清洁机器人设计

基于合泰HT85F2280单片机设计的

智能清洁机器人方案书

设计者：王琦&刘家伦

近年来，随着计算机技术与人工智能科学的飞速发展，智能机器人技术逐渐成为现代机器人研究领域的热点。其中，服务机器人开辟了机器人应用的新领域。服务机器人的出现主要有三大原因：一是劳动力成本的上升；二是人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，如清洁、家务、照顾病人等；三是人口的老龄和社会福利制度的完善也为某些服务机器人提供了广泛的市场应用前景。服务机器人区别于工业机器人的一个主要特征就是服务机器人是一种适用于具体的方式、环境及任务过程的机器人系统，其活动空间大，具有在非结构环境下的移动性，因此服务机器人大多数是移动机器人。

随着社会的发展需要，服务机器人已经渗透了我们的生活、工作和经济方面，并且起到了很大的作用。服务机器人的研究和发展对我们的经济发展有很多的影响。

这篇文章主要叙述清洁机器人的总体设计，比如主控制器、硬件驱动、电机驱动、以及一些人机交互方面等等。

关键词：清洁机器人

摘要……………………………………………………P2 目录……………………………………………………P3 第一章——前言………………………………………P4 第二章——总体设计…………………………………P5 第三章——总体原理图………………………………P6 第四章——主程序流程图……………………………P7 第五章——控制器部分………………………………P8 第六章——机械驱动部分……………………………P9 第七章——步进电机驱动部分………………………P10 第八章——传感器部分………………………………P12 第九章——控制信号输入部分………………………P15 第十章——显示部分…………………………………P18 第十一章——温度检测部分…………………………P19 第十二章——电源部分………………………………P22 元件清单………………………………………………P23

第一章前言

随着人口的老龄化和社会福利制度的完善，导致劳动力成本的急剧上升，一些简单的重复性的体力劳动为服务机器人提供了广阔的市场。清洁机器人是服务机器人的一种，可以代替人进行清扫房间、车间、墙壁等。提出一种应用于室内的移动清洁机器人的设计方案。其具有实用价值。室内清洁机器人的主要任务是能够代替人进行清扫工作，因此需要有一定的智能。清洁机器人应该具备以下能力：能够自我导航，检测出墙壁，房间内的障碍物并且能够避开；能够走遍房间的大部分空间，可以检测出电池的电量，同时要求外形比较紧凑，运行稳定，噪音小；要具有人性化的接口，便于操作和控制。结合清洁机器人主要功能探讨其控制系统的硬件设计。

该智能吸尘器的核心设计利用了超声波测距的原理，通过向前进方向发射超声波脉冲，并接收相应的返回声波脉冲，对障碍物进行判断；通过以单片机为核心的控制器实现对超声发射和接收的选通控制，并在处理返脉冲信号的基础上加以判断，选定相应的控制策略；通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现避障功能。与此同时，由其自身携带的小型吸尘部件，对经过的地面进行必要的吸尘清扫。

第二章总体设计

扫地机器人的总体设计思路：

控制器部分：采用合泰公司的单片机作为主控制器。

驱动部分：采用两个步进电机和一个平面轴承作为机械驱动部分。

步进电机驱动部分：采用两个L298N作为步进电机驱动。

传感器部分：使用超声波模块作为主壁障模块，使用红外用于防止跌落，并使用集成红外接收头接收红外接收信号，

控制信号输入部分：外部的控制主要分为两种，一种是红外控制信号，一种是通过触摸按键输入的控制信号。

显示部分：使用12864进行内容显示。

温度监测部分；使用DS18B20与温敏电阻相结合对的方式监测系统温度。

电源部分：为了提供较大的供电电流和增加续航时间，本方案采用6节18650作为主电源。

MCU 按键

红外遥控

超声测距

温度监控

红外防跌落

数据输入总线 数据输出总线 LCD 电机驱动

电源

电源总线

电源输出

电源输出

电

源

输

出

第三章 总体原理图

第四章主程序流程图

开始

初始化工作单元

查询各传感器状态，执行相应服务程序LCD显示状态和时间

根据标志位控制各电机转动

检测遥控信号并处理

检测按键信号并处理

第五章控制器部分

一款产品的性能优良与否与它使用的MCU息息相关，本清洁机器人在运行时要处理温度、距离、红外。以及显示等数据，所以选择一款性能强大的MCU至关重要,基于以上几点，决定采用合泰半导体公司的8bit MCU HT85F2280。

优点：

1.使用1T Pipeline架构8051 CPU，处理速度更快。

2.宽工作电压范围2.2V~5.5V，使系统更加稳定。

3.内建高速12-bit ADC，高精度的ADC可以方便的用来检测温度、

电池电压等。

4.Program Memory为16Kx8 ~ 64Kx8，大程序空间。

5.内建多种通讯接口UART0、UART1、I2C、SPI及4组Timer，其中

Timer2同时具备4通道PCA，提供Compare与Capture功能，12-bit 快速ADC具有内建PGA及温度感测，12-bit DAC。

6.程序存储器使用的是Flash存储器，这在产品开发阶段的反复调试

产品提供了前提。

7.多种封装格式：该芯片有LQFP48和LQFP64两种封装，两种封装都

有较多的IO口资源。

第六章机械驱动部分

驱动部分是由两个四相步进电机以及相应的驱动机构组成的。步进电机带动两驱动轮（后轮），从而推动吸尘器运动。前轮不再采用传统的双轮结构，而采用了应用非常广泛的平面轴承，这既减小了结构复杂度，又提高了转弯的灵活性（如图1 ）。通过改变作用于步进电机的脉冲信号的频率，可以对步进电机实现较高精度的调速。同时在两电机分别施加相同或不同脉冲信号时，通过差速方式，可以方便的实现吸尘器前进、左转、右转、后退、调头等功能。这一设计的最大优点是吸尘器能够在任意半径下，以任意速度实现转弯，甚至当两后轮相互反向运动时，实现零转弯半径（即绕轴中点原地施转）。同时转弯的速度可通过改变单片机的程序来调节。

图1:驱动结构

第七章步进电机驱动部分

电机的驱动芯片采用L298N，该芯片是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

图2：L298N管脚图

图3：步进电机驱动模块原理图

图4：步进电机驱动初步设计PCB

第八章传感器部分

1）清洁机器人壁障主要使用超声波模块：

超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率种媒质中以恒定速率传播的特性，而在不同媒质的界面处，会产生反射现象。利用这一特性，就可以根据测量发射波与反射波之间的时间间隔，从而达到测量距离的作用。

因能力有限，超声波测距部分直接使用集成的超声波模块，如下图：

图5：HC-SR04超声波模块

这一款超声波传感器有以下优点：适应各种环境，不受灰尘和光线的影响；盲区为2．5cm。可以把传感器安装在合适的位置就可以避开盲区；探测发散角度为15°，反应距离2．5m以内，该课题的检测距离为0．5m。超声波传感器的基本原理是测量从声波发射和回到接

收器所用的时间。这一款传感器的的发射端口和接收端口是两个管脚，首先由控制器发射一个5μs宽度的高电平脉冲来激发传感器发射40kHz的超声波，脉冲发出750μs后，管脚电平置高；当传感器接收到回波时，管脚的电平被拉低。由信号端高电平的宽度就可以知道由发射到返回需要的时间，宽度为115μs～18．5ms之间。公式s ＝vt／2，其中s表示传感器与目标的距离；t表示发射到回收的时间；v是声波速度，v=340m／s。由此可以知道传感器与障碍物之间的距离。一次探测时间最多是20ms，4个传感器查询完毕，用时80ms，因此两个相邻传感器采用分时段进行使能，就会避免相互干扰，而不会影响机器人速度。

主控制器通过不断触发超声波模块来获取障碍物的距离值，当超声波的返回值小于设定值时，说明障碍物已经很近了，这是应该改变清洁机器人的行进方向，上面是超声波壁障的总体思想。

超声波时序图

2）红外防跌落：

红外防跌落主要用到红外传感器：

红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，主控制器就能够通过返回的信号识别周围环境的变化。

图6：红外传感器

红外在清洁机器人上的应用是防止跌落，在清洁机器人的地盘上均匀分布四个红外传感器，调节好参数，是正常情况下是个红外传感器返回的都是高电平，当其中的一个或者两个检测到低电平了说明是这一个或者两个红外悬空，这时清洁机器人的状态可能是处在楼梯口或者悬空处，这是应改变清洁机器人的行动方向，以上是红外红外防跌落的总体设计思想。

第九章控制信号输入部分

外部控制信号主要分为两种：

1）红外遥控部分：

一帧完整的发射码由引导码、用户编码和键数据码三部分组成。引导码是由一个4.5ms的高电平和4.5ms的低电平组成，八位用户编码被连续的发两次；八位连续的键数据码也被连续的发两次，第一次是发送的是键数据码的原码，第二次是发送的是键数据码的反码。

红外码时序图

一帧红外数据示例

上面是理论部分，在实际设计的时候因为通用红外遥控系统由发射和接收2 大部分组成，接收部分直接使用集成的红外接收头（如下图），因为编码标准不变，解码时执行同一个标准，所以发射部分使用市场上通用的遥控器进行遥控，这时控制器接根据接收到指定的红外码就能够执行相应的动作。

图7：红外接收头

图8：通用遥控器

2)触摸按键的设计：

触摸按键设计时用到合泰半导体公司的产品BS808B，BS808B是可侦测8个触摸按键的集成元件，它通过感应人体是否触摸到Touch Pad 来侦测是否有按键。它高效的隐藏电路设计，使其在应用时，只需使用很少的元件即可完成触摸按键的侦测，BS808B还提供一个串行接口与外部主机通信。

图9：触摸按键示意图

设计内容：

触摸按键要实现切换清扫模式，设置清扫时间，控制系统运行与停止，红外遥控控制系统，除了实现按键功能外，实现转弯掉头等。

第十章显示部分

显示部分使用12864作为显示器如下图

模块概述：

液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置8192 个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

连接方式：

该12864可以使用并口或者串口显示，但是由于主控制器的IO口资源有限，故采用串口的方式显示，串口方式连线方式简单，只用两根数据线就可以完成12864的硬件连接操作。

显示内容：

12864的显示内容包括：清扫模式、清扫时间、剩余电量等。

第十一章温度检测部分

高温会对清洁机器人产生致命的伤害，所以进行的关键器件的温度检测是很有必要的，比如：步进电机、电池、MCU等等。

温度的采集有两种方案：

1.使用高精度的温度传感器DS18B20

简述：DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域。

方案优点：具有体积小，抗干扰能力强，精度高的特点，单总线通信，减少IO的使用，还可以进行多点检测，使用一个IO口就可以进行多点温度的读取。

方案缺点：该芯片较为昂贵，会增加产品的开发成本。

DS18B20

2.使用热敏电阻：

简述：热敏电阻是开发早、种类多、发展较成熟的敏感元器件．热敏电阻由半导体陶瓷材料组成，热敏电阻是用半导体材料，大多为负温度系数，即阻值随温度增加而降低。温度变化会造成大的阻值改变，因此它是最灵敏的温度传感器。但热敏电阻的线性度极差，并且与生产工艺有很大关系。制造商给不出标准化的热敏电阻曲线。热敏电阻体积非常小，对温度变化的响应也快。但热敏电阻需要使用电流源，小尺寸也使它对自热误差极为敏感。

优点：开发成本低，工作温度范围宽，体积小。