基于传感器的清洁机器人系统设计说明书PPT
研究背景及意义2019年新冠疫情的爆发使人们意识到对于人员流动较大的公共场所，不定期清洁尤为重要而目前来说，虽然疫情已经得到控制，但开学季、返乡季的人员流...
研究背景及意义2019年新冠疫情的爆发使人们意识到对于人员流动较大的公共场所，不定期清洁尤为重要而目前来说，虽然疫情已经得到控制，但开学季、返乡季的人员流动大，公共场所的清洁尤为重要。该设计可以替代公共场所的手动清洁。对于工作人员来说，它可以大大降低在环境中被病毒感染的可能性。而公共场所的干净整洁也会让群众有更好的体验智能清洁机器人的智能化是实现自动避障、循迹、相关电机调控等方面的控制技术，智能清洁机器人集众多传感器于一体，具有良好的商业发展潜力，进而受到国内外的广泛重视，随着技术的成熟，可以提高国家高新技术产业水平，提升在国际市场的核心竞争力。创新特色及应用前景导航主动充电、使用机器人替代人工，同时可以多传感器协同工作更好的服务于公共场所，通过显示器对机器人的运行状态进行实时跟踪实现自动化，自主扫地、拖地、自主清洗拖布以及水箱的自动加水一种可以在公共场所中，自由移动的安全、低噪和便捷的清洁设备，减少人与人、人与物的接触，极大的减少感染疫情的风险设计方案本次设计是以AT89C52单片机芯片作为核心，控制整个系统，以此实现相关功能整个系统采用模组化的设计，通过遥控系统实现对智能清洁机器人的各种转向控制功能，电机控制及驱动模块采用电机驱动芯片实现对直流减速电机的正转、反转控制，并且采用PWM脉冲宽度调制技术进行调速，避障模块采用红外传感器装于车的左右两端，循迹模块采用红外对管，装于车底盘的两侧，进行黑线循迹，显示模块采用LED数码管进行数字显示，清洁模块采用吸尘器电机实现。通过编程实现智能清洁机器人运行过程中的各项功能，进而实现了无人操控的避障、循迹、清洁等智能控制，从而使清洁机器人能够智能、自主工作。1主控模块本设计是基于AT89C52单片机芯片作为核心，通过单片机实现对智能清洁机器人的自主控制，以此实现各项基本功能。AT89C52单片机芯片具有性能高效、控制能力强以及价格低廉等优点。AT89C52单片机芯片广泛应用在复杂多样的设计系统2电源模块电源主要采用四节1.5V的电池，并通过7805稳压集成电路和7812稳压集成电路分别将输入电压稳压到5V和12V，为相应的硬件供电，作为整个系统的输入电源。3遥控模块红外遥控模块主要的相关硬件包括红外遥控解码芯片HT6221和一体化红外接收头1838，通过红外遥控对智能清洁机器人进行实时操控。4避障模块主要采用两个红外避障传感器模块，进行路径前方的探测，将这两个模块装配在清洁机器人前上部的左右两侧，实现对行驶过程中的阻碍进行规避。5循迹模块主要采用两个RPR220反射型光电传感器并将其安装于智能清洁机器人的前中部的左右两侧。当信号发射到黑线之后会被吸收；当信号发射到白线之后会被反射，根据接收到的不同信号，以此作为判断，实现智能清洁机器人按照黑线进行路径循迹。6其他模块电机模块采用L298N电机驱动芯片与单片机直接相连的方式进行驱动，并运用PWM脉冲宽度调制技术进行速度控制。该技术具有稳定性高、调速准确以及快速等优点；显示模块采用一位共阳极LED数码管显示智能清洁机器人所处的工作模式。循环进行“1”循迹模式、“2”避障模式和“3”遥控模式这三种模式的显示工作；清洁模块主要利用外部吸尘硬件实现路面清洁目的，主要采用吸尘器电机，进行路径吸尘清洁。关键技术的实现1遥控电路设计本设计的遥控电路设计主要由红外遥控解码芯片HT6221和一体化红外接收头1838组成。利用红外线进行整个系统的传递信息，进而实现红外遥控操作，其具有抗扰乱、易制作、低功耗及价格便宜等优点。能够实现智能清洁机器人的各种转向控制功能。HT6221芯片是通用红外遥控发射集成电路，运用外接法可以产生多种用户码，应用广泛，采用低压CMOS制造工艺，运行电压范围宽泛。一体化红外接收头1838，共有三个外接脚，VCC、GND和OUT。具有可靠性高，传输范围广，工作时低功耗、低电压的高效性能。利用红外发光二极管发射红外线，当红外监测二极管监测到红外信号时，把信号输送至放大器和限幅器，不论发射与接收距离的远近，限幅器都能把脉冲幅度控制在一定的水平，信号进入可以通过30kHz至60kHz负载波的带通滤波器，经解调和积分电路进入比较器处理，输出高、低电平，还原发射端的信号波形。2避障电路设计本设计的避障系统主要采用红外避障传感器模块。红外避障传感器模块共有三个接口，分别为VCC、GND和OUT，有效探测距离范围为2cm~30cm。当在前方探测到阻碍时，输出为0；当在前方没有探测到阻碍时，输出为1。红外避障传感器模块具有一双红外线发射与接收管，当发射管发射出一定频率的红外线，探测到前方的阻碍时，红外线遇到阻碍会反射回来并被红外接收管接收，再经LM393比较器处理之后，此时信号输出接口会持续输出一个低电平信号LM393为双电压比较器集成电路，设计简单，使用方便，平稳耐用，单、双电源均可对其进行供电，低功耗，低损耗，工作时的电源电压可调范围比较宽，是一种具有高效增益和宽泛频带的器件，且耐高温，效率高3循迹模块设计在此设计中采用RPR220反射型光电传感器模块，安装于智能清洁机器人前中部下端。其中，检测探头主要采用两个RPR220反射型光电传感器，将传感器安装于模块的左右两侧。单个传感器主要由红外光电二极管和光电三极管组成，利用红外光探测，是一种红外反射式光电开关。RPR220反射型光电传感器模块可以感应到一定的遮挡距离，性能平稳。模块板为四线制接口，分别为VCC、GND、RO、LO。VCC为电源端，GND为接地端，LO为模块板左侧RPR220反射型光电传感器数字量输出接口（0和1），RO为模块板右侧RPR220反射型光电传感器数字量输出接口（0和1）74LS14施密特触发器具有输入信号电位维持的特性，以此保证输出高、低电平的稳定性。RPR220反射型光电传感器具有体积小、重量轻、响应速度快、抗干扰、防灰尘、防腐蚀、性能稳定性好、安全可靠性高等优点。红外光线对黑、白的反射系数不同当发射管在行驶过程中不断地向地面发射红外信号，红外光线照射到黑线会吸收（光电三极管截止），亦或照射到白线则反射（光电三极管导通），经过LM393处理之后，分别输出相应信号（1或者0），再经过74LS14施密特触发器整形，输出结果，对路况进行随时校正性能分析该系统主要应用PROTEUS进行仿真功能演示。Proteus的主要任务是完成基本电路的绘制工作。将其打开，进入主界面，通过“File”进行新建。点击“P”，可打开“Pick Devices”界面，在“关键字”一栏中输入所需的元件名称选择所需的硬件，点击“OK”，所选用的硬件就可以自动添加到“DEVICES”一栏中，将选择好的硬件直接点击到中间的绘制设计区域，这样所选的硬件便可导入到仿真设计图中，之后用鼠标左键单击相关端口，进行导线连接并设置好相关参数，完成清洁机器人硬件系统电路图。本次主要对循迹、避障、遥控这三项功能，进行仿真结果的说明。通过P3.2端口连接按键，按键控制智能清洁机器人的三种模式的相互切换，并在一位LED数码管上，对三种模式各自所对应的数字进行显示。系统运行之初，LED数码管显示为“1”，智能清洁机器人处于循迹功能状态；接着按下指定按键，LED数码管显示为“2”，智能清洁机器人处于避障功能状态；再按一次按键，LED数码管显示为“3”，智能清洁机器人处于红外遥控功能状态。每一次按键，均能顺序切换到下一种模式，处于某种模式，就只能实现该模式的功能。1循迹功能仿真在“1”循迹模式中进行，如图5.1所示当智能清洁机器人在地面上，左、右两侧均探测到黑线时，P3.6引脚（右侧传感器）为高电平，P3.7引脚（左侧传感器）也为高电平，故左、右直流电机均正转。当智能清洁机器人在地面上，右侧探测到黑线，而左侧未探测到黑线时，P3.6引脚为高电平，P3.7引脚为低电平，智能清洁机器人向右转，故左侧直流电机正转，右侧直流电机反转。当智能清洁机器人在地面上，右侧未探测到黑线，而左侧探测到黑线时，P3.6引脚为低电平，P3.7引脚为高电平，智能清洁机器人向左转，故左侧直流电机反转，右侧直流电机正转。当智能清洁机器人悬空在一定高度或在地面上，左、右两侧均未探测到黑线时，P3.6引脚为低电平，P3.7引脚为低电平，故左、右直流电机均停止转动。2避障功能仿真在“2”避障模式中进行，如图5.7所示左、右两侧均没有探测到阻碍，P3.4引脚接右侧避障传感器为高电平，P3.5引脚接左侧避障传感器为高电平，控制智能清洁机器人向前进，故左、右两侧直流电机均正转。右侧没有探测到阻碍，P3.4引脚接右侧避障传感器为高电平；左侧探测到阻碍，P3.5引脚接左侧避障传感器为低电平，控制智能清洁机器人向右转，故右侧直流电机反转，左侧直流电机正转。右侧探测到阻碍，P3.4引脚接右侧避障传感器为低电平；左侧没有探测到阻碍，P3.5引脚接左侧避障传感器为高电平，控制智能清洁机器人向左转，故右侧直流电机正转，左侧直流电机反转。左、右两侧均探测到阻碍，P3.4引脚接右侧避障传感器为低电平，P3.5引脚接左侧避障传感器为低电平，控制智能清洁机器人先向后退，再向右转故右侧直流电机持续反转，左侧直流电机先进行反转，如图5.11所示。之后再进行正转，如图5.12所示。3遥控功能仿真在“3”遥控模式中进行，通过红外发射信号，并通过单片机处理，经过L298N电机驱动芯片控制双直流电机，实现对智能清洁机器人的各种转向控制功能。遥控仿真图，如图5.13所示。结论本设计基于多传感器、采用AT89C52单片机芯片作为核心。采用四节1.5V的电池，通过稳压集成电路稳压到系统所需电压，作为输入电源为整个智能清洁机器人供电遥控系统设计主要由红外遥控解码芯片HT6221和一体化红外接收头1838组成，通过红外遥控实现对智能清洁机器人各种转向功能的操控采用红外避障传感器模块，实现对行驶过程中前方障碍的规避利用RPR220反射型光电传感器模块，实现对指定路线的规划智能清洁机器人采用L298N电机驱动芯片进行高精度和高效率的转向及转速控制采用一位共阳极LED数码管进行模式状态显示利用外部吸尘硬件实现地面清洁目的按照以上所述的基本原理及调试，经过不断的技术研究及器件仿真调试，最终完成清洁机器人的仿真设计参考文献郭稳涛, 何怡刚. 基于RFID的智能停车场管理系统的研究与设计[J]. 自动化技术与应用, 2010(06):60-64.蔡宏伟, 陈旺龙, 滕志康. 浅谈第五代移动通信系统5G标准化展望与关键技术[J]. 信息通信, 2017(12):2.杜云, 魏雅. 基于单片机的智能小车设计制作与应用[J]. 自动化与仪器仪表, 2016(1):2.王冠博, 赵一帆, 郭嘉,等. 循迹避障智能小车的实验设计[J]. 实验科学与技术, 2021, 19(5):6.梁明亮,孙逸洁. 基于STC12C5A60S2单片机的智能机器人设计[J]. 鸡西大学学报：综合版, 2012, 12(5):3.陈佳录, 张敏丹, 朱云飞,等. 关于物流机器人的构建设计[J]. 中国设备工程, 2021, 000(002):18-19.
