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1、 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 河北工業(yè)大學 畢業(yè)設計說明書 作 者： 焦然 學 號： 111122 學 院： 機械工程學院 系(專業(yè) )： 機械設計制造及其自動化 題 目： 家用擦玻璃清潔機器人結構設計 指導者： 李輝 講師 (姓 名 ) (專業(yè)技術職務 ) 評閱者： (姓 名 ) (專業(yè)

2、技術職務 ) 2015 年5 月31 日 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 畢業(yè)設計中文摘要 家用擦玻璃清潔機器人結構設計 摘要： 隨著時代的進步，科技的發(fā)展，智能家居越來越流行，與此同時，智能機器人也如火如荼地發(fā)展起來，人們越來越注重智能化，自動化。 同時，人們住的樓層也越來越高，擦玻璃變成了很難辦的事情，本人自主 研發(fā)設計了一款全自動民用擦玻璃小車， 該小車啟動之后， 小

3、車能夠同時對玻璃里外側進行全自動擦拭。 本文首先闡述了本課題的背景以及國內外發(fā)展概況，接著描述了擦玻璃機 器人的整體方案的確定以及詳細機械結構的設計， 然后闡述了本課題控制系統(tǒng)的設計，最后介紹了機器人實體樣機的調試。 本課題主要完成的工作： （1）設計加工擦玻璃機器人的機械結構并進行實體裝配。 （2）基于 STC12單片機，設計 PCB板，加工并焊接零件，然后編程燒寫，上機調試。 關鍵詞： 機器人 全自動 實體裝配 單片機 PCB

4、 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 畢業(yè)設計（論文）外文摘要 Title Structure design of household cleaning robot for cleaning glass Abstract Along with the progress of the times, the development of science and technology, the home automation is more and more popular,

5、 meanwhile, the intelligent robot is also in full swing, people pay more and more attention to intelligent automation. At the sametime, the floors which people live in are also getting higher and higher, wiping the glass becomes a troublesome thing, I design a fully automatic c

6、ivil car to wipe glass in my research and development, when the car is started, it can wipe the glass outside and inside automatically at the same time. The background and foreign development situation are described in this paper at first, after representing the determination of t

7、he overall scheme of glass cleaning robot and detailed mechanical structure design, then the design of control system of the subject is elaborated on, at last, the debugging of the prototype robot entity is introduced in this paper. The main work of this thesis: (

8、1) designing and processing the mechanical structure of glass robot and assemble the entity. (2) based on STC12microcontroller, designing PCBboard, processing and welding parts, and then programming and debugging the machine. Keywords： robot automatic entity assembly MCU PCB

9、 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 目 錄 1 1.1 1 1.2 1 1.3 3 3 2.1 4 2.2 4 2.2.1 4 2.2.2 12 14 3.1 14 3.1.1 14 3.1.2 15 3.1.3 15 3.1.4 16 3.2 16 3.3 17 3.3.1 ANSYS 18

10、 21 4.1 21 4.1.1 21 4.1.2 I/O 25 4.2 25 27 5.1 27 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 27 28 5.2 31 5.3 31 33 34 35 37

11、 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 1 引言 1.1 課題背景 智能家居近兩年發(fā)展火熱，作為其重要組成部分的智能服務機器人也不甘示弱， 伴隨著計算機和自動化技

12、術的迅速發(fā)展 , 人們對機器人的智能性的要求也越來越高， 同時智能服務機器人產業(yè)近年來也陸續(xù)被寫入國家發(fā)展戰(zhàn)略。 2006 年 , 發(fā)展智能服務機器人被列入《國家中長期科學和技術發(fā)展規(guī)劃綱要 (2006-2020 年 ) 》 ; 2012 年, 我國出臺《智能制造科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》和《服務機器人科技發(fā)展“十二五”專項規(guī)劃》，足見我國對機器人行業(yè)發(fā)展的重視。 在智能機器人如火如荼得發(fā)展過程中，目前具有一定的智能性的清潔機器人也成 為研究熱點之一 , 智能清潔機器人系統(tǒng)的研究在發(fā)達國家受到廣泛的關注 , 許多高科技應用領域 , 以及實際生產實踐中的特殊應用環(huán)境的強烈需求更成為

13、它不斷發(fā)展的強勁動力。 近年來 , 都市中的高層建筑越來越多 , 目前對高層建筑的玻璃窗的清洗工作主要還是由清洗工人搭乘吊籃完成的 , 傳統(tǒng)的人工清洗方式既危險 , 效率又低且成本高，但如果自己清洗的話不僅有危險而且費時費力，況且現(xiàn)在更多的人們希望從繁瑣的日常事務中解放出來，因此迫切需要一種設備協(xié)助甚至替代人來完成玻璃的清洗工作。 1.2 國內外擦玻璃機器人的研究概況 眾所周知，日本是機器人發(fā)展較為發(fā)達的國家，其對智能機器人的研究實力雄厚， 值得我們學習，下圖的多用途壁面機器人是一個日本開發(fā)的清潔機器人的范例：該機 器人自重 100kg，同時可載 150

14、kg 負重，小車的車輪上具有磁性設計， 采用磁吸附方式 吸附在墻壁上，可直接越過坑洼不平的墻面以及其他墻上的不明障礙物，多用于橋墩 底部、玻璃幕墻等檢測和修復作業(yè)。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 1.1 多用途壁面機器人 圖 1.2 雙車體機器人 上圖的雙車體機器人也是

15、由日本人研制，其采用負壓吸盤吸附，在運行過程中吸盤與壁面之間產生有滑動密封效果，強大的大氣壓能夠保證小車不會從墻壁上滑落，由四個高摩擦系數(shù)的輪子貼合在墻壁面上，在吸盤保持負壓的過程中，機器人通過控 制輪子的正反轉控制機器人的行走方向， 輪子的差速保證了機器人的轉彎功能的實現(xiàn)，且由于四個輪子均為獨立控制，所以該機器人控制起來顯得格外靈活。 不僅國外有類似的清潔機器人，國內雖然起步較晚，但也已經有了相對成熟的東西，圖 1.3 為北京航空航天大學機器人研究所研制的用于清洗國家大劇院玻璃幕墻的樣機，圖上所示為該機器人工作在國家大劇院的場景，其由攀爬機構、俯仰調節(jié)機構、移動機構和清洗機構等部

16、分構成， 總長約 3m, 高 0.5m，寬 1m, 整個機身主體由鋁型材搭建而成，不僅強度高而且相對重量也輕了許多，其在工作過程中把安裝在建筑物上 的滑動導桿作為中介，成功避免了機器人對建筑物的直接抓取所可能帶來的損傷以及其他不安全因素。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 1.3 北航清潔機器人 通過對上述

17、文獻的分析， 無論是國外的多用途壁面機器人還是國內的清洗機器人， 在體積及重量上都相對較大， 多用途壁面機器人本身就重達 100kg，顯然這個重量是普 通家庭玻璃難以承受的，而北航機器人研究所所研發(fā)的清潔機器人樣機高度竟然達到 了 2.9 米 , 這對于比較寬闊的玻璃幕墻來說 , 清洗起來確實方便、迅速，但是對于一些普通的家庭玻璃窗來說 , 這明顯是不合適的。 1.3 本課題的主要工作 本設計擬在設計一款機器人，該機器人能夠實現(xiàn)全自動擦拭家庭玻璃的功能，而 且需確保擦拭無死角且擦拭干凈。 具體工作如下： （1）進行機器人機械結構設計，繪制機

18、器人的三維圖，并在三維圖的基礎上導出 其二維圖，然后進行 ansys 分析工作，以確保機械結構的合理性。 （2）聯(lián)系廠家進行機械部件的加工，并將各個部件進行實體裝配。 （3）設計 PCB板子并聯(lián)系廠家加工以作為控制機器人的硬件。 （4） 基于單片機控制系統(tǒng)進行 C語言編程，以完成整個機器人的擦拭功能。 （5）將機器人在玻璃上進行上機調試，完善程序，確保機器人能夠將玻璃擦拭干 凈。 2 家用擦玻璃清潔機器人總體方案設計 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 2.1

19、 家用擦玻璃清潔機器人的設計原則 家庭用擦玻璃機器人在國內還比較少，國外雖然做的相對成熟但產品一般比較昂 貴，并不能實現(xiàn)普及到國內的大部分家庭中愿景，因此，我們要設計一款具有自主知 識產權的成品低廉的擦玻璃機器人，與此同時，本課題的設計過程中也要保證如下原 則： （1）該機器人能夠實現(xiàn)擦拭各種厚度的玻璃的工作，而且各個部件具有較好的互 換性，以便維修。 （2）各零件應便于裝配，便于加工。 （3）機器人應操控簡單，可以實現(xiàn)無線控制。 （4）機器人真正實現(xiàn)智能化，能夠全自動地將自己的擦拭任務完成。 2.2 家用擦玻璃清潔機器人

20、的總體方案的確定 在經過無數(shù)的文獻查閱以及自己的思考工作之后，我已經對擦玻璃機器人有了進 一步的認識，經過對文獻的整合以及自己的創(chuàng)新，我最終確定了以下幾套相對可行的 方案。 家用擦玻璃清潔機器人的總體方案 總體方案一： 圖 2.1 仿人形擦玻璃機器人 如上圖所示，將擦玻璃機器人做成完全仿人型的自動化機器，機器人的手上安裝 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集

21、于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 有擦拭玻璃的抹布以及刷子等，通過對機器人的示教編程，機器人能夠記住各個關節(jié)的角度，以及擦玻璃的運行模式，就能夠達到全自動擦拭的目的。 機器人底部由四個輪子支撐， 其中包括兩個具有驅動能力的動力輪和兩個萬向輪，這樣能夠在運用最少的驅動的前提下，確保機器人具有前往各個方向運行的能力，與 此同時機器人的各個輪子均具有升降功能，即能夠確保機器人在相對不平的地板上能夠自由地運行；然后往上看是機器人的中干，其腰部由具有三個自由度的旋轉桿構成，其機構簡圖如圖 2.2 所示

22、 圖 2.2 機器人中干結構簡圖 正如圖 2.2 中表達的那樣，機器人的腰部底端具有一個豎直的旋轉副，再往上具 有兩個水平的旋轉副，到此該空間開鏈機構給機器人的末端執(zhí)行機構 - 擦拭手爪，提供的自由度為 3。 圖 2.3 機器人上肢結構簡圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 2.3 所示機構見圖為機器人的上半

23、部分，其中支架的旋轉副代表機器人的肩關節(jié)，然后以下關節(jié)依次代表機器人的肘關節(jié)和腕關節(jié)，不難看出，該部分機構給機器 人末端執(zhí)行構件提供的自由度為 3，而整個機器人的機構為空間開鏈機構， 所以綜上所述可以得出，機器人的自由度為 6，可以實現(xiàn)各種所需要的空間動作。 總體方案二： 采用永磁式的雙面吸附小車貼在玻璃兩側的運動來實現(xiàn)擦玻璃的功能。小車分為兩個部分：包括主動小車和從動小車，其分別位于玻璃的內側和外側，通過相互間強磁鐵的吸附來保證小車貼在玻璃上不會滑落，巧妙的編程給了小車靈魂，通過主動一側帶動從動一側在玻璃上按照程序中編寫的路徑行走，并在移動過程中通過兩面小車底盤的擦拭裝置將

24、玻璃擦拭干凈。 圖 2.4 正面小車整體效果圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除

25、 圖 2.5 正面小車內部圖 圖 2.4 圖 2.5 為正面小車三維圖，其中小車總長 260mm，總寬 228mm。 如圖 2.5 所示，該圖為正面小車的內部結構圖，其中四塊強磁鐵吸附在鐵質的升 降架子上，而架子則通過螺桿與升降旋鈕相連接，升降旋鈕的底部與外殼上部相接觸， 因此，當旋動旋鈕，在外殼的支撐作用下，升降架便能帶動磁鐵完成升降動作；在反 面小車上，也存在四塊磁鐵，該四塊磁鐵與正面的磁鐵均為 N S 極相對，產生強大的 吸引力，通過升降機構的調節(jié)，能夠很方便得調整正反面磁鐵之間的距離，從而達到 手動調

26、節(jié)兩面小車間的吸引力的目的以適應擦拭不同厚度玻璃時的情況。 小車的動力來源于分布在小車兩側的直流減速電機，兩個小車的輪胎緊緊壓在玻 璃上，通過對電機正反轉的調節(jié)完成小車在玻璃上前進以及倒退的動作，同時通過兩 輪的差速調節(jié)完成小車的轉彎動作。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖

27、 2.6 磁鐵的旁邊是小車的微動開關緩沖機構，如圖 2.6 所示，當小車在運行中一端頂 到窗戶邊框時，緩沖架向小車內部移動，并觸動微動開關，此時被觸動的微動開關觸 發(fā)小車的其他動作，當小車的這一端離開窗戶邊框時，在彈簧的作用下，緩沖架恢復 到初始狀態(tài)，微動開關撥片也隨著彈開了，能夠避免該微動開關一直觸動小車去做相 同的動作所造成的死機。 圖 2.7 反面小車的整體效果圖

28、 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 2.8 反面小車內部圖 圖 2.7 圖 2.8 為反面小車的圖，其中小車總長 229mm，總寬 200mm。 該面小車為隨動面，即完全靠正面小車的吸引力作為動力在玻璃上完成整套擦拭 動作。 總體方案三： 與方案二相類似，依舊采用雙面小車吸附在玻

29、璃上的方式來擦拭玻璃，但是本人 在方案二的基礎上對小車做了進一步結構優(yōu)化，整體的機械結構變得更加緊湊，沒有 產生任何多余的浪費的空間。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 2.9 正面小車整體效果圖

30、 圖 2.10 正面小車內部圖 圖 2.9 、 2.10 為正面小車圖，其中小車總長 178mm，總寬 190mm。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除

31、 圖 2.11 反面小車整體效果圖 圖 2.12 反面小車內部效果圖 圖 2.11 、2.12 為反面小車圖，其中小車總長 160mm，總寬 172mm。 在本方案中，磁鐵升降機構置于反面，且微動開關的安裝結構相比上一方案更加 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 緊湊，從總體來看

32、，無論長度，寬度還是高度的尺寸都比上一方案小巧了好多，使用 起來更加便捷。 總體方案的對比與選擇 綜合分析以上三種方案，雖然方案一在表面上看著更加直接，更加可信，其實它存在著天生的弊端：首先，方案一設計制作工序繁瑣，工程龐大，編程復雜，雖然做的是一個仿人型的機器人，但完成的功能則只有擦玻璃而已，實則是大材小用，也可以說并不是針對要完成的擦玻璃功能的專一化設計，所以并不能為人所采用；而且， 方案一的機器人還有另一個致命的缺點， 那就是它雖然能很好的擦拭屋內一面的玻璃，但是對窗外一面的玻璃則全然束手無策。而對方案二來說它有自己的優(yōu)點，那就是相 比方案一來說它已經做了

33、實質性改變：將擦玻璃的動作轉化為小車的來回運動，雖然擦玻璃工作的順序看似很復雜無章，但其實還是有規(guī)律可循，只要適當?shù)臍w納總結便能歸結出合適的運動路徑，換言之，通過恰當?shù)木幊虂砜刂菩≤囋诓Ａ闲凶叩穆窂剑嚨街?，玻璃變得干干凈凈，這樣不僅能起到自動擦玻璃的效果，而且能夠同時擦拭雙面的玻璃，節(jié)約了擦玻璃的時間，而且也解決了城市居民窗外一側玻璃難擦的困擾，同時相比方案一極大地節(jié)約了成本，使其量產成為可能。 依據(jù)以上的論述，我們決定采用雙面吸附小車擦玻璃的方式來實現(xiàn)功能，那對比方案二和方案三，很明顯方案三中的小車，體積更小，結構更加緊湊，小車也更加輕 便，更能夠讓現(xiàn)在生活空間不大的城市居

34、民所接受，圖 2.13 為小車吸附在玻璃上的效果圖。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 2.13 玻璃吸附效果圖 步驟 1 步驟 2

35、 圖 2.14 小車工作流程圖 如圖 2.14 所示，小車的工作步驟為： ① 將雙面小車置于玻璃上，令其頭部大致朝上。 ② 調節(jié)磁鐵升降機構，以確保磁鐵的吸引力能夠保證小車在玻璃上平穩(wěn)運行。 ③ 打開電源開關，按下紅外線遙控器的開始按鈕。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 ④ 小車在程序的驅動下，自己運行，首先完成步驟一：小車向上行駛，當碰到上 邊框后停止，然后經過一段延

36、時，小車后退一個車身，然后通過車輪差速，右輪轉動 而左輪不轉，小車成功實現(xiàn)轉彎當小車水平后停止。 ⑤小車完成步驟二：在步驟一的基礎上小車前行，當碰到窗戶左邊框后小車停止， 然后小車倒退直行，在陀螺儀的驅動下保證平穩(wěn)直至碰到右邊邊框停止，然后小車利 用差速原理向下轉動，然后將車頭調正后再向左直行，如此往復，直至小車的邊框碰 到窗戶的下邊框時停止，至此整塊玻璃的正反面已被小車擦拭干凈。 第三章 家用擦玻璃清潔機器人詳細結構設計 3.1 關鍵部件的選型 電機的選型 根據(jù)該小車的工作方式，可以計算得出，該小車

37、所需的動力扭矩為： 根據(jù)以上計算的數(shù)據(jù)，在下表選擇電機扭矩為 8.8NM，即兩個電機扭矩之和為 17.6NM， 遠大于所需要的扭矩，因此選用該電機滿足使用要求。 圖 3.1 電機參數(shù)表 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 微動開關的選型

38、 圖 3.2 微動開關實物圖 KW10-Z1P開關體長度 12.8 毫米，寬度 5.8 毫米，高 6.5 毫米；不銹鋼壓片長 13.5 毫米，寬 3.75 毫米，厚 0.28 毫米；腳長 3.5 毫米，寬 0.85 毫米，厚 0.56 毫米；耐壓 125V1A；安裝孔 2 毫米大，孔中心距 6.5 毫米。 該微動開關只需接出兩根線，其中一根 GND一根常開線，當不銹鋼壓片沒有被壓 下時，兩根線相當于斷路，當壓片被壓下時，兩根線接通，觸發(fā)小車動作。 電池的選擇

39、 圖 3.3 電池參數(shù)圖 小車的電機為 12V直流減速電機，所以綜合考慮之下電池的選擇參數(shù)如上所示。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 磁鐵的選擇 兩面小車均依靠磁鐵的吸引力吸附在玻璃兩側，所以選擇永磁鐵的規(guī)格很重要， 如果磁鐵的吸引力過大，會導致電機支座甚至電機的損壞，但如果其吸引力過小又會 導致小車車輪與玻璃間摩擦力太小，從而引起小車的打滑現(xiàn)象

40、，甚至滑離玻璃，經過 一番實驗驗證，我選擇的磁鐵規(guī)格為：材質：釹鐵硼稀土永磁，電鍍涂層 : 鍍鎳，性 能:N535，最大耐溫 :80 °，形狀規(guī)格 :40X30X10MM，正反面小車分別各裝有四塊該永磁鐵，由于釹鐵硼稀土材料做的磁鐵磁力很大，所以在小車中磁鐵全都被封裝了起來以 防止發(fā)生意外。 3.2 微動開關緩沖機構的設計 圖 3.4 緩沖機構正面圖

41、 圖 3.5 緩沖機構反面圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 3.6 緩沖機構正面細節(jié)圖 圖 3.7 緩沖機構反面細節(jié)圖 微動開關緩沖機構如上圖所示，四只扭簧相互配合起到了將擋板控制在恰當?shù)钠? 衡位置的作用，同時，當小車走到玻璃的盡頭，擋板將微動開關 1、2 壓下，為了避免 小車一直執(zhí)行微動開關 1、2 觸

42、動下的程序，當小車離開窗戶邊緣后，在扭簧 1、 2 的 共同作用下，擋板被彈開回到初始位置；同理扭簧 3、4 也是這樣工作的。 該機構設置了卡槽，正是這一對卡槽對擋板起到了限位作用，當小車撞到窗戶邊 界時，有了卡槽的保護，能夠防止微動開關不會被擋板撞壞，同時，擋板上端的卡槽 和下端的伸出端配合起來起到了限制擋板上下躥動的作用。 3.3 磁鐵升降機構的設計 圖 3.8 升降機構細節(jié)圖 磁鐵升降機構是小車很重要的一個

43、構件，通過旋轉旋鈕，螺桿被擰入旋鈕中，在 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 外殼的支撐下以及導向桿的導向作用下，升降架豎直升起，進而調節(jié)反面小車的磁鐵到玻璃的距離來調節(jié)兩個小車間的吸引力，從而保證機器人能夠承擔不同厚度的玻璃的擦拭工作。 圖 3.9 升降支架圖 磁鐵升降機構的 ANSYS分析

44、 圖 3.10 ANSYS 參數(shù)設置圖 將磁鐵升降機構的三維文件導入到 ANSYS中并對模型參數(shù)進行設置如上圖所示， 該零件為 3D打印件，其材料為玻璃纖維參數(shù)為： 抗拉強度（Tensile Strength ）：44Mpa； 彈性模量（ Elastic Modulus ）：3500 ~ 7800Mpa（取其為 5000Mpa）；泊松比為 0.25 ， 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 然后設置其受力參數(shù)，

45、 四塊磁鐵的吸引力大約為 60N，即每塊磁鐵對于升降機構的壓力 為 15N，可得出其壓強為 然后對物件進行網格劃分，其結果如圖所示： 圖 3.11 ANSYS網格劃分圖 經過計算機的計算，結果如下： 圖 3.12 第一主應力圖 圖 3

46、.13 第二主應力圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 3.14 第三主應力圖 圖 3.15 整體應力圖 由以上分析可知， 該機構所受的最大應力為， 比該材料的許用應力小很多， 因此從這個角度看，該設計滿足應力的限制要求。 以下為該機構在各個方向的位移圖：

47、 圖 3.16 X 方向位移圖 圖 3.17 Y 方向位移圖 圖 3.18 Z 軸方向位移圖 圖 3.19 整體位移圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 第四章 家用擦玻璃清潔機器人控制系統(tǒng)設計 4.1 單片機控制系統(tǒng)電路的設計 單片機系統(tǒng)元器件的選型 （1）CPU的選擇 在本課題中，主控 CPU需要實時監(jiān)控 2X4 的矩陣鍵

48、盤，且需要具有兩路硬件 PWM 調速功能，然后還要連接外部紅外模塊以及陀螺儀 MPU6050模塊，還要通過 L298M芯 片去驅動兩路直流減速電機等等，考慮到這些功能均需要很協(xié)調的實現(xiàn)，所以本人選 用 1T 的基于 51 內核的 8 位單片機 STC12C5A60S2，如圖 4.1 所示。 圖 4.1 單片機管腳圖

49、 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 4.2 單片機內部結構框圖 該芯片的工作電壓為 3.5-5.5V ，工作頻率范圍：0～35MHz，相當于普通 8051 的 0 ～420MHz，片上集成 1280 字節(jié) RAM，有 K 的 Flash 程序存儲器，有兩個定

50、時器 T0、T1，擁有獨立的波特率發(fā)生器，有兩路 UART串口，有兩路硬件 PWM發(fā)生器，該種封裝擁有 40-pin 的 I/O 口，復位后為：準雙向口 / 弱上拉（普通 8051 傳統(tǒng) I/O 口）可設置成四種模式：準雙向口 / 弱上拉，強推挽 / 強上拉，僅為輸入 / 高阻，開漏每個 I/O 口驅動能 力均可達到 20mA，但整個芯片最大不要超過 120mA，擁有內置 EEPOM，內部集成 MAX810 專用復位電路，內置看門狗，具有外部中斷 I/O 口 7 路, 傳統(tǒng)的下降沿中斷或低電平觸 發(fā)中斷。 （2）紅外模塊 紅外模塊用于實現(xiàn)對小車的無線控制，

51、本課題中采用 HX1838模塊，該模塊具有寬 電壓適應、高靈敏度、低功耗、優(yōu)良的抗干擾特性，而且該模塊應用廣泛，多用于家 用電器、空調、玩具等紅外遙控接收。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 圖 4.3 HX1838 芯片引腳圖 （3）電機驅動模塊 圖 4.4

52、L298M 芯片引腳圖 本課題中采用了 L298-M電機驅動模塊其運用全新原裝 L298 芯片設計，雙 H 橋能夠驅動 2 路直流或者 1 路步進電機，峰值驅動電流能達 4A 。在 L298M芯片底部布置有大面積的金屬散熱片，用以快速散失掉驅動芯片產生的熱量，以免燒壞芯片。 L298M的使用方法：如果 IN1 輸入高電平， OUT1將輸出高電平，如果 IN1 輸入低電平， OUT1將輸出低電平，同理 IN2、 IN3 、 IN4 的編程方法與之類似。 圖 4.5 斬波電路圖 圖

53、 4.6 斬波原理圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 PWM調速的本質便是通過斬波實現(xiàn)改變輸出有效電壓的方式來調節(jié)電機的速率， 如 上圖所示 S 表示開關， VD 表示續(xù)流二極管。當 S 閉合時，直流電源電壓 加到電動 機上；當 S 斷開時，直流電源與電機斷開，電動機電樞電流經 VD 續(xù)流，因此兩端電 壓接近于零。如此反復，電樞端電壓波形如圖所示，好像是電源電壓在時間內被接上，又在 — 時間內被斬斷，所以稱“斬波” 。

54、 運用該模塊再融合進 STC12芯片的硬件 PWM輸出，用 PWM調制的方法，把恒定的直流電源電壓調制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓序列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，進而實現(xiàn)對直流減速電機的無級調速。 （ 4）陀螺儀模塊 本課題中使用的陀螺儀型號為 MPU6050，該模塊采用標準的 IIC 通信協(xié)議，其供電電源為 3—5V，內部整合了 3 軸陀螺儀、 3 軸加速器最大的加速度測量范圍為± 16g，陀螺儀測量范圍最大為± 2000°/ 秒，本人利用該模塊反饋 Z 軸的加速度值去找到模塊與水平方向的夾角，從而在小車一開始向上運行的過程中由該值判斷小車的姿

55、態(tài)并通 過 PWM硬件調節(jié)兩邊電機的旋轉速率進行差速調速， 令小車靈活地不斷地為自己調平，實現(xiàn)豎直向上的運動，同樣運用 X 軸的加速度器反饋回來的值去控制小車在后來階段水平運行的過程中的姿態(tài)調整，真正地實現(xiàn)小車姿態(tài)的閉環(huán)控制。 單片機系統(tǒng)的硬件電路及 I/O 口分配 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除

56、 圖 4.7 單片機控制系統(tǒng)原理圖 上圖為我所設計單片機控制系統(tǒng)的原理圖，其關鍵引腳表如下所示 P1.0 P1.1 P1.2 P1.3 OUT4 OUT2 OUT1 OUT3 表 4.1 電機驅動引腳 P0.2 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 P0.7 ROW1 ROW2 COL1 COL2 COL3 COL4 表 4.2 矩陣鍵盤引腳 P2.0 P2.1 SCL SDA 表 4.3 MPU6050 引腳

57、 4.3 單片機系統(tǒng)編程框圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 啟動，頭部豎直向上， V 左側 =V右側 ， 正轉 步 驟 100

58、 步 驟 200  是否收到頭部前測微動 否 驅動行走單元直 開關信號 線運動 是 控制單元控制驅動單元， 驅動行走單元轉動 ， V 左側=V 右側 ， 反轉 延時未到 延時信號檢測 保持轉動 延時時間到 控制單元控制驅動單元， 驅動行走單元停止 , 然后驅動行走單元轉動 V 左側 =0, V右側>0 延時未到 延時信號檢測 保持轉動 延時時間到 控制單元控制驅動單

59、元，驅動行走單元轉動 ， V 左 反饋控制，行走單元 側=V 右側 ， 正轉 是否收到頭部前測微動開關 否 信號 陀螺儀檢測信號 是 控制單元控制驅動單元， 驅動行走單元轉動 ， 反饋控制，行走單元 V左側=V 右側 ，反轉 否 是否收到尾部后測微動 開關信號 此文檔僅供學習和交流  陀螺儀檢測信號 是 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 第五章 家用擦玻璃清潔機器人樣機研制與調試

60、 5.1 控制電路板的設計與調試 結合小車的機械部分所留出來的空間，本課題作者設計并加工的控制板如下圖所 示 圖 5.1 控制板實物圖 設計 圖 5.2 PCB 設計圖 上圖即為本課題中所繪制的 PCB板子，首先要用 altium designer 將

61、各個元器件 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 在板子上盡量有序得畫出來，然后把已經擁有所有元器件的板子上的元件再進行更加 合理地排列，然后點擊 Auto Route/All 開始自動布線， 待布線完畢之后再進行手工 調整，到此 PCB板大致繪制完成。 電路板的調試 為防止剛剛焊接完成的板子運行起來發(fā)生電路危險，還需要進行一系列的硬件測 試： （1）測試條件

62、 圖 5.3 電源模塊 PCB圖 將 K1的兩個焊盤短。（2）電源測試 A) 首先測量 J1 的兩個焊盤有沒有短路， 用二極管檔或者電阻檔測量。 若短路， 停止一 切測試，檢查原因。 B) 將 12V電源的負極焊接在 J1 的 GND焊盤上，正極懸空。 C) 將萬用表撥到直流 20A 檔，并將表筆插入對應位置。 D) 將萬用表的紅色表筆接在電源的正極上，黑色表筆快速（大約 0.5S ）連接在電路板 J1 的 +12V焊盤上。觀察萬用表的電流， 若電流大于 500mA，請停止一切測試，檢查問題。若電流小于 500mA，繼續(xù)測試。 E) 若

63、C)中的電流正常（小于 500mA），將萬用表撥到直流電壓 20V檔，先測試 U1 的輸入即 U1-pin1 腳的電壓是否是 12V，然后測試 5V 測試點的電壓是否為 5V，若為 5V 則繼續(xù)測試；否則檢查 U1 是否為 L7805CV并且查看 L7805CV的 datasheet 看其引腳定義是否和 PCB上的一致。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 F) 測試 U9-pin2 腳的電壓是否為 3.3V ，若為 3.3V 則繼續(xù)下面的測試；否則檢查 U9 是否為 AMS1117-3.3并且查看其 datash

64、eet ，看其引腳定義是否和 PCB上的一致。 圖 5.4 電源模塊 PCB細化圖 1 圖 5.5 電源模塊 PCB細化圖 2 （3）單片機最小系統(tǒng)測試 A) 測試 U2-pin40 腳的電壓是否為 5V。 B) 測試 U2-pin9 腳的電壓是為為 5V。 C) 通過 USB轉 TTL 模塊給單片機下載程序，看是否能正常下載。 D) 觀察 C)中下載的程序是否正常工作（這個程序一般為 LED閃爍測試）。（4）紅外接收傳感器測試 A) 測量

65、 U8-pin3 是否為 5V。 B) 移植紅外遙控測試程序，檢測紅外接收頭是否工作正常。 圖 5.6 紅外線 PCB圖 （5）電機驅動測試 A) 測量 U4-pin6 腳是否為 12V。 B) 測量 U4-pin8 、U4-pin12 、U4-pin14 三個引腳的電壓是否為 5V。 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除 C) 將兩個電機接上，并編寫程序測試該驅動是否正常

66、工作。（6）MPU6050測試 A) 測量 U5-pin13 腳的電壓是否為 3.3V。 B) 測量 U10-pin2 、U10-pin8 的電壓是否為 3.3V。 C) 測量 U10-pin15 的電壓是否為 5V。 D) 編寫程序讀取 MPU6000的數(shù)據(jù)，然后觀察數(shù)據(jù)是否正常。 圖 5.7 MPU6000 PCB圖 （7）其他測試 A) 將 8 路微動開關焊接到對應位置上。 B) 測量 U3-pin5 、U6-pin5 、U7-pin5 腳是否為 5V。 C) 移植按鍵測試程序，觀察這 8 個開關是否可實現(xiàn)共用一個中斷。 圖 5.8 微動開關 PCB圖 此文檔僅供學習和交流 此文檔收集于網絡，如有侵權請聯(lián)系網站刪除