家用智能拖地机--毕业论文06697.doc

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1、简易家用智能拖地机 1 目目 录录 目 录1 一 绪论.2 简易家用智能拖地机2 一 方案设计与论证.4 1.1总体设计方案与比较：.4 二 模块电路设计及比较.4 21 电源模块 .4 2.1.1 电源原理 4 2.2 电机驱动模块： 6 2.2.1 电机的选择与论证.6 2.2.2 电机驱动方案的选择与论证.6 2.2.2.1 驱动方案选择.6 2.2.2.2 PWM 产生方案论证10 2.3 传感器模块： .14 三 软件设计15 3.1 程序清单 .15 四 致谢16 参 考 文 献16 仪 器 仪 表17 附 录18 单片机程序：.18 本设计总体电路图：.26 简易家用智能拖地机

2、2 一一 绪论绪论 用单片机控制电机是市场上科技产品的一个运用很广的技术,而把单片机控制电 机运用在生活用品中还是刚刚起步.单片机控制小车在包括玩具、家用电器等方 面都有广泛的应用。另外，家用电器都向智能化发展。而家庭中，各种家务又 在忙碌一天想回到家休息的人们，特别是过几天就发黑的地板。一般情况下都 是选择用拖把人工打扫。现在室内扫地，拖地手工操作的非常多，有的用吸尘 器吸尘，难把地板搞干净，费工费时，而且劳动强度非常大，劳动效率也很低， 在室内清洗上需要大量的人力、物力。而我的设想是能有一台智能化的机器， 只要一通电源，它就会自动把家里打扫的干干净净！目前市场上还没有这类智 能家用电器，但

3、是一般情况下，基本上每个家庭都会有这方面的要求，如果开 发出来的话，会有广阔的市场前景。 简易家用智能拖地机简易家用智能拖地机 摘摘 要要: :本设计分六个模块：单片机控制及显示模块、电机驱动模块、传感 器模块、音乐片模块、电源模块、拖地模块。单片机控制及显示模块以单片机 AT89s51 为核心，对传感器模块送过来的信号进行控制同时串行口输出时间显 示；电机模块是以 L298N 为核心的常用电机驱动电路；传感器模块是以 LM358 为核心及光电三极管和微动开关组成的电压比较器电路；音乐片模块是型号为 的音乐片构成的；电源模块包括两种：一种是以 7805 为核心的+5V 稳压电路， 其主要为单片

4、机控制及显示模块、电机驱动模块的逻辑电源、传感器模块供电； 另一种是六节 AAA 电池组成，主要用于电机驱动的 VS 和音乐片。 关键字关键字：传感器 电机驱动 传感器 电源 PWM 简易家用智能拖地机 3 The simple home use intelligence tows machine Abstract: This supposes figures out the score six modules: Monolithic integrated circuit control and demonstration module, motor-driven module, sensor

5、 module, musical module, power source module,tows module. The monolithic integrated circuit control and the demonstration module take monolithic integrated circuit AT89s51 as a core, delivers the signal to the sensor module to carry on at the same time the control the serial mouth output time demons

6、tration; The electrical machinery module is take L298N as the core commonly used motor-driven electric circuit; The sensor module is take LM358 as the voltage comparator electric circuit which the core and the phototriode and the microswitch composes; The musical module is the model is the TS088BD m

7、usical constitution; Power source module including two kinds: One kind is take 7805 as the core of +5V voltage-stabilizer circuit, it mainly for monolithic integrated circuit control and demonstration module, motor-driven module logical power source, sensor module power supply; Another kind is compo

8、sed by six AAA battery, mainly uses in motor-driven VS and the musical. Key words: Sensor motor-driven sensor power source pwm 简易家用智能拖地机 4 一一 方案设计与论证方案设计与论证 1.11.1 总体设计方案与比较：总体设计方案与比较： 本设计以单片机 AT89S51 为核心根据传感器模块送过来的信号经过处理向 驱动模块输出控制信号，同时单片机串行口输出工作时间，及给音乐片输出控 制信号。传感器模块根据外界具体情况判别是否遇到障碍，当遇到障碍时，送 单片机相应的信

9、号，单片机根据接受到的信号进行数据处理，输出相应处理后 的信号到电机驱动模块，从而控制小车的行进方向，实现小车在拖地过程中的 避障，在整个运行过程中，单片机将显示运行时间，同时音乐片发出声响提示 小车运行状态。其整个功能模块如图 1.1 所示。 图图 1.11.1 总体设计方框图总体设计方框图 二二 模块电路设计及比较模块电路设计及比较 系统硬件以 AT89s51 单片机为核心，外围包括电源模块、显示模块、电机 驱动模块、传感器模块、音乐片模块。 2 21 1 电源模块电源模块 本设计共用到电源有两种：即+5V +9V 2.1.12.1.1 电源原理电源原理 简易家用智能拖地机 5 本设计稳压

10、电源由滤波电路和稳压电路组成，如图 2.1 图图 2.12.1 电源方框及波形图电源方框及波形图 a 滤波电路：滤波电路一般由电容组成，其作用是脉动电压 U1 中的大部分 纹波加以滤除，以得到较平滑的直流电压 U2。 b 稳压电路：由于得到的输出电压 U2 受负载、输入电 压 和 温度的影响 不稳定，为了得到更为稳定电压添加了稳压电路，从而得到稳定的电压 U3。 图 2.2 中电路提供+5V 的电源，主要为单片机控制及显示模块、电机驱动 模块的逻辑电源、传感器模块供电。该电路中采用三端稳压芯片 78*系列的 7805 其能够输出稳定的+5V,保证单片机能够正常工作。 图 2.3 中提供的+9V

11、 的电源由六节 AAA 电池组成，主要用于电机驱动的 VS 和音乐片。 图图 2.22.2 +5V+5V 电源原理图电源原理图 简易家用智能拖地机 6 图图 2.32.3 VsVs 电源原理图电源原理图 2.22.2 电机驱动模块：电机驱动模块： 2.2.12.2.1 电机的选择与论证电机的选择与论证 方案一:采用步进电机。 步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力,如果负荷不超过步进电机 所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点： 是转换精度高,正转反转控制灵活。 方案二:采用普通直流电机。 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广；过载能力 强

12、,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转;能满足生 产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。 由于普通直流电机更易于购买,并且电路相对简单,所以采用直流电机作为 动力源。 2.2.22.2.2 电机驱动方案的选择与论证电机驱动方案的选择与论证 2.2.2.12.2.2.1 驱动方案选择驱动方案选择 方案一:采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速目的。 电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵,且可能存 在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小,但电流很大,分压不仅会 降低效率,而且实现很困难。 方案二:采用继电器对电动机的开或关进行控制

13、,通过控制开关的切换速度 实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单,缺点是继电器的 简易家用智能拖地机 7 响应时间长,易损坏,寿命较短,可靠性不高。 方案三:采用由达林顿管组成的 H 型 PWM 电路。PWM 电路由四个大功率晶体 管组成 H 桥电路构成,四个晶体管分为两组,交替导通和截止,用单片机控制达林 顿管使之工作在开关状态,根据调整输入控制脉冲的占空比,精确调整电动机转 速。这种电路由于管子工作只在饱和和截止状态下,效率非常高。 H 型电路使 实现转速和方向的控制简单化,且电子开关的速度很快,稳定性也极强,是一种广 泛采用的 PWM 调速技术。但是在实际制作过程中在具体

14、调试过程中三极管的发 热较严重（即使加了散热片）特别是前轮转向的时候尤为严重。 方案三采用四 个达林顿管，它们轮流导通即实现正反转，其结构简单，控制方便。其控制逻 辑如表 2.3.1 所示。 表表 2.3.12.3.1 AB 状态 10 正转 01 反转 11 停止 00 停止 其电路如图 2.4 所示。 图图 2.42.4 方案一电机驱动电路方案一电机驱动电路 但在具体调试过程中三极管的发热太严重（即使加了散热片）特别是前轮 转向的时候尤为严重。 简易家用智能拖地机 8 方案四：采用 L298N 构成的 PWM 电路。 用 L298N（如图 2.5 所示）对电机进行驱动，用单片机控制 L29

15、8 使之工作 在开关状态,根据调整输入控制脉冲的占空比,精确调整电动机转速。这种电路 由于管子工作只在饱和和截止状态下,效率非常高。它在原理上和方案三中的三 极管对管很相似，但是他有很多对管所没有的优点比如：它的最大工作电压高 达 50V；最大电流值为 3A；工作温度范围宽-40 度到 150 度等等 图图 2.52.5 L298NL298N 芯片管脚图芯片管脚图 图图 2.62.6 L298NL298N 内部电路内部电路 故本设计采用以 L298N 为核心的电机驱动电路，由于拖地机在工作中要躲 避障碍物，因此在行进过程中要前进、后退、左转、右转；在制作过程中为了 便于调试和检查本设计定义 L

16、298N 的 5、7 脚为后轮电机的控制信号同时与之对 应的 2、3 脚接前轮的电机；10、12 脚接前轮的控制信号同时与之对应的 简易家用智能拖地机 9 13、14 脚接后轮的电机。其控制逻辑如表 2.3.2 所示。 表表 2.3.22.3.2 5，107，12状态 10 正转 01 反转 11 停止 00 停止 具体的电路如图 2.7 所示。 图图 2.72.7 方案二电机驱动电路方案二电机驱动电路 在测试时为了便于调节与检测，本设计令 p1.0-p1.3 作为拖地机的电机的控 制端，分别接上图的 5、7；10、12；即实现了 P1.0P1.1 对后轮的控制； P1.2、p1.3 对前轮转

17、向的控制。具体逻辑见表 2.3.3 表表 2.3.32.3.3 P1.0，p1.2P1.1，p1.3状态 10 前进/左转 01 后退/右转 11 停止 00 停止 程序的设计思路是：当传感器模块输出端对应的管脚(单片机的外部中断口一或 外部中断口二)出现低电平时（说明前方有障碍） ；则小车右转弯后退 5S 来躲 避障碍.其具体流程图(如图 2.8 所示)及源子程序如下: 简易家用智能拖地机 10 图图 2.82.8 电机控制流程图电机控制流程图 INTEX0:LCALL STOP LCALL DELAY5S LCALL HT LCALL RZ LCALL DELAY5S LCALL STOP

18、 LCALL FRZ LCALL QJ RETI INTEX1: LCALL STOP LCALL DELAY5S LCALL HT LCALL RZ LCALL DELAY5S LCALL STOP LCALL FRZ LCALL QJ RETI 2.2.2.22.2.2.2 PWMPWM 产生方案论证产生方案论证 方案一：用触发器接成振荡器电路，通过调节电位器 R1 来改变占空比，即产生 PWM 信号。其原理图如图 2.9 所示。 简易家用智能拖地机 11 VS高速高速 VS低速低速 图图 2.92.9 方案一方案一 PWMPWM 方案论证方案论证 方案二：采用单片机定时器 1 定时中断产

19、生占空比可调的 PWM 信号，此方案利 用软件实现，具有操作容易，硬件电路简洁的优点，故本设计采用方案二。该 部分的流程图（如图 2.10 所示）及子程序如下: 图图 2.102.10 PWMPWM 信号产生流程图信号产生流程图 简易家用智能拖地机 12 定时器 1 中断程序产生 PWM 脉冲流程框图 ORG 00H LJMP START ORG 001BH;放在主程序开始 AJMP INTT1 ORG 30H START: CLR P1.3 MOV TMOD,#20H;T1 方式 2 定时 MOV TH1,#0C8H;计数初值 200 MOV TL1,#0C8H MOV IE,#88H;CP

20、U 开中断，定时器 1 中断开 MOV 60H,#05H;高电平计数周期 MOV 61H,#05H;低电平计数周期 MOV 62H,60H MOV 63H,61H CLR P1.7 CLR 03H;软件标志位 SETB TR1 HERE: JMP HERE INTT1: JB 03H,HP;低电平计时到，跳转输出高电平。 LP: DJNZ 62H,RETURN;计数周期未到，中断返回。 CPL P1.7 MOV 62H,60H SETB 03H;低电平延时结束，置软件标志位。 JMP RETURN HP: DJNZ 63H,RETURN CPL P1.7 MOV 63H,61H CLR 03H

21、 简易家用智能拖地机 13 RETURN:RETI 2.2.2.32.2.2.3 PWMPWM 信号输入方案信号输入方案 方案一：将 L298N 的 8 脚接三极管的集电极，发射集接地，同时将 PWM 信号从 基极输入，通过三极管的饱和导通与截止，来控制电机的功率进而实现对车速 的控制。其电路图如图 2.9 所示。 图图 2.92.9 方案一的方案一的 PWMPWM 信号输入电路图信号输入电路图 方案二：将单片机产生的 PWM 信号直接输入到 L298N 的控制端即 5，7 脚，当电 机正转时，5 脚送入 PWM 信号 7 脚接低电平；反转时 7 脚接 PWM 信号 5 脚接低 电平；该方案虽

22、然原理正确，电路简单但是实际中单片机产生 PWM 信号难以实 现选择发送，所以该方案不宜采用。 方案三：为了解决方案二的选择发送的难题，在外部电路中采用继电器来实现 选择发送。由于实际中小车多数情况下是前进状态，所以继电器默认情况下， 将 PWM 信号送入 298 的 5 脚，后退时单片机送高电平给继电器让其吸合及实现 将 PWM 信号送入 298 的 7 脚，从而实现 PWM 信号选择发送。其原理图如图 2.10 所示。 简易家用智能拖地机 14 图图 2.102.10 继电器实现选择发送端原理图继电器实现选择发送端原理图 方案四：虽然方案三解决了选择发送但是却无法实现停车，为了能实现停车及

23、 方案三的功能，同时为了减小电路的功耗（因为继电器工作的最小电流是 40 mA） ，降低成本及优化设计，故本设计采用方案四。可以将上面的电路做以下改 变如图 2.11 所示。 图图 2.112.11 与门实现选择发送端原理图与门实现选择发送端原理图 2.32.3 传感器模块：传感器模块： 方案一：采用超声波测距技术。超声波测距控制器的工作原理是超声波数字测 距是利用超声波发射, 通过被测物体的反射 回波接收后的时差来测量被测距离 的,是一种非接触式测量仪器，单片机根据超声波碰到障碍物反射过来的信号来 判断是否前放有障碍物，从而作出相应的处理。单片机根据采集的数据进行判 断最后采取最优的行走路线

24、，在精度上比较高，但是造价太大不宜商品化，此 外电路较复杂，不易调试所以不宜采用。 方案二：采用光电三极管和微动开关结合的方法来取代方案一中的超声波测距， 光电三极管是根据外界的光照强度不同其对应的阻值不同，光照强度越大，其 阻值越小。根据其阻值的变化，送到比较电路与参考电压进行比较，从而得到 相应的电平信号。本系统采用的另外一种传感器是微动开关，微动开关是接触 式传感器，其接触到障碍物开关将闭合，从而得到相应的电平信号。该方案的 优点是硬件电路比较简单、易于调试、成本低易于商品化，虽然在精度上略逊 于方案一中的超声波测距，但是，在实际中该方案还是可行的。所以电路设计 和制作采用方案二。其电路

25、方框图如图 2.12 所示 简易家用智能拖地机 15 图图 2.122.12 传感器模块电路传感器模块电路 三 软件设计软件设计 该部分见王强的设计 3.13.1 程序清单程序清单 程序清单见附录。 简易家用智能拖地机 16 四四 致谢致谢 本设计从题目的确定、功能模块的选定以及论文的最后定稿都得到了指导老师- -金赟老师的大力支持，特别是在论文的初稿阶段能一针见血地指出该论文的 最大缺陷使我及时修改同时也使我收获颇丰，在此表示衷心的感谢。 此外，在具体的电路模块设计和测试过程中得到了郁光岩同学的许多帮助，以 及本设计的软件设计部分也得到了王强同学的鼎力相助，在此一并表示感谢！ ！ 参参 考考

26、 文文 献献 1 童诗白，华成英 模拟电子技术基础 高等教育出版社 2003 年 2 陈明荧 8051 单片机设计实训教材 清华大学出版社 2004 年 3 全国大学生电子设计竞赛组委会 第四届全国电子设计竞赛获奖 作品选编 北京理工大学出版社 2001 年 4 张友德 赵志英 途时亮 单片微型机原理应用与实验 复旦大学 出版社 2004 年 5 阎石 数字电子技术基础 高教出版社 2004 年 简易家用智能拖地机 17 仪仪 器器 仪仪 表表 1YB1731A2A 直流稳压电源 江苏绿扬电子仪器集 2YB54100 双通道数字存储示波器 江苏绿扬电子仪器集团有限公 司3YB43020A 双综

27、示波器 江苏绿扬电子仪器集团有限 公司 4伟福 E6000/L 仿真器 南京伟福实业有限公司 551/PIC 单片机实验仪 北京革新科技有限公司 6SUPREPRO/GH 读写器 北京革新科技有限公司 简易家用智能拖地机 18 附附 录录 单片机程序：单片机程序： ;=定义伪指令= LED1 EQU 021H LED2 EQU 022H LED3 EQU 023H LED4 EQU 024H JS1 EQU 025H ;25MS (0-99) JS2 EQU 026H ;1S (0-39) TimeS EQU 027H ;(0-59)秒 TimeM EQU 028H ;(0-59)分钟 ;=主

28、程序= ORG 0000H LJMP START ORG 000BH AJMP INTT0 ;定时器 T0 产生计时中断 ORG 001BH AJMP INTT1 ;定时器 T1 产生 pwm 脉冲信号 ORG 0040H START: MOV SP,#50H MOV IP,#08H ;定时器 T1 为高优先级 简易家用智能拖地机 19 CLR A MOV JS1,A MOV JS2,A MOV TimeS,A MOV TimeM,A ;js1 js2 times timem 清零 ;=设定 T0 为工作方式 2= MOV TMOD,#22H ;设定 T0 为工作方式 2，八位自动重载，定时器

29、 T1 为工作方式 2 MOV TH0,#025 ; MOV TL0,#025 ;256-(250*11.0592/12)=256-230.4=25.6 250us(11.0592) ;用 25 时，中断时间为 250.6510417us CLR 7FH MOV TH1,#0C8H;计数初值 200 MOV TL1,#0C8H MOV 60H,#05H;高电平计数周期 MOV 61H,#05H;低电平计数周期 MOV 62H,60H MOV 63H,61H CLR P1.7 CLR 03H;软件标志位 SETB TR1 ;开定时器 1 SETB TR0 ;开定时器 0 ;=设定 IE= SET

30、B ET0 ;致能定时 0 中断 简易家用智能拖地机 20 SETB ET1 CLR TF0 ;清定时 0 中断标志 SETB EA ;开总中断 MOV DPTR,#TABLE MOV SCON,#00H ;设置串行口控制寄存器 ;=以下控制小车转向及前进后退= LCALL QJ LCALL DELAY5S LCALL LZ LCALL DELAY5S LCALL FRZ LCALL DELAY04S LCALL RZ LCALL DELAY5S LCALL FRZ LCALL HT LCALL DELAY5S LCALL LZ LCALL DELAY5S LCALL FRZ LCALL DE

31、LAY04S LCALL RZ 简易家用智能拖地机 21 HERE: JMP HERE ;=定时器 0 中断入口= INTT0:PUSH PSW PUSH ACC ;=时钟 INC JS1 MOV A,JS1 CJNE A,#100,INT_TIME ;A 与 100 相比较，不等则跳转到 INT_TIME；相等则执行下 一条指令 MOV JS1,#00 INC JS2 MOV A,JS2 CJNE A,#40,INT_TIME ;A 与 40 相比较，不等则跳转到 INT_TIME；相等则执行 下一条指令 MOV JS2,#00 ;= ;（11.0592MHz 补偿)提高精度。 ;(250.

32、6510417-250)*4000/250=10.4166672 简易家用智能拖地机 22 MOV JS1,#10 ;= ;秒数加 1 INC TimeS MOV A,TimeS CJNE A,#60,INT_TIME MOV TimeS,#00 ;分钟加 1 INC TimeM MOV A,TimeM CJNE A,#60,INT_TIME MOV TimeM,#00 INT_TIME: MOV A,TimeM CALL HEXtoBCD MOV LED1,A MOV LED2,B MOV A,TimeS CALL HEXtoBCD MOV LED3,A MOV LED4,B 简易家用智能拖

33、地机 23 ;=显示 DISP:MOV A,24H MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI MOV A,23H MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI MOV A,22H MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI MOV A,21H MOVC A,A+DPTR MOV SBUF,A JNB TI,$ CLR TI POP ACC POP PSW 简易家用智能拖地机 24 RETI INTT1: JB 03H,HP;低电平计时到，跳转输出高电平。 LP: DJNZ 62H,

34、RETURN;计数周期未到，中断返回。 CPL P1.7 ;p1.7 取反 MOV 62H,60H SETB 03H;低电平延时结束，置软件标志位。 JMP RETURN HP: DJNZ 63H,RETURN CPL P1.7 MOV 63H,61H CLR 03H RETURN:RETI ;=十六进制转换为十进制,A 高位，B 低位 HEXtoBCD: mov b,#0ah ; HEXBCD div ab anl a,#00001111b anl b,#00001111b RET QJ: CLR P1.0 CLR P1.1 简易家用智能拖地机 25 RET ;前进 HT: SETB P1.

35、0 SETB P1.1 RET ;后退 LZ: SETB P1.2 CLR P1.3 RET ;左转 RZ: CLR P1.2 SETB P1.3 RET ;右转 FRZ: CLR P1.2 CLR P1.3 RET ;方向复位 ;延时 5 秒子程序 DELAY5S: MOV R7,#200 DEL3: MOV R6,#125 DEL4: MOV R5,#100 DJNZ R5,$ DJNZ R6,DEL4 DJNZ R7,DEL3 RET ; 延时 0.4s DELAY04S: MOV R7,#10 简易家用智能拖地机 26 DEL1: MOV R6,#100 DEL2: MOV R5,#200 DJNZ R5,$ DJNZ R6,DEL2 DJNZ R7,DEL1 RET TABLE: DB 3fh,06h,5bh,4fh,66h ;01234 db 6dh,7dh,07h,7fh,6fh ;56789 本设计总体电路图本设计总体电路图：