基于SLH89F5162的智能清潔機器人

一、項目設計背景及概述

清潔機器人是服務(wù)機器人的一種，所謂服務(wù)機器人是指自主或半自主的、從事非生產(chǎn)活動(dòng)、能完成有益于人類(lèi)健康的服務(wù)工作的機器人。家庭清潔機器人集機械、電子、傳感器、計算機、控制、機器入技術(shù)、人工智能等諸多學(xué)科為一體，能夠自動(dòng)進(jìn)行房間地面的家庭衛生服務(wù)。在一些發(fā)達國家的很多公共場(chǎng)合已經(jīng)開(kāi)始使用清潔機器人，隨著(zhù)清潔機器人性?xún)r(jià)比的提高，清潔機器人進(jìn)入家庭成為可能。

家用吸塵器作為當今家庭的主要的日常清潔工具，會(huì )與用戶(hù)形成頻繁的互動(dòng)關(guān)系，產(chǎn)品和消費者產(chǎn)生一種直接的接觸與溝通。近些年，智能手機發(fā)展迅速并得到了廣泛的普及，成為許多人的生活與工作的必需品，如果能夠用手中的智能手機就完成對吸塵器的的有效控制，將會(huì )為人類(lèi)的清潔工作帶來(lái)極大的便利。智能手機與清潔機器人結合，兼具智能手機良好的操作體驗和清潔機器人便利又高效的清潔作用。

此次深聯(lián)華單片機大賽提供的“三防”單片機給我們提供了一個(gè)很好的平臺來(lái)實(shí)現我們的想法，融合智能手機以及機器人領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，本課題旨在開(kāi)發(fā)一種成本低能夠充分滿(mǎn)足家庭需求且方便適用的智能家庭清掃機器人。使它可以替代傳統的家庭人工清掃方式使家庭生活電氣化、智能化使科技更好地為人類(lèi)服務(wù)。

二、項目設計原理

2.1、原理概述

清潔機器人需要完成的任務(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)現邊行走邊打掃，完成預定的任務(wù)。典型的清潔機器人主要由以下幾個(gè)模塊組成：

（1）信息采集模塊

（2）決策模塊

（3）運動(dòng)控制模塊

（4）清掃模塊

這四個(gè)部分構成了完整的清潔機器人系統，如圖2-1所示。信息采集模塊返回當前清潔機器人的位置信息，如是否碰到障礙物、是否遇到樓梯等，然后把這些信息送給決策模塊進(jìn)行決策，控制運動(dòng)控制模塊，使機器人轉彎或者后退等，在機器人運動(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)。


圖2-1清潔機器人系統典型組成示意圖

2.2、硬件設計原理

2.2.1機械結構設計

機器人本體的良好設計是實(shí)現其他各功能模塊的基礎。本文設計的清潔機器人采用三輪機構的車(chē)體，兩個(gè)動(dòng)力輪，一個(gè)萬(wàn)向輪，具有運動(dòng)靈活，控制簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

機器人在地面上移動(dòng)的方式通常有三種：輪式、履帶式和步行式。步行移動(dòng)方式模仿人類(lèi)或動(dòng)物的行走機理，用腿腳走路，對環(huán)境適應性好，智能程度也相對較高，但步行移動(dòng)方式在機構和控制上比較復雜：履帶移動(dòng)方式將環(huán)狀循環(huán)軌道履帶卷繞在若干滾輪外，使車(chē)輪不直接與地面接觸，履帶式的的優(yōu)點(diǎn)是著(zhù)地面積比車(chē)輪式大，所以著(zhù)地壓強小，適于爬坡或者不平的地面；輪式移動(dòng)方式是最常見(jiàn)的一種地面行進(jìn)方式，其特點(diǎn)是：能高速穩定的移動(dòng)，能量利用效率高，機構和控制簡(jiǎn)單，但不能爬坡。本設計中清潔機器人只需在室內打掃，工作環(huán)境較好，所以采用輪式移動(dòng)方式。

超聲波傳感器需要安裝在底盤(pán)上，且需要安裝在合適的位置并牢固可靠。本設計中將超聲波模塊直插在固定的電路板上，進(jìn)而固定在底盤(pán)上。機器人行進(jìn)時(shí)，主要是對要前行的路探測是否有障礙物，因此將超聲波模塊安裝在車(chē)身的最前端。

本系統選用雙軸HC02-48強磁電機，電機運行穩定，無(wú)抖動(dòng)。扭力強勁130強磁直流減速電機，扭力為普通電機的2至5倍，電壓3-9V，變速箱1：48比速，小車(chē)最佳比速，速度與力量完美組合。

清掃機器人的吸塵技術(shù)有兩類(lèi)：真空吸塵器和氣流濾塵器。真空吸塵器是由高速旋轉的風(fēng)扇在機體內形成真空從而產(chǎn)生強大的氣流，將塵埃和臟物通過(guò)吸口吸入機體內的濾塵袋內。氣流濾塵器是一個(gè)全封閉系統，既無(wú)外部氣體吸入，也無(wú)機內氣體排除，其原理是利用附壁效應去形成低壓渦流氣體，最后將沉渣截留于吸塵器內的渦流腔內。

2.2.2硬件電路設計

根據清潔機器人功能要求，清潔機器人硬件系統包括單片機最小系統、電源模塊、電機驅動(dòng)模塊、超聲波模塊、藍牙模塊。

本系統采用SLH89F5162作為核心控制芯片。采用了多種防破解技術(shù)。SLH89F5162單片機是一款功能比較強大的單片機，它擁有兩個(gè)全雙工串行通信接口，串口1的功能及操作與傳統51單片機串行口相同：特殊的是SLH89F5162單片機內部有一個(gè)獨立波特率發(fā)生器，串口1可以使用定時(shí)器1作為波特率發(fā)生器，也可以使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器；而串口2只能使用獨立波特率發(fā)生器作為波特率發(fā)生器。SLH89F5162是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8-12倍。內部集成3路PWM，8路高速10位A/D轉換，針對電機控制，強干擾場(chǎng)合。SLH89F5162單片機為整個(gè)控制系統核心，考慮各模塊的功能需求以及單片機各個(gè)I/O口的特性后。

硬件系統由以下幾個(gè)模塊構成：電源部分，負責提供穩定的5V電源；晶振電路，為系統提供時(shí)鐘；復位電路，按鍵后對系統進(jìn)行復位：藍牙模塊，接收手機發(fā)送的控制信號；超聲波模塊，進(jìn)行實(shí)時(shí)測距以躲避障礙物；驅動(dòng)模塊，驅動(dòng)電機工作，實(shí)現機器人的行走。

時(shí)鐘電路在單片機系統硬件設計中往往是一個(gè)關(guān)鍵的部分，由于晶振的工作頻率很高，設計不當就很有可能使其工作時(shí)的產(chǎn)生的高頻信號對其他電路造成干擾；若晶振工作不正常，則會(huì )導致整個(gè)單片機系統無(wú)法運行。SLH89F5162系列單片機的時(shí)鐘輸入接在其14（XTAL2）和15（XTAL1），通常是接一個(gè)12M的晶振體。晶振和單片機引腳之間的連線(xiàn)盡量要短，這樣可以保證其工作的穩定性和避免晶振的高頻信號過(guò)多的干擾周?chē)€(xiàn)路。晶振的下方和周?chē)M量不要走線(xiàn)，尤其是對信號質(zhì)量要求高的器件的線(xiàn)路。

單片機需要在上電之后給其一個(gè)復位信號才能正常工作，在開(kāi)發(fā)和調試單片機系統時(shí)也往往要對它進(jìn)行手動(dòng)復位，而且當單片機系統供電電壓過(guò)低時(shí)，程序的運行會(huì )出現非正常的情況，要求在低壓時(shí)也必須對單片機系統進(jìn)行復位。SLH89F5162單片機的RESET引腳為低有效，平時(shí)為上拉高電平，復位時(shí)，需要給其一定時(shí)間的低電平。

機器人系統要穩定工作必須有強健的電源供給作為保障，強大的電源可以使系統在各種環(huán)境下長(cháng)時(shí)間穩定的工作，因此電源管理是整個(gè)系統可靠運行的基礎。本系統中電源分為功率和信號兩部分輸出，即單片機最小系統、超聲波傳感器接口、藍牙接口的電源由信號電源供應；電機驅動(dòng)、微型吸塵器的電源由功率電源供應。