1、本科毕业设计说明书扫地机的数据控制系统设计THE DESIGN OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE DATA CONTROL SYSTEM安徽理工大学毕业设计II扫地机的数据控制系统设计摘要自动扫地机属于服务机器人的一种，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。世界各国尤其是西方发达国家都在致力于研究开发和广泛使用自动扫地机。尽管目前国内外在这方面的研究开发方面已经取得一定的成果，但是仍有许多关键技术问题需要解决或提高，如路径规划就是其中的一个比较重要的技术。本文介绍一种基于 MC9S12DG128 单片机的自动扫地机数
2、据控制系统。该系统实时性高功能完备，包括信息采集模块、控制模块、清扫模块、运动模块。由碰撞传感器、红外测距传感器等来探测周围的环境，由红外接收头实现无线手动遥控功能，由直流电机带动两个驱动轮旋转，采用改进的“井”字形路径遍历法。经过实验证明了设计的可靠性，实现了自动扫地机的自动清洁行走。关键词：自动扫地机，单片机，红外遥控，自动行走安徽理工大学毕业设计IIITHE DESIGN OF AUTOMATIC SWEEPING MACHINE DATA CONTROL SYSTEM ABSTRACTAutomatic sweeping machine is one part of the servi
3、ng robot. With the development of society, the serving robot has infiltrated our lives, work and the economy, and has played a significant role. Automatic sweeping is being researched and developed in the countries all over the world, and which is being used widely in the west developed countries. D
4、espite the current areas of research and development at home and abroad in this aspect has made certain achievements, there are still many key technical problems need to be solved or improved. For example, path planning is one of the important technical. This paper presents the system integration an
5、d overview of autonomous cleaning robot which is based on MC9S12DG128 singlechip. The real time characteristic and function of the system are in good condition. The system consists four segments: information collection module, the decision module, cleaning module, motion control module. Several sens
6、ors such as collision sensor, infrared distance sensors detect the surrounding obstacles while cleaning. The realization of wireless remote manual control function is composed of an infrared receiving head. Two driven wheels are driven by two DC motors combining. It adopts the improved “井“ - shaped
7、path traversal method. Experiments show that the control system run well and the robot have the ability to clean the floor automatically.KEYWARDS：automatic sweeping machine, singlechip, infrared remote control, automatic move安徽理工大学毕业设计i目录摘要 .IABSTRACT .II1 绪论.11.1 概述.11.2 选题依据和意义.11.3 国内外自动扫地机的发展现状.
8、22 MC9S12DG128 单片机简介 .42.1 前言.42.2 引脚说明.42.3 操作模式.72.4 本系统中的 MC9S12DG128 单片机 .73 系统总体设计.93.1 自动扫地机系统组成.93.1.1 信息采集模块.93.1.2 控制模块.93.1.3 运动模块.103.1.4 清扫模块.103.2 自动扫地机系统总体设计.103.2.1 自动扫地机功能设计.103.2.2 自动扫地机硬件框架.113.2.3 自动扫地机软件框架.123.2.4 自动扫地机机械结构.133.3 电机和电池选型.133.3.1 电机选型.133.3.2 电池选型.144 系统硬件电路和软件流程.
9、164.1 机械结构设计.164.1.1 自动扫地机本体设计.164.1.2 传感器配置与安装.164.1.3 运动控制系统结构.164.2 硬件电路设计.17安徽理工大学毕业设计ii4.2.1 硬件电路总体结构.174.2.2 子板设计.184.2.3 时钟电路设计.184.2.4 看门狗电路设计.194.2.5 电源模块设计.194.2.6 电机驱动模块设计.214.2.7 信号采集模块设计.224.2.8 视觉模块设计.244.2.9 遥控模块设计.254.2.10 LCD 显示模块设计.264.2.11 自动充电系统设计.274.3 软件流程设计.304.3.1 主程序流程.304.3
10、.2 路径规划概述.314.3.3 自动充电流程.334.3.4 视觉导引研究.335 结束语.36参考文献.37安徽理工大学毕业设计11 绪论1.1 概述自动扫地机小巧轻便，操作简单，有很好的实用性，它自带电源，对工作环境适应性好。它的任务是清洁房间地面，主要处理地面的灰尘，对大尺寸的物体不进行处理，它对家具和人都是安全的，且具备一定得自我保护能力。自动扫地机系统的基本结构一般包括四部分：信息采集模块、控制模块、清扫模块、运动模块。随着计算机技术、人工智能技术、传感器技术、移动机器人技术的飞速发展，为自动扫地机的控制模块的研究和开发打下坚实的理论与技术基础以及美好的未来发展蓝图；信息采集模块
11、依赖于传感器技术，一般常用的传感器有：CCD 摄像机、红外测距传感器、重力传感器、碰撞传感器等，采集外部的环境信息；运动模块是自动扫地机的本体，一般的结构有：轮式、履带式、步进式或其他方式，轮式和履带式适合移动在平整的地面上，步进式适合与条件较差的路面移动；清扫模块一般有：边刷、地刷和吸尘器，边刷和地刷用于强力清扫地板上的吸附物，吸尘器吸取地板上较小的物体。近年来快速发展、深刻影响着自动扫地机进步的关键技术有：路径规划技术、传感器技术、吸尘技术、控制技术、电源技术等。1.2 选题依据和意义在人类不断发展的文明中，科技扮演的角色越来越重要。尤其在当今世界，科学技术使人类的生活和思维方式不断变革，
12、科技产品已深入到人类生活的个个角落。在控制、感知、驱动、材料等领域不断进步的技术背景下，机器人首次出现在制造领域之外的服务领域，开辟了应用机器人的新领域。服务机器人的出现有着深刻的社会因素，主要有三大原因：（1） 、劳动力成本上升；（2） 、人类想摆脱枯燥乏味的体力劳动，像清洁、家务、照顾病人等；（3） 、人口的老龄化和社会福利制度的日益完善。服务机器人有着比较明显的特征：适合具体的方式、环境以及任务过程的一个机器人系统，活动范围广，非结构环境下移动性，所以大多数机器人是移动机器人。自动扫地机是一种能够自动执行房间清扫的家用服务机器人，集中了机械学、电子技术、传感器技术、计算机技术、控制技术、
13、机器人技术、人工智能技术等多学科。开始于 20 世纪 80 年代的研究，现在已经有多重样机和产品，并且促进了家庭服务机器人行业的发展，也促进了移动机器人技术、图像、语音识别、传感器等技术的发展。许多发达国家都将其视为机器人研究的新领域给予重视。有关资料也预测自动扫地机是未来几年需求量最大的服务机器人，特别是日用清洁电器不论在市场上或者是在产品创新上，绝对是所有小家电产品中最活跃的，未来仍有很大的成长空间。安徽理工大学毕业设计21.3 国内外自动扫地机的发展现状哈尔滨工业大学在此领域的探索工作开始于 90 年代，前后负责国家 863 高科技计划资助项目-高楼壁面清洁爬壁机器人的研究任务，完美的做
14、完了样机的研制工作。哈尔滨工业大学和香港中文大学联合，开发一种全方位移动自动扫地机，安装的万向轮可任意方向移动，开放式控制结构，软件可移植，硬件可拓展，时时避障功能，增强的自动扫地机的环境适应能力。1999 年，浙江大学的机械电子研究所开始只能吸尘机器人的研发工作。我国首台低级智能自动扫地机两年以后成功问世。此类机器人执行清扫，第一学习环境，也即是依靠超声波传感器检测障碍物的距离，而且离墙壁有固定的一段距离，依据这些角落的清扫信息，计算房间的面积，根据这些信息计算清洁工作的时间，随后，基于局部遍历规划与随机规划汇合的方法进行计算最佳的移动清洁路线，打扫工作完成后，也会进行自主充电。“三叶虫”吸
15、尘机器人是瑞典家电公司伊莱克斯经历 12 年，向市场推出的世界首台智能吸尘机器人。它被开启后，首先会依着墙角进行清扫工作，与此同时对清扫的房间进行扫描获取房间信息。机器人工作时，主要应用的是随机规划模式，也就是工作中会使用超声波传感器探测行进方向前方的障碍物，当探测到有障碍物时会自动选择躲避障碍物，然会自主选择新的清扫路径。工作过程中电量不足时，它会停止工作移动到充电器进行自动充电，充电完毕后，会返回到原来中断的清扫地点继续清扫工作。为了避免机器人跑到危险的区域，一般用磁条来限制机器人的移动空间，保护机器人上的安全。“Roomba”是美国 iRobot 公司研发的家庭自动扫地机。 “Roomb
16、a”可以运行三种模式：S 模式，清扫大约 34 平方米，工作 20 分钟；M 模式，清扫大约 67 平方米，工作 30 分钟；L 模式，清扫大约 8 平方米以上，工作 40 分钟。在设置清扫模式之后，“Roomba”会执行螺旋清扫路线，通过碰撞探测障碍物。当碰撞障碍物后，会顺着障碍物前行，移动一定距离后，会自动转动 90 度，并不断重复上面的过程。这样循环的进行，一直到清洁完成，然后停止工作。通过“虚拟墙”设置一个对机器人有阻隔作用的墙壁，控制机器人的活动空间。 “Roomba”的环境适应性比较强，能够在家具的缝隙间自由移动，动作灵巧快捷。 “Roomba”的最大特点是吸尘构造，不但有真空吸口
17、，还有底部的旋转滚刷以及侧部的旋转毛刷，这些都强化了清洁去污能力，补偿了洗尘功率的不足。另外，还能够检测污垢情况，进行多次的清扫工作。2003 年 5 月日本的日立公司亮相的智能真空机器人，其身长直径 25cm，身高13cm，总重 4kg，是世界上当时最小的吸尘机器人。移动最快速度是 40cm/s，清扫面积是 10 平方米，大约耗时 10 分钟，障碍物假定是 3 个，通过遥控器或机身进行操作。吸尘机器人装有 CCD 相机，可以经过手机连接家用电脑查看房间清洁情况。清扫工作安徽理工大学毕业设计3结束后，自动回到“充电/垃圾回收站” ，补充能量并处理垃圾。在机身下部，装有移动伸缩的自由洗尘口，可深
18、处 5cm 左右，当移动到一些角落或者狭窄区域时，可最大化清洁地面，不留任何死角。韩国 Samsung 公布的一种交新型吸尘机器人使用交新型 3D 地图影射技术定位自身位置，操作者能够连接任意电脑互联网计算机操作自己的自动扫地机。机器人顶部安装有摄像装置用于时时检查家庭清洁状态。VC-RP30W 配置有自动充电设备，机器人清扫过程中电压不足时会自我检测到，及时的进行充电，结束充电后，会继续进行前面的清扫工作。整个清扫工作结束后，该机器人会释放负离子，净化空气，充当空气清新机的功能。安徽理工大学毕业设计42 MC9S12DG128 单片机简介2.1 前言本系统采用 Freescale HCS12
19、 系列的 MC9S12DG128 单片机作为核心控制芯片。MC9S12DG128 是一个以 16 位中央处理器为核心的 16 位单片机，128K 的字节的 Flash EEPROM 存储器， 8K 字节的 RAM，2K 字节的 EEPROM，两个异步串行通信接口（SCI） ，两个串行外围接口（SPI ） ，两个 8 通道模拟数字转换器（ADC） ，1 个 8 通道脉宽调制模块，两个兼容 CAN2.0A/B 协议的控制器，1 个 Byteflight 模块和内部集成电路总线。2.2 引脚说明MC9S12DG128 单片机有 80 引脚和 112 引脚两种封装形式，本系统采用 112 引脚，其引脚
20、图如图 2-1。EXTAL，XTAL ：振荡器引脚，晶振电路或外部时钟引脚。EXTAL、XTAL 分别是振荡器的输入和输出引脚。图 2-1 MC9S12DG128 单片机 112 引脚图PP4/KWP4/PWM4 PP5/KPW5/PWM5 PP6/KWP6/PWM6 PP7/KWP7/PWM7 PK7/ECS/ROMCTL VDDX VSSXPM0/RXCAN0/RXBPM1/TXCAN0/TXBPM2/RX_BF/RXCAN1/RXCAN0/MISO0PM3/TX_BF/TXCAN1/TXCAN0/SS0 PM4/BF_PSYN/RXCAN0/RXCAN4/MOSI0 PM5/BF_PRO
21、K/TXCAN0/TXCAN4/SCK0 PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDAPJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL VREGENPS7/SS0 PS6/SCK0 PS5/MOSI0 PS4/MISO0 PS3/TXD1 PS2/RXD1 PS1/TXD0 PS0/RXD0 PM6/BF_PERR/RXCAN4 PM7/BF_PSLM/TXCAN4 VSSAVRL1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 112 111 110 109 108 107 106 105 104 103 1
22、02 101 100 99 98 97 96 95 94 93 92 91 90 89 88 87 86 85 VRH VDDA PAD15/AN15/ETRIG1 PAD07/AN07/ETRIG0 PAD14/AN14 PAD06/AN06 PAD13/AN13 PAD05/AN05 PAD12/AN12 PAD04/AN04 PAD11/AN11 PAD03/AN03 PAD10/AN10 PAD02/AN02 PAD09/AN09 PAD01/AN01 PAD08/AN08 PAD00/AN00 VSS2 VDD2 PA7/ADDR15/DATA15 PA6/ADDR14/DATA14
23、 PA5/ADDR13/DATA13 PA4/ADDR12/DATA12 PA3/ADDR11/DATA11 PA2/ADDR10/DATA10 PA1/ADDR9/DATA9 PA0/ADDR8/DATA8 SS1/PWM3/KWP3/PP3 SCK1/PWM2/KWP2/PP2 MOSI1/PWM1/KWP1/PP1 MISO1/PWM0/KWP0/PP0 XADDR17/PK3 XADDR16/PK2 XADDR15/PK1 XADDR14/PK0 IOC0/PT0 IOC1/PT1 IOC2/PT2 IOC3/PT3 VDD1 VSS1 IOC4/PT4 IOC5/PT5 IOC6/P
24、T6 IOC7/PT7 XADDR19/PK5 XADDR18/PK4 KWJ1/PJ1 KWJ0/PJ0 MODC/TAGHI/BKGD ADDR0/DATA0/PB0 ADDR1/DATA1/PB1 ADDR2/DATA2/PB2 ADDR3/DATA3/PB3 ADDR4/DATA4/PB4 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 ADDR5/DATA5/PB5 ADDR6/DATA6/PB6 ADDR7/DATA7/PB7 KWH7/PH7 KWH6/PH6
25、KWH5/PH5 KWH4/PH4 XCLKS/NOACC/PE7 MODB/IPIPE1/PE6 MODA/IPIPE0/PE5 ECLK/PE4VSSRVDDR RESET VDDPLL XFC VSSPLL EXTAL XTAL TEST SS1/KWH3/PH3 SCK1/KWH2/PH2 MOSI1/KWH1/PH1 MISO1/KWH0/PH0 LSTRB/TAGLO/PE3R/W/PE2 IRQ/PE1 XIRQ/PE0MC9S12DT128 MC9S12DG128 MC9S12DJ128 MC9S12DB128 112LQFP 84 83 82 81 80 79 78 77 7
26、6 75 74 73 72 71 70 69 68 67 66 65 64 63 62 61 60 59 58 57 安徽理工大学毕业设计5RESET：外部复位引脚，高电平有效，为双向控制信号。当输入高电平有效时，将单片机初始化成默认状态；单片机内部功能引起复位时，可作为输出信号。TEST：测试引脚，仅有输入功能，专为测试预留。测试引脚在所有应用中必须和VSS 连一起用。PA7-0/ADDR15-8/DATA15-8：通用输入引脚；在单片机扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。PB7-0/ADDR7-0/DATA7-0：通用输入引脚；在单片机扩展操作模式中，这些引脚可作为数据总线。PH7-4
27、/KWH7-4：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式。PH3/KWH3/ ：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为 SPI1 的从选择端。PH2/KWH2/SCK1：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为 SPI1 的时钟引脚 SCK。PH1/KWH1/MOSI1：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为 SPI1 的主模式的输出（MO）引脚，或者从模式的输入（SI）引脚，即配置为 MOSI
28、。PH0/KWH0/MISO1：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为 SPI1 的主模式的输入（MI）引脚，或者从模式的输出（SO）引脚，即配置为 MISO。PJ7/KWJ7/TXCAN4/SCL/TXCAN0：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为 CAN0 或 CAN4 的数据接收引脚；还可以配置为 C 模块的串行时钟引脚 SCL。PJ6/KWJ6/RXCAN4/SDA/RXCAN0：通用输入或输出引脚；可以配置为中断输入信号，该中断使单片机退出停止或等待模式；同时也可以配置为
29、 CAN0 或 CAN4 的数据接收引脚；还可以配置为 C 模块的串行数据引脚 SDA。PK5-0/XADDR19-14：通用输入或输出引脚；在单片机扩展操作模式中，当配置单片机扩展操作模式时，这些引脚作为外部总线提供扩展地址 XADDR19-14。PM7/BF_PSLM/TXCAN4：通用输入或输出引脚；可以配置为 Byteflight 模块的BF_PSLM 信号，也可以配置为 CAN4 的数据发送引脚。PM6/BF_PERR/RXCAN4：通用输入或输出引脚；可以配置为 Byteflight 模块的BF_PERR 信号，表示通信中信息格式错误或者非法脉冲信号；也可以配置为 CAN4 的数据接收引脚。PM5/BF_PROK/TXCAN0/TXCAN4/SCK0：通用输入或输出引脚；可以配置为
