智能扫地控制系统硬件设计.pdf

智能扫地控制系统硬件设计邢雪梅渊宁夏工商职业技术学院电气控制工程学院袁宁夏 银川 750021冤随着科技的发展袁人工智能产业取得飞速突破袁呈现出井喷的发展状态遥其中袁智能机器人的发展前景也备受关注遥如今袁人们生活处处都是智能化产品的影子遥在工业领域袁越来越多的机器人代替了众多简单的机械袁 完成危险的工作曰 在日常生活领域袁扫地机器人尧迎宾机器人等也逐步改变人们的日常生活遥 作为家用服务机器人的一种袁 应用了移动机器人技术和吸尘技术的智能扫地机袁能够实现对家居尧工作场所的全面清洁袁将人们从重复性的家务中解放出来遥随着人民生活水平的显著提高袁生活节奏的迅速加快袁80尧90 后组成的主流消费群体对拥有家庭服务机器人有着实质性需求袁 使得扫地机器人存在很大的市场潜力遥若扫地机器人的性价比高尧清洁力度好袁不难想象袁扫地机将会受到人们的欢迎与追捧袁 家家户户都拥有一台甚至多台智扫地机将会成为现实遥在智能扫地机普及的同时袁人们对其清洁效果与经济实用性等都有更高的要求袁所以设计一个符合市场期望且性价比高的智能扫地控制系统方案具有重要意义遥本文介绍了STC89C52 单片机为核心设计智能扫地控制系统的设计遥1智能扫地控制系统的发展与现状我国扫地机的研究和产品开发起步相对较晚但发展飞速遥目前的国产品牌如野科沃斯冶的新款扫地机结合 AIVI 技术袁配置蓝鲸清洁系统袁采用 A7 芯片袁使用 SLAM 算法尧多组传感器和双边刷使得扫拖双效力度强袁还能智能识别地毯袁进而增压或者绕行袁激光雷达导航识别进度袁起到少漏扫尧低重复的作用袁甚至还能自动智能擦窗袁同时袁外观也是美观纤薄遥 品牌野浦桑尼克冶猎鹰系列扫地机采用仿生超声波雷达加红外线使得侦测范围提高到 160毅袁减少碰撞使得避障效果更佳袁同时采用双定位智能安防可视化遥 除了上述品牌袁还有众多品牌都在纷纷推陈出新袁结合时下最新芯片技术开发一代又一代的新产品遥然而袁智能扫地机的市场却存在很多问题亟待解决袁如清洁效果不佳尧定位不清尧边角碰撞后自我解救的能力低尧噪音大尧使用年限少尧上手使用难尧自主更换零件麻烦尧集成电路维修和售后保障低遥 最后也是最重要的一点袁经济性太差袁昂贵的价格使得很多人对扫地机望而却步遥扫地机的技术发展进步迅速袁当开发技术成熟零部件普及后性价比会变高袁 就像 20 世纪 90 年代的普通家电渊洗衣机尧冰箱冤尧21 世纪 00 年代的手机与现在的普通家电尧智能手机市场一样遥2相关技术概述移动机器人技术最核心的两个部分是电机驱动和调速袁本章叙述电机驱动芯片 L293D 的内部结构电路尧控制小车电机运动的原理和 PWM 脉冲宽度调制技术与电机的参数来实现小车调速遥2.1 L293D 电机驱动芯片L293D渊双 H 桥路冤内部结构图如图 1 所示遥 由于四个三极管渊如第一组 T1尧T2尧T3尧T4冤组成的形态长得像字母 H袁所以得名 H 桥路袁由两套 H 桥电路集成到芯片 L293D 上遥ENA 为电机使能端袁电流驱动电机转动流程为院电流从 VS 流到 T3渊节点另一个支路流到另一个桥路冤袁再从 T3 流到 OUT2袁从电机的正极流向负极流出 OUT1 到 T2 再到 GND袁形成回路袁完成正转遥 此过程三极管 T3尧T2 导通袁T1尧T4 截止遥数字信号发送流程使得三极管导通遥 使能端 EVA 为高电平 1袁IN1 为 0袁IN2 为 1遥 T1 左侧的与门输出 0袁T1 截止遥 T2 左侧的非门输出 1袁 与门输出 1袁T2导通遥 T3 右侧与门输出为 1袁T3 导通遥 T4 右侧非门输出为 0袁与门输出为 0袁T4 截止遥 电机正转遥电机反转时袁ENA 为高电平 1袁IN1 为 1袁IN2 为 0遥 T1 左侧的与门输出 1袁T1 导通遥 T2 左侧的非门输出 0袁 与门输出 0袁T2截止遥 T3 右侧与门输出为 0袁T3 截止遥 T4 右侧非门输出为 1袁与门输出为 1袁T4 导通遥 电流从 VS 流到 T1渊节点另一个支路流到另一个桥路冤袁 再流到电机 out1 极流向电机的 OUT2袁 经过 T4再到 GND袁 形成回路袁 完成反转遥 此过程三极管 T1尧T4 导通袁T2尧T3 截止遥若使能端 ENA 为 0袁IN1 为 1袁IN2 为 0袁 由于与门的原因袁四个三极管左右侧的与门输出都为 0袁都截止袁电机静止不动遥图 1L293D渊双 H 桥路冤内部结构图电机驱动模块电路如图 2 所示院图 2电机驱动模块电路原理图摘要院智能扫地机市场外冷内热袁人们迫切希望智能扫地机能够普及像普通家电一样袁代替繁重的清扫活动遥 作为家用服务机器人的一种袁智能扫地机配备微电脑系统袁能按照人们的期望清洁具体环境遥 首先介绍了研究背景和扫地机的发展袁然后系统讲述了电机驱动和 PWM 调速等相关理论袁再进行了系统硬件设计遥 硬件部分由 STC89C52 最小系统来控制电机驱动电路尧超声波测距避障等模块的协同工作袁并由主电源电路进行供电遥关键词院避障曰循迹曰单片机曰智能扫地控制智能扫地控制系统硬件设计156叶工业控制计算机曳圆园圆3 年第 猿6 卷第 8 期圆.2 PWM 脉宽调制以单片机的定时器和中断为基础袁 主要的调制原理是通过调节占空比和频率来调节电机遥 由于本设计的 STC89C52 不带PWM 硬件功能袁所以不能通过程序配置 PWM 寄存器袁通过指定 IO 口输出 PWM 信号袁只能通过软件实现袁即使用 51 单片机定时器与中断实现袁其优点是编程简单易于入门学习袁缺点是占用 CPU 时间遥 此设计采用的电机的参数如表 1 所示遥 直流脉冲宽度调制渊PWM冤的优点主要有院线路简单尧功耗较小尧电流连续性高调速范围广尧低速性能好尧响应快尧抗扰动能力强遥表 1电机参数表猿智能扫地控制系统硬件设计猿.1 系统硬件电路设计硬件部分由 STC89C52 最小系统来控制电机驱动电路尧超声波测距避障尧红外避障和循迹等模块的协同工作袁并由主电源电路来对它们进行供电遥采用模块化的设计方法袁系统的总体框图如图 3 所示院图 3系统结构框图1冤总电源电路模块院对智能扫地控制系统进行供电遥2冤单片机最小系统电路院等同于电脑的 CPU袁起到总体调节的作用遥 通过单片机控制系统袁进而完成对扫地小车的控制遥3冤超声波接收电路院对环境障碍物进行超声波测距袁然后输入到单片机控制模块中遥4冤红外接收电路院对环境障碍物进行红外感应袁然后输入到单片机控制模块中遥5冤避障与循迹电路院单片机对传感器传送回的信号进行处理袁再对电机进行转向控制袁进而避障和循迹遥6冤电机驱动电路院 通过程序控制 PWM 脉宽调速控制电机的转速进而控制小车的运动遥猿.2 系统控制模块本设计使用的是单片机 STC89C52袁 核心是 8051 微处理器袁其特点是高性能尧低成本遥 8051 可以运行空闲模式和掉电模式两种省电模式来实现降低功耗遥 本设计采用 STC89C52 单片机袁它的最小系统主要包括主控芯片 STC89C52尧时钟电路和复位电路三大部分袁如图 4 所示遥猿.3 电源模块电路电源模块的电路原理图如图 5 所示遥电源模块由电池接口尧电源开关尧滤波电容尧降压芯片 LM7805尧电源指示灯组成遥LM9805 是常用的稳压芯片袁 内部电路为三端稳压集成电路遥 输入一个直流稳压电源袁输出电压为 5 V遥 内含过流和过载保护电路带散热片时能够持续提供 1 A 的电流袁如果使用外围器件袁还能提供不同的电压和电流遥J1 电源接口渊电池接口冤袁接口接到电池盒上的电源线袁从而输入电流就接到了 CON2 端子上袁J1 有 1尧2 两个引脚袁 分别接到电池的正负极上渊负极接地 GND冤遥C1 为 100 滋云 的无极性的滤波电容遥 电源接口与降压模块通过电源开关 SW1 连接袁SW1 开关按下去时袁 左端电源信号通过开关通到右边支路袁标注+7.4 V 代表这一端输出+7.4 V 电压袁 小车供电采用两节 3.7 V电池组成的袁合计起来为 7.4 V 电压遥 同时+7.4 V 也接到了电机驱动芯片的 VCC2 引脚袁 是因为电机驱动芯片所需要的电流比较大袁 所以直接通过开关就把 7.4 V 的电源电压接到电机驱动模块遥U3-LM7805 降压芯片的作用是把 7.4 V 降到 5 V袁由于开发板上的单片机供电以及开发板上的众多芯片供电要求都是 5 V袁若不加降压芯片袁就无法从小车底板上向开发板上供电遥降压芯片前面有一个耐压为 10 V 的 470 滋云 的滤波电容 EC1袁作用是滤除 7.4 V 电压的波纹袁使得电源输出稳定渊智能小车工作时袁电压波动比较大袁从 5耀7.4 V袁小车轮子被障碍物挡住处于停止不转的堵塞状态袁电流时大时小袁加滤波电容可以让 7.4 V 更加稳定输入到降压芯片进行降压冤遥 降压芯片后面也接了无极电容C2 和有极电容 EC2 的电容袁使得降压之后的 5 V 更稳定些袁不会低于 5 V袁因为单片机低于 5 V 工作不正常袁小车也可能处于不正常工作状态遥 降压芯片有三个引脚袁VI 输入 7.4 V 左右袁VO输出 5 V袁再接 F1遥 F1 是保险丝袁作用是防止 5 V 电路短路渊例如 VCC 和 GND 短路冤袁不加保险丝可能导致器件损坏袁而加了保险丝若接反短路则不会对器件造成损坏袁只是不会通电遥由于降压芯片前的 7.4 V 电压没有加保险丝袁所以电池盒不能接错了渊电池盒接口 7.4 V 端采用了防插反设计袁 并且电池盒电源线不经常接插袁而 5 V 要接开发板和其他传感器件袁会经常使用到袁很容易不小心接反袁加保险丝能有效防止器件损坏冤遥电源指示灯袁上端 VCC 接 5 V 电源袁通过限流电阻接 LED灯遥 当按键按下后袁7.4 V 通过降压模块降压为 5 V袁 使得整条VCC 电路导通袁LED1 亮袁即代表 5 V 电源输出有效遥 J7 为一个渊下转第 160 页冤图 4单片机最小系统图图 5电源模块电路原理图157渊上接第 157 页冤端子头袁直接把 7.4 V 电池输出电压接到电压检测模块袁屏幕实时显示电池目前电压遥J5 与 J6 分别为 5 V 电源输出排针和系统电源接地排针遥J5 通过 D1 二极管接到 VCC 即 5 V 电源袁J5 的作用是引出 5 V电源袁通过引出的 5 V 电源袁可以给开发板进行或别的5 V 器件进行供电遥D1 为普通的 4148 的二极管袁具有单向导通的作用袁电流可以从 VCC 流向 J5袁不能从 J5 反流回小车上的 VCC渊5 V冤遥目的是防止当开发板通过 USB 供电时袁 如下载程序时要接上USB 线袁USB 接线时有 5 V 电源袁按下开发板开关袁开发板也有5 V 电源袁就会给小车供电袁若芯片有程序袁一打开电源电机就工作袁由于小车负载较大袁电机工作时功耗也比较大袁但是电脑USB 接口输出 5 V 的电流很小袁只能勉强带动小车袁会造成 USB线里的铜丝烧毁或者开发板无法烧写程序袁所以加了一个 D1 二极管遥 单向导通使得当下载程序时袁小车电源关闭袁只是打开开发板电源袁开发板无法向小车内部供电袁从而起到保护 USB 线和开发板的作用遥 J6 接在开发板上的地 GND遥3.4 超声波模块电路超声波模块接口图如图 6 所示遥 J9 为超声波模块的四个引脚的排针袁1 引脚接地 GND袁4 引脚接电源 VCC袁2尧3 两个引脚为信号输出输入端袁作用是连接 J2 和 J9遥 在小车底板上袁通过线导到 J2 排针上袁 通过杜邦线把 J2 接到开发板对应的 IO 口袁通过读取超声波模块返回的距离信息袁 再判断距离是否小于避障距离从而控制系统是否以及如何进行避障遥源结束语本文设计的硬件部分由 STC89C52 最小系统来控制电机驱动电路尧超声波测距避障等模块的协同工作袁并由主电源电路来对整个系统进行供电遥 当前袁 人们对于智能扫地机的清扫效果尧成本提出了越来越高的要求袁本文仍然有许多不足之处还待完善袁如设计智能扫地控制系统的吸尘部分袁如何在不同的家居环境下进行路径规划渊地图识别编程冤袁如何自动充电尧防跌落袁如何降低人机交互 APP 智能家居系统成本等遥参考文献咱1暂王君颜袁许坤.基于 STC89C51 单片机的多功能智能小车设计策略研究咱J暂.南方农机袁2019袁50渊4冤院106咱2暂汪子翔.家用智能扫地机器人的工作原理探究咱J暂.通讯世界袁2019袁26渊2冤院283-284咱3暂陈科睿.浅谈智能型扫地机器人的工作原理及系统方案设计咱J暂.科技经济导刊袁2019袁27渊1冤院23咱4暂马宏兵袁毕建兴袁赵佳莹.基于单片机的智能小车避障系统的设计与实现咱J暂.信息记录材料袁2018袁19渊10冤院77-79咱收稿日期院圆园圆猿-02-15暂数并计算出成功率袁最后进行整体测试袁再次观察成功率袁再进行系统的的优化处理袁以提高系统的稳定性和精准性遥摄像头模块可以单独进行测试袁 在未安装整体机器人之前要先通过联机进行测试袁找出存在的问题袁并作出优化袁提高系统的准确性袁为减小由于系统所处的环境所引发的误差袁采取在模拟医院场地的道路上进行测试遥 测试结果如表 1 所示院表 1病房号码识别测试结果3.2 整体测试将整个过程进行测试袁首先闭合机器人开机开关袁识别病房号码袁然后放置药品袁寻找并进入指定的病房袁等待药品取出袁在检测到药品取出之后袁自动返回药房等待下次取送药遥测试结果如表 2 所示院表 2整体测试结果4结束语本文根据医院的实际情况进行研究袁对系统的总体方案尧硬件及软件结构做了详细的描述袁并进行了相应的测试袁结果虽然跟预期的结果有所差别袁 但还是令人满意的遥 本设计完全自动化袁操作方便简单袁只需要闭合机器人开机开关即可袁价格低廉袁能耗较低袁降低了医院的人力成本袁减少人员接触袁降低了交叉传染的风险袁减轻了医院病人达到峰值时医护人员的工作压力遥对于构建智慧医院有着重要的意义遥参考文献咱1暂谭民袁王硕援机器人技术研究进展咱J暂援自动化学报袁2013袁39渊7冤院963原972咱2暂机械工业仪器仪表综合技术研究所.医疗机器人创新技术研讨咱J暂援仪器仪表标准化与计量袁2021渊5冤院13咱3暂赵新刚袁段星光袁王启宁袁等援医疗机器人技术研究展望咱J暂援机器人袁2021袁43渊4冤院385咱4暂张送根袁王豫援基于数据分析概述医疗机器人产业发展现状及未来趋势咱J暂援中国医疗器械信息袁2017袁23渊7冤院14原18咱5暂杜志江袁孙立宁袁富历新援医疗机器人发展概况综述咱J暂援机器人袁2003渊2冤院182原187咱6暂刘文婷援后疫情时代袁我国医疗机器人产业发展的危与机咱J暂援机器人产业袁2021渊2冤院77原81咱7暂张辉袁王耀南袁易俊飞袁等援面向重大疫情应急防控的智能机器人系统研究咱J暂援中国科学院信息科学袁2020袁50院1069原1090咱8暂王汉松袁董斌袁罗雯懿袁等援医疗机器人在发热隔离门诊中的应用进展咱J暂援中国卫生资源袁2020袁23渊4冤院394原399咱9暂于健伟袁羊月祺袁李鑫袁等援新型冠状病毒疫情背景下医疗设备创新应用与发展趋势探讨咱J暂援中国医疗设备袁2021袁36渊3冤院173原176袁180咱10暂张辉袁王耀南袁易俊飞袁等援面向重大疫情应急防控的智能机器人系统研究咱J暂援中国科学院信息科学袁2020袁50渊7冤院1069原1090咱收稿日期院圆园圆猿原园圆原员源暂图 6超声波模块接口原理图全自动取送药机器人的设计160