1、1. 绪论1.1. 课题研究的背景和意义1.2. 国内外研究现状1.3. 本文组织结构2. 家庭服务机器人任务规划及仿真2.1. (见仿真文件 )2.2.2.3.3. 家庭服务机器人硬件模型搭建3.1. 系统性能指标在本设计中，家庭服务机器人的模型就是一辆三轮小车，小车上的两个直流电机带动两个车轮，外加一个万向轮。另一方面，在小车上安装一个普通风机，利用风机模拟清洁、吸尘功能。本文中，通过搭建家庭服务机器人的模型，来验证实现家庭小范围清洁工作。其中，实现一种或多种方式的任务规划，如单边巡边方式、随机避障方式、正方形边沿扩大方式、三角波方式等。3.2. 系统总体方案前面已经讲到，为实现对家庭小范
2、围的清洁的模拟工作，搭建一辆三轮小车，利用一种或多种方式进行任务的规划。3.2.1. 系统方案对比在确定系统的设计方案之前，务必先对系统设计的各种方案进行对比。众所周知，任何一个嵌入式系统都是以微处理器为核心，附加相应的外部外设通过软件程序实现硬件功能的。所以从某种程度上讲,嵌入式系统设计方案的对比就是嵌入式系统所选用的微处理器的对比。根据处理数据的特点，当下比较常用的嵌入式微处理器有 8 位微处理器、16 位微处理器、32 位微处理器和 FPGA。其中 8 位微处理器主要以 51 内核的微处理器为主，比较常用的有 8051、AVR、ADuc8xx 等。16 位的微处理器以凌阳、MSP430
3、、Freecale 为代表。用于工控设备的 32 位的微处理器主要是ARM 处理器。 FPGA 又称现场可编程门阵列，是一种用户根据功能需要编程设计处理器的半定制电路，可并行处理信号。从价格上讲，随着微处理器位数的增加，其价格也会相应的增长的趋势。但是随着微电子技术和集成电路计数的发展,这种价格和处理器位数成正比的关系变得不那么明显，除了极少数特殊性能或者高工作参数的微处理器以外，8 位、16 位、32 位高性能的微处理器的价格差别不大，甚至可能出现功能强大的微处理器的价格会更低。比如以 2012年 2 月份芯片网上报价为依据，8 位高性能微处理器 ADUC845 的价格是 80 元左右，16
4、 位微处理器 MSP430F5438 的价格为 25 元左右， 32 位微处理器STM32F103VET6 的价格为 20 元左右,TMS320F2812 的价格为 75 元左右。 （以上摘自中南大学 孙学飞）本设计中的家庭服务机器人模型，要达到能按照一定的路径或随机方式对特定区域实施清扫工作的模拟，只需要成功以上述方式对整个区域进行扫描即可，所以在选用控制芯片时无需一味追求强大的处理能力。51 单片机从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，使用方便，抗干扰能力强，完全可以达到本模型的设计要求。3.2.2. 系统总体设计方案在本系统设计中，为了控制车轮的直流电机，必须使用到脉宽调制技术。如
5、果使用普通 51 单片机的 I/O 口产生模拟 PWM，两路 PWM 将会占用了两个定时器，一个 51 单片机势必不能同时完成数据的采集和电机的驱动工作，所以可以设置一个主机，一个从机的模式，进行主从结合，分别完成电机的驱动和数据的采集工作。如 图 3. 5 所示，硬件上由两个 51 单片机完成外界数据的采集以及电机的驱动等各项工作。其中，以 STC12C5A60S2 单片机作为主控芯片，STC89C52RC为从芯片。前者接收来自后者的传感器信息，从而通过某种策略，进而驱动电机，使得车轮实现某种路径行走。单片机系统和红外传感器、超声波传感器由5V 电源供电，而电机驱动需要进行升压，将电压升至
6、12V。在调试过程中，液晶显示模块用来显示调试过程中传感器的各项参数。S T C 8 9 C 5 2 R C单片机（ 从机 ）S T C 1 2 C 5 A 6 0 S 2单片机（ 主机 ）红外红外红外红外超声波模块5 V 电源A 车轮电机B 车轮电机液晶显示模块图 3. 1 系统结构框图3.3. 单片机最小系统3.3.1. 控制芯片的选择在众多的 51 系列单片机中，要算国内 STC 公司的 1T 增强系列更具有竞争力，因它不但和 8051 指令、管脚完全兼容，而且其片内的具有大容量程序存储器且是 FLASH 工艺的，如 STC12C5A60S2 单片机内部就自带高达 60K FLASH R
7、OM,这种工艺的存储器用户可以用电的方式瞬间擦除、改写，而且STC 系列单片机支持串口程序烧写。显而易见，这种单片机对开发设备的要求很低，开发时间也大大缩短。写入单片机内的程序还可以进行加密，这又很好地保护了你的劳动成果。重要的一点 STC12C5A60S2 目前的售价与传统 51 差不多，市场供应也很充足，是一款高性价比的单片机。STC12C5A60S2 单片机是宏晶科技生产的单时钟 /机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代 8051 单片机，指令代码完全兼容传统 8051,但速度快 8-12 倍。内部集成 MAX810 专用复位电路，2 路 PWM,8 路高速 10位
8、 A/D 转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合。在本系统中，针对电机的控制，从 PWM 控制电机的角度来看，选择 STC12C5A60S2 单片机是一个不错的选择。STC12C5A60S2 单片机的特点总结如下：1) 增强型 8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统 8051;2) 工作电压：STC12C5A60S2 系列工作电压：5.5V-3.3V3) 工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通 8051 的 0420MHz;4) 片上集成 1280 字节 RAM;5) 通用 I/O 口(36/40/44 个)，复位后为：准双向口/ 弱上拉(普通 8051
9、传统 I/O口) ，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽 /强上拉，仅为输入/ 高阻，开漏，每个 I/O 口驱动能力均可达到 20mA，但整个芯片最大不要超过55Ma;6) ISP(在系统可编程)/IAP(在应用可编程)，无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口(P3.0/P3.1)直接下载用户程序，数秒即可完成一片;7) 内部集成 MAX810 专用复位电路(外部晶体 12M 以下时，复位脚可直接 1K电阻到地);8) 时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部 R/C 振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1 用户在下载用户程序时，可选择是使用内部 R/C 振荡器还是外部晶体/时钟，
10、常温下内部 R/C 振荡器频率为： 5.0V 单片机为：11MHz15.5MHz ，3.3V 单片机为：8MHz 12MHz ，精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准;9) 共 4 个 16 位定时器 两个与传统 8051 兼容的定时器/计数器,16 位定时器 T0和 T1，没有定时器 2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上 2 路 PCA 模块可再实现 2 个 16 位定时器;10) 外部中断 I/O 口 7 路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的 PCA 模块 Power Down 模式可由外部中断唤醒，INT0
11、/P3.2,INT1/P3.3,T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0,CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到 P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到 P4.3);11) PWM(2 路)/PCA(可编程计数器阵列,2 路)：也可用来当 2 路 D/A 使用也可用来再实现 2 个定时器也可用来再实现 2 个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持) ；本系统采用的 40 个引脚的 STC12C5A60S2 单片机，I/O 最大可达 36 个， 主要用到其 PWM 与定时器。而从机芯片则是普通的 51 单片机 STC89C52RC， STC89C52
12、 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash存储器。STC89C52 使用经典的 MCS-51 内核，但做了很多的改进使得芯片具有传统 51 单片机不具备的功能。在单芯片上，拥有灵巧的 8 位 CPU 和在系统可编程 Flash，使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。3.3.2. 最小系统设计主控芯片和从芯片虽然两者的性能不同，但是都是 51 系列 40 个引脚的单片机，两者可应用于相同的硬件系统。因此，在设计最小系统时，只需设计一种 51 单片机的最小系统，制作两块相同的最小系统板即可。51
13、单片机最小系统的原理图如 图 3. 5 所示。 （若字数不够，可以写多一点关于复位电路，时钟电路、通讯接口等） 图 3. 2 51 单片机最小系统原理图任何单片机系统都不可缺少复位电路，复位电路的好坏对单片机系统的可靠性具有极大的影响。51单片机在可靠的复位之后，才会从0000H 地址开始有序的执行应用程序。同时，复位电路也是容易受到外部噪声干扰的敏感部分之一。因此，本系统的51单片机复位电路应该具有上电复位和手动复位的功能。如 图3. 5图3. 3 51单片机复位电路3.4. 传感器模块在本系统的模型设计中，将要采用一系列的传感器获取小车的位置信息或者小车面临的外界环境，进而控制电机的运动。
14、3.4.1. 超声波模块超声波可以用来测量距离，在小车运动过程中感知小车与墙壁或者其他障碍物的距离。本系统采用 HCSR04 超声波测距模块，可提供 2cm400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可高达 3mm。该模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。基本原理是：1) 采用 I/O 口进行触发，在 TRIG 端给至少 10 微秒的高电平信号；2) 被触发后，模块自动发送 8 个 40KHz 的方波，并自动检测是否有信号返回；3) 有信号返回时，模块会在 ECHO 端输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测量距离=（高电平时间*声速）/2。超声波模块的电气参数如下：
15、3.4.2. 红外传感器为使小车能在多角度提前感知前方障碍，进而避开障碍行走，可以在车头安装红外传感器。本系统设计中在车头正中位置的两侧分别斜安装两对红外对管，主要用于检测小车前方及车轮前方的障碍物，检测到障碍时输出低电平信号。 。该红外模块可以检测 1mm60cm 距离的障碍，且检测距离可以通过红外模块主控板上的电位器进行调节。当然，距离越近性能越稳定。3.5. 电机驱动及测速模块由于小车车轮电机是直流电机，为了控制电机转速及正反转状态，务必使用电机驱动桥随电机进行 PWM 控制。可以利用 L298N 构成电机驱动电路，L298N 是 SGS 公司的产品，内部保护四通道逻辑驱动电路，是一种二
16、相和四相电机的专用驱动器，即美不包含两个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号。由 L298N 构成的电机驱动原理图如 图 3. 5 所示。另外，可以在直流电机的电枢两端并联一个 0.1 微法的瓷片电容，以稳定电机的电压不至于对单片机造成干扰。实际的使用效果也不错，省去了通过光耦隔离实现单片机输出信号与电机驱动信号的隔离环节，节约了成本。图 3. 4 L298N 电机驱动桥原理图3.6. 显示及调试模块显示模块作为人机交互的平台，可以在调试时显示传感器的各项数据，进而为系统的调试工作带来方便。本系统中添加了 12864 液晶的接口。电路图如图 3. 5 所示，可通
17、过串行或并行方式进行数据的显示。 （具体原理及接口信号说明可以参照郭天祥那本书，如果要充字数，也可以写一下接口信号说明和时序操作等）图 3. 5 12864 液晶接口电路图3.7. 电源模块每一个系统都需要一个稳定的电源以维持工作。一个系统的供电电源的性能对系统的运行质量有着举足轻重的影响。电源线上的噪声和纹波的来源具有多样性，在系统内的高速数据和高频信号本身会产生噪声，PCB 的印制线和连接线如果设计不合理，也会形成天线效应。为了尽可能地降低信号路径中的噪声和纹波，应当学会合理地进行 PCB 布线和布局以及恰当进行电源旁路处理。当然，首要的还是正确地选择适合系统的电源方案。对比开关电源和线性
18、稳压电源后可知，开关电源能提供较高的工作频率，意味着损耗小，可令系统功耗更低，但纹波较大。而线性稳压电源具有良好的线性调整率、高电源抑制比和低噪声等优点，为对噪声及纹波要求较高的电子设备提供一种易于使用的解决方案。由于本系统模型是小车，所以使用电池组供电时必要的。为确保系统的稳定性，决定选用纹波及噪声更小的线性稳压电源芯片为主控芯片和外设供电。其中，选择德州仪器公司生产的 TPS7350 电源管理芯片为主控芯片、传感器和液晶显示模块供电，而选择国家半导体的 LM2577 芯片作为升压芯片，为电机驱动模块和模拟清洁吸尘的风机供电。 （可以添加两种芯片的介绍，特点，优点等等）图 3. 6 5V 供电电路图 3. 7 12V 升压电路4. 家庭服务机器人软件设计4.1. 软件算法（不会）4.2. 软件整体方案在本系统设计中考虑到主机资源不足及运算能力不足，采用一主一从两个单片机的形式。主机主要用于控制两个电机，从机主要采集各个传感器的数据并进行编码，最后用串口发送到主机上。GND1E2I34OUT5SM/FR8P0C.u+V
