn)也是匯編語(yǔ)言所不能替代的，匯編語(yǔ)言晦澀難懂，而C語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔，直接面向使用，可讀性強(qiáng)，邏輯上的易懂，后期維護(hù)和代碼的跟新也要更加方便，在遇見高時(shí)效要求的情況時(shí)還可以通過(guò)嵌入?yún)R編代碼來(lái)解決。所以本次智能清潔小車的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言來(lái)就行編寫。4.1軟件開發(fā)環(huán)境在實(shí)際工作中，C語(yǔ)言作為51單片機(jī)的主要開發(fā)語(yǔ)言，對(duì)程序設(shè)計(jì)都是通過(guò)它來(lái)進(jìn)行編寫。由對(duì)應(yīng)的編譯器，編寫正確的執(zhí)行代碼，這樣大大提高了程序的開發(fā)效率。C語(yǔ)言具有程序簡(jiǎn)潔，使用起來(lái)十分方便，數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)多樣性高，對(duì)結(jié)構(gòu)化程序設(shè)計(jì)有著極大的優(yōu)勢(shì)，在代碼編寫完成后，有著極高的程序執(zhí)行效率。C語(yǔ)言函數(shù)一般由一或多個(gè)函數(shù)組成，程序從主函數(shù)開始執(zhí)行，在主函數(shù)中可以調(diào)用其他函數(shù)。但受到單片機(jī)硬件的影響，在結(jié)合單片機(jī)特點(diǎn)的情況下，51單片機(jī)所使用的C語(yǔ)言函數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言有些不太一樣。這種改變后的程序被稱為C51程序。軟件的編寫還可以采用匯編語(yǔ)言，這是一種更接近機(jī)器碼，理論上性能比C語(yǔ)言更高的語(yǔ)言。當(dāng)C語(yǔ)言轉(zhuǎn)化為機(jī)器碼時(shí)所耗費(fèi)的時(shí)間于內(nèi)存都會(huì)比編程語(yǔ)言更多，但在平時(shí)的一般應(yīng)用中，這點(diǎn)差別是可以忽略的。而且C語(yǔ)言的眾多優(yōu)點(diǎn)也是匯編語(yǔ)言所不能替代的，匯編語(yǔ)言晦澀難懂，而C語(yǔ)言的簡(jiǎn)潔，直接面向使用，可讀性強(qiáng)，邏輯上的易懂，后期維護(hù)和代碼的跟新也要更加方便，在遇見高時(shí)效要求的情況時(shí)還可以通過(guò)嵌入?yún)R編代碼來(lái)解決。所以本次智能清潔小車的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言來(lái)就行編寫。KeiluVision4程序開發(fā)軟件是由美國(guó)KeilSoftware公司研發(fā)并首先推出面世的集成開發(fā)環(huán)境，主要功能是用于程序的編譯及仿真。其功能豐富強(qiáng)度，但同時(shí)界面非常友好便于使用。Keil軟件推出多年，并隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，已經(jīng)迭代出很多個(gè)新的版本。本設(shè)計(jì)使用的是KeiluVision4，使用其可以打開任意老版本軟件輸出的工程文件。隨著版本的升級(jí)，其操作界面仍然進(jìn)行了保留，方便開發(fā)者使用，新版本主要的優(yōu)化點(diǎn)在于功能的優(yōu)化，以及性能的提升，使編譯速度更快，編譯后的文件更小。Keil軟件的所有版本都支持C語(yǔ)言編程。并且當(dāng)編程過(guò)程中，出現(xiàn)語(yǔ)法錯(cuò)誤時(shí)，系統(tǒng)會(huì)醒目的提示用戶。STC89C52等非常的微控制器，均可在使用Keil4進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。同時(shí)，使用其提供的仿真功能也是非常的方便。Keil4軟件的部分特點(diǎn)：(1)可以自動(dòng)生成完善的啟動(dòng)代碼，不需要開發(fā)者在枯燥難懂的啟動(dòng)代碼上花費(fèi)時(shí)間，因此使用其進(jìn)行項(xiàng)目的開發(fā)，效率會(huì)非常的高，可以最大程度上縮短設(shè)計(jì)的周期。并且其編程界面簡(jiǎn)單直觀，對(duì)開發(fā)者使用非常友好；(2)KEIL的在線仿真功能非常的實(shí)用，通過(guò)下載器連接硬件，及可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的在線仿真功能，對(duì)于查找BUG非常的方便；(3)其內(nèi)部集成了很多微處理器的庫(kù)及開發(fā)環(huán)境，是單片機(jī)開發(fā)環(huán)境的首選；(4)支持使用ULINK2或者JLINK進(jìn)行仿真或者下載，速度很快，可靠行很高；下圖4.1為本次設(shè)計(jì)編寫程序建立界面。 圖4.1LEIL界面在對(duì)程序進(jìn)行編寫的過(guò)程中，要實(shí)現(xiàn)所需要的功能需要經(jīng)過(guò)不斷的調(diào)試、修改。這是一個(gè)極其消耗時(shí)間的過(guò)程，編譯后沒(méi)有錯(cuò)誤的程序才可以生成HEX文件。編譯成功如圖4.2所示： 圖4.2編譯成功界面在經(jīng)過(guò)耗時(shí)最長(zhǎng)的程序編譯及調(diào)試后，要做的就是將生成的HEX文件下載到我們所選的STC89C52單片芯片中，我所使用的下載軟件是普中科技的PZ-ISP下載軟件。圖4.3為下載界面。圖4.3程序下載成功界面4.2程序設(shè)計(jì)流程 下面將具體的對(duì)系統(tǒng)軟件編程思路進(jìn)行介紹，系統(tǒng)上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化，然后通過(guò)按鍵的狀態(tài)來(lái)檢測(cè)使用者是否人為的進(jìn)行了速度的設(shè)定，如果使用者沒(méi)有進(jìn)行速度的設(shè)定，則掃地機(jī)器人按照系統(tǒng)預(yù)設(shè)的速度行進(jìn)。如果按下加速按鍵，則會(huì)在預(yù)設(shè)行進(jìn)速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行加速；反之，如果按下減速按鍵，則會(huì)在預(yù)設(shè)行進(jìn)速度的基礎(chǔ)上進(jìn)行減速。系統(tǒng)的加速和減速的調(diào)節(jié)，在程序內(nèi)部是通過(guò)PWM調(diào)速程序?qū)崿F(xiàn)。此掃地機(jī)器人有三種掃地模式，分別為：往返清掃模式、任意清掃模式和延邊清掃模式，可以通過(guò)模式選擇按鍵來(lái)對(duì)此三種模式進(jìn)行切換，每按一次按鍵則切換一種模式。當(dāng)掃地機(jī)器人工作在往返清掃模式時(shí)，機(jī)器人會(huì)以S型路線進(jìn)行往返清掃；當(dāng)掃地機(jī)器人工作在往任意掃模式時(shí)，當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，機(jī)器人先后退，然后向右邊轉(zhuǎn)向，進(jìn)行清掃功能；當(dāng)掃地機(jī)器人工作在往返清掃模式時(shí)，它會(huì)沿著墻壁的邊緣進(jìn)行清掃；其能夠自動(dòng)準(zhǔn)確的進(jìn)行避障，主要是依賴于掃地機(jī)器人上面安裝的三個(gè)紅外避障傳感器，通過(guò)三個(gè)紅外避障傳感器的輸出，系統(tǒng)就可以判斷出哪個(gè)方位存在障礙物，從而進(jìn)行停止，轉(zhuǎn)彎，繼續(xù)前進(jìn)等操作。當(dāng)掃地機(jī)器人工作在任一清掃模式下，掃地風(fēng)扇都是全程開啟狀態(tài)。整體的設(shè)計(jì)流程圖如下圖4.4所示。圖4.4主程序流程本次設(shè)計(jì)為智能清潔小車，程序主要實(shí)現(xiàn)的功能是小車在工作時(shí)對(duì)周邊障礙物的識(shí)別于躲避，并在工作環(huán)境中正確穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)清掃工作，做到對(duì)地面的全面清潔。在此要求上設(shè)計(jì)出了三種不同的清掃模式，來(lái)幫助清潔小車應(yīng)對(duì)復(fù)雜的工作環(huán)境。且三種工作模式可以互相補(bǔ)充，支持清潔小車更好的完成預(yù)定工作。模式一：往返清掃模式當(dāng)清潔小車工作在一個(gè)相對(duì)障礙物存在較少，環(huán)境不太復(fù)雜的房間中時(shí)。我設(shè)計(jì)出了往返清掃的工作模式。在這種模式下小車可以清掃到房間地面的每個(gè)部分。以房間的一個(gè)角作為起點(diǎn)開始工作，沿著邊緣開始對(duì)房間進(jìn)行清掃。起點(diǎn)以一個(gè)空間平面最左側(cè)平行位置開始，清潔小車先向前沿直線行駛到對(duì)面墻壁前，前側(cè)紅外傳感器與左側(cè)紅外傳感器此時(shí)同時(shí)檢測(cè)到障礙物后小車停止前進(jìn)，并向后退1秒，然后向右側(cè)轉(zhuǎn)向90度，再向前行進(jìn)1秒，右轉(zhuǎn)90度，最后后退兩秒。同理，當(dāng)清潔小車行駛到對(duì)面墻壁前時(shí)，前側(cè)紅外傳感器感應(yīng)到障礙物，執(zhí)行上述操作，完成掉頭。整體路徑呈現(xiàn)S形。往返清掃模式流程圖見圖4.5。圖4.5往返清掃模式流程圖模式二：任意清掃模式設(shè)計(jì)的第二種模式是任意清掃模式，當(dāng)清潔小車工作的環(huán)境中存在過(guò)多的障礙物時(shí)，才用往返清掃模式就不能滿足清掃到房間中每個(gè)方法的要求，至此情況下，可以采用任意清掃模式。在這種工作模式下隨著時(shí)間的延長(zhǎng)也能做到清掃到房間每處的要求，但所需的時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。任意清掃模式流程圖見圖4.6。圖4.6任意清掃模式流程圖模式三：邊緣清掃模式在對(duì)前兩種清掃模式測(cè)試后發(fā)現(xiàn)對(duì)房間邊緣沿墻壁部分清掃結(jié)果并不滿意。經(jīng)檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)是小車清掃模塊位于車底正中部分，而車體整體為一個(gè)長(zhǎng)方體結(jié)構(gòu)，所以車體在正對(duì)墻壁時(shí)會(huì)出現(xiàn)清掃死角，從而導(dǎo)致清掃工作完成的不充分。因此，為解決這種情況，設(shè)計(jì)出了邊緣清掃模式，作為以上兩種清掃模式的補(bǔ)充。在邊緣清掃模式下，清潔小車主要通過(guò)左右兩邊的紅外傳感器進(jìn)行工作。邊緣清掃模式流程圖見圖4.7。圖4.7延邊清掃模式流程圖

5清潔機(jī)器人軟硬件聯(lián)調(diào)對(duì)清潔小車軟硬件進(jìn)行聯(lián)調(diào)，測(cè)試設(shè)計(jì)整體性能。5.1硬件焊接5.1.1車體組裝對(duì)清潔小車車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行搭建用到了以下原件：PCB材質(zhì)黑色方型底盤，四個(gè)直流減速電機(jī)，電機(jī)固定件，四個(gè)輪胎，四個(gè)固定銅柱，固定螺絲與螺母若干。對(duì)以上原件進(jìn)行拼接，得到如圖5.1小車車體。它是本次設(shè)計(jì)的主體結(jié)構(gòu)，之后所有的功能都要圍繞著它展開，車體的穩(wěn)定與否也決定著整體設(shè)計(jì)工作時(shí)的效果。圖5.1小車車體結(jié)構(gòu)5.1.2電路系統(tǒng)焊接清潔小車以STC89C52作為核心，在使用時(shí)要對(duì)單片機(jī)的最小系統(tǒng)進(jìn)行焊接。用到了以下元件：STC89C52單片機(jī)芯片，40P芯片座，五個(gè)觸點(diǎn)開關(guān)，一個(gè)自鎖開關(guān)，12MHZ晶振，四個(gè)可拼接接線柱，電容若干，電阻若干，二極管若干，一個(gè)DC插座，一個(gè)電源指示燈，三個(gè)模式指示燈，一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。電路正面圖如5.2所示，電路反面圖如5.3所示。圖5.2電路正面圖圖5.3電路反面圖5.1.3清潔模塊安裝清潔小車的清潔模塊主要由一個(gè)清潔電機(jī)和一個(gè)清潔風(fēng)扇組成，它們一起工作，電機(jī)進(jìn)行清掃，風(fēng)扇進(jìn)行吸塵。如圖5.4所示圖5.4清潔模塊實(shí)物圖5.1.4避障模塊安裝在避障模塊使用了三個(gè)PMM18-C301NA紅外傳感器，在對(duì)其進(jìn)行安裝時(shí)，我用熱熔膠將它們固定在了清潔小車的底板上，如圖5.5所示圖5.5避障模塊實(shí)物圖5.1.5設(shè)計(jì)實(shí)物圖再將上述模塊進(jìn)行組合焊接后得到總體設(shè)計(jì)實(shí)物，如圖5.6所示。圖5.6總體設(shè)計(jì)實(shí)物圖5.2電路焊接調(diào)試在進(jìn)行電路的焊接時(shí)，我們秉著由低至高，由小到大的原則。在焊接時(shí)要控制焊接時(shí)間，最長(zhǎng)時(shí)間不能超過(guò)4秒。在對(duì)芯片進(jìn)行焊接前要先焊接一個(gè)IC座，然后再裝IC。在對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行焊接時(shí)，要保證焊點(diǎn)的圓潤(rùn)飽滿，不能有毛刺、虛焊、假焊等情況的發(fā)生。5.2.1焊接問(wèn)題焊接完電路后，進(jìn)行加電檢測(cè)時(shí)，接通電源后卻發(fā)現(xiàn)電源指示燈卻沒(méi)有點(diǎn)亮，而且有異味。當(dāng)我觸摸穩(wěn)壓芯片7805時(shí)，發(fā)現(xiàn)它變得非常熱，我立即關(guān)閉了電源。在使用萬(wàn)用表測(cè)量電源的正極和負(fù)極后發(fā)現(xiàn)電阻非常小。仔細(xì)檢查后發(fā)現(xiàn)是自己將穩(wěn)壓器芯片引腳顛倒連接了，將作為輸入引腳的接成了輸出端。發(fā)現(xiàn)問(wèn)題后，我立即更換了新的穩(wěn)壓器芯片，確保引腳連接正確，上電后電源指示燈正常點(diǎn)亮，測(cè)得的電壓滿足5V的要求，小車正常工作，問(wèn)題得到解決。5.3清潔小車功能測(cè)試對(duì)小車各個(gè)功能依次進(jìn)行測(cè)試，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果。5.3.1單功能測(cè)試(1)將清潔小車硬件組裝后，將程序下載到單片機(jī)中，接通電源后，壓下開關(guān)按鍵后，電源指示燈點(diǎn)亮。電源模塊正常工作。(2)接通電源后，按下清潔按鍵，清掃電機(jī)與風(fēng)扇同時(shí)開始工作。再次點(diǎn)擊清潔按鍵，電機(jī)與風(fēng)扇停止。清潔模塊正常工作(3)接通電源后，在紅外傳感器前放置障礙物，此時(shí)位于傳感器末端的指示燈點(diǎn)亮，當(dāng)移除障礙物后指示燈熄滅。傳感器模塊正常工作。(4)接通電源后，點(diǎn)擊模式切換按鍵，1號(hào)LED等點(diǎn)亮，清潔小車開始執(zhí)行往返清掃功能；第二次點(diǎn)擊按鍵后1號(hào)與2號(hào)LED燈點(diǎn)亮，清潔小車開始執(zhí)行自由清掃功能；第三次點(diǎn)擊按鍵后1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)LED燈同時(shí)點(diǎn)亮，清潔小車開始執(zhí)行延邊清掃功能；小車模式切換功能正常工作。(5)接通電源后，使清潔小車處于工作狀態(tài)，點(diǎn)擊復(fù)位按鍵，清潔小車停止工作回到初始狀態(tài)。復(fù)位功能正常工作。(6)接通電源后，使清潔小車處于任意工作模式，對(duì)小車調(diào)速功能進(jìn)行測(cè)試。在連續(xù)點(diǎn)擊加速按鍵后，車輪轉(zhuǎn)速明顯加快；連續(xù)點(diǎn)擊減速按鍵后，車輪轉(zhuǎn)速明顯降低直至停止；小車調(diào)速功能正常工作。以上通過(guò)對(duì)清潔小車各功能測(cè)試后，小車各功能均實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果。5.3.2整體性能測(cè)試將小車放置在一個(gè)普通住宅房間中，對(duì)小車整體工作性能進(jìn)行測(cè)試：(1)首先對(duì)小車往返清掃模式進(jìn)行測(cè)試：當(dāng)小車第一個(gè)LED燈點(diǎn)亮?xí)r，小車位于往返清掃模式。使小車從房間一個(gè)角落開始工作，當(dāng)小車工作到角落對(duì)面墻壁前是，紅外傳感器探測(cè)到障礙物，小車開始轉(zhuǎn)向，按照程序要求在小車遇見障礙物后轉(zhuǎn)向角度應(yīng)為90度，但此時(shí)小車轉(zhuǎn)向角度確大于90度，使得偏離了預(yù)先設(shè)計(jì)線路，并未按照S型線路對(duì)房間進(jìn)行清掃。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，發(fā)現(xiàn)這并非偶然現(xiàn)象。停止小車工作，在仔細(xì)分析小車工作時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題后發(fā)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向角度過(guò)大與電機(jī)轉(zhuǎn)速有關(guān)，因小車轉(zhuǎn)向時(shí)間由程序延時(shí)時(shí)間控制，當(dāng)小車電機(jī)帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，會(huì)造成轉(zhuǎn)向角度大于原定90度。找到問(wèn)題后下一步就是找出解決辦法，對(duì)于小車轉(zhuǎn)速過(guò)快影響轉(zhuǎn)向角度的問(wèn)題，提出對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速施加控制控制，增添轉(zhuǎn)速控制按鍵。當(dāng)小車轉(zhuǎn)速過(guò)快時(shí)，通過(guò)減速按鍵對(duì)小車速度進(jìn)行控制。在硬件焊接好后，對(duì)小車往返清潔模式功能重新進(jìn)行測(cè)試。將小車轉(zhuǎn)速調(diào)低后，清潔小車轉(zhuǎn)向角度正常，小車正常執(zhí)行清掃工作，問(wèn)題得到解決。(2)對(duì)小車任意清潔模式進(jìn)行測(cè)試：當(dāng)1號(hào)與2號(hào)LED燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，小車工作在任意清掃模式。當(dāng)遇見障礙物時(shí)，清潔小車按預(yù)期功能正常工作。小車任意清掃功能正常(3)對(duì)小車沿邊清掃功能進(jìn)行測(cè)試：當(dāng)1號(hào)LED燈、2號(hào)LED燈與3號(hào)LED燈同時(shí)點(diǎn)亮?xí)r，小車處于延邊清掃模式。將清潔小車放于墻邊開始工作，發(fā)現(xiàn)當(dāng)小車前進(jìn)至距離墻邊還有2厘米處時(shí)，便開始調(diào)整車身。此時(shí)墻邊2厘米處便存在清潔盲區(qū)，小車的原邊清掃工作不理想。停止小車工作，在對(duì)小車程序進(jìn)行復(fù)查后發(fā)現(xiàn)無(wú)問(wèn)題，則因是小車硬件問(wèn)題。對(duì)問(wèn)題仔細(xì)分析后，發(fā)現(xiàn)因是紅外傳感器檢測(cè)距離過(guò)大，使小車還未行駛至墻邊便開始執(zhí)行避障功能。將傳感器末端調(diào)距旋鈕關(guān)小半圈，是傳感其檢測(cè)距離降低。再次對(duì)小車延邊清掃功能進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)工作正常，問(wèn)題解決。整體測(cè)試完成，小車實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)功能，運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定。5.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析經(jīng)過(guò)多次反復(fù)測(cè)試，本設(shè)計(jì)的基于單片機(jī)的掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了往返清掃、任意清掃和延邊清掃的功能，同時(shí)該掃地機(jī)器人在行進(jìn)的過(guò)程當(dāng)中可以智能的避開沿途的所有障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)有效的清掃，應(yīng)用場(chǎng)景十分豐富。本設(shè)計(jì)實(shí)物圖如圖5.7所示，圖中最上面的位置是系統(tǒng)的電源接口，通過(guò)此電源接口給整個(gè)基于單片機(jī)的開關(guān)控制系統(tǒng)進(jìn)行供電。電源接口的左邊是電源開關(guān)，通過(guò)開關(guān)來(lái)控制是否給系統(tǒng)供電。開關(guān)按鍵左下方的位置是系統(tǒng)的電源電路，包括穩(wěn)壓芯片和濾波電容，以及紅色的電源指示燈。電源接口的右側(cè)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，其實(shí)裝有散熱器的芯片是電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N，由于此器件工作的時(shí)候發(fā)熱量很大，因此在其工作時(shí)需要外接散熱片，防止其因結(jié)溫過(guò)熱引起器件燒毀。位于面包板下方是STC89C52單片機(jī)，這個(gè)單片機(jī)沒(méi)有直接插在面包板上焊接，而是通過(guò)接插的方式連接在底座上。單片機(jī)的下面的外部晶振，給單片機(jī)工作提供時(shí)鐘；以及系統(tǒng)的復(fù)位按鍵，可以通過(guò)按下這個(gè)按鍵對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位。面包板的右下角是系統(tǒng)的按鍵模塊，按鍵模塊中含有四個(gè)功能按鍵，其中位于上面的兩個(gè)按鍵是掃地機(jī)器人速度控制按鍵，通過(guò)其可以控制系統(tǒng)進(jìn)行加速和減速。第三個(gè)按鍵用來(lái)對(duì)機(jī)器人的工作模式進(jìn)行切換：按一下此按鍵以后，單片機(jī)左邊的第一個(gè)功能指示燈會(huì)亮起，代表此時(shí)的掃地機(jī)器人的工作模式為，往返清掃；當(dāng)再按一次模式切換按鍵以后，第二個(gè)功能指示燈會(huì)對(duì)應(yīng)的也點(diǎn)亮，這時(shí)系統(tǒng)的工作模式被切換為任意清掃模式；當(dāng)?shù)谌伟聪麓税存I時(shí)，三個(gè)指示燈會(huì)同時(shí)亮起，這時(shí)掃地機(jī)器人切換到最后一種工作模式—沿邊清掃模式。 整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，所有模式均可以正常切換，非常具有實(shí)用價(jià)值。圖5.7系統(tǒng)實(shí)物圖

6總結(jié)通過(guò)大量研讀國(guó)內(nèi)外文章并對(duì)相關(guān)知識(shí)進(jìn)行學(xué)習(xí)，在此基礎(chǔ)上開始了本次設(shè)計(jì)。對(duì)于設(shè)計(jì)要做的層次分明，結(jié)構(gòu)合理。每個(gè)模塊從設(shè)計(jì)到實(shí)現(xiàn)都需要扎實(shí)的理論基礎(chǔ)。將各個(gè)模塊合理拼接到一起組成設(shè)計(jì)整體，最終完成設(shè)計(jì)任務(wù)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，對(duì)我大學(xué)四年所學(xué)知識(shí)進(jìn)行了融會(huì)貫通，將之前獨(dú)立的一門門課程所學(xué)知識(shí)聯(lián)系到了一起，去解決一個(gè)整體性的問(wèn)題。對(duì)模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)、單片機(jī)、C語(yǔ)言和電路分析等知識(shí)進(jìn)行了綜合性的考察。也讓我認(rèn)識(shí)到了之前學(xué)習(xí)的不足之處。理論知識(shí)看似掌握，可到了真正應(yīng)用之時(shí)卻又有各種問(wèn)題出現(xiàn)，甚至在設(shè)計(jì)之