一种擦黑板机器人控制系统设计(附件)【字数：10162】
摘 要一直以来，粉笔灰尘不仅影响着师生的身心健康，还影响着教学环境，社会中对于改善教学环境的呼声也愈发强烈。与此同时，智能家居、物联网等专业的兴起，也激起了人们将智能化带入环保行业的兴趣。本文在介绍擦黑板机器人、视觉机器人国内外发展的现状和未来的趋势的基础上，结合近几年流行的智能家居行业，设计了一款基于锂电池供电、蓝牙控制、视觉图像处理、四轮驱动的擦黑板机器人的控制系统方案，包括擦黑板机器人的供电系统、图像处理系统、蓝牙信息接收系统、驱动系统的设计制作，重点进行了小车供电系统分析、视觉处理分析与驱动电机的设计和选型。采用Altium Designer 2013（AD13）软件进行了硬件电路设计，包括STM32F103ZET6、STM32F429IGT6单片机最小系统、电机驱动模块、电源模块、蓝牙接口模块、摄像头模块等。以MDK软件为设计平台编写及调试了机器人控制主函数、运动函数、蓝牙通信函数、图像采集与处理函数等程序，并且通过电脑和手机进行了系统调试。最后给出并讨论了擦黑板机器人整个系统的控制方案。结果表明，设计的擦黑板机器人控制方案可以实现预期功能，具有一定的实际应用价值。
目 录
第一章 绪论 3
1.1研究背景 3
1.2研究目的和意义 3
1.2.1研究目的 3
1.2.2研究意义 3
1.3国内外研究现状与趋势 4
1.3.1国内外研究现状 4
1.3.2国内外研究趋势 4
第二章 硬件电路设计 5
2.1电源模块的设计与计算 5
2.1.1 DCDC电源的原理 5
2.1.2 DCDC电源的选型与电路设计 6
2.2 微控制器的选择及最小系统的设计 10
2.2.1 微控制器的选择 10
2.2.2 最小系统的设计 10
2.3电机驱动芯片的选型. 13
2.3.1几种电机的介绍与选型 13
2.3.2电机驱动的原理与选型 13
2.4 摄像头模块的选型. 15
2.5 蓝牙模块的选型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
15
2.6 LCD显示屏幕的选型 16
第三章 软件设计 17
3.1 系统控制框图 17
3.2 主函数 17
3.2.1 主函数程序流程图 17
3.2.2 主函数程序 18
3.3运动子函数 18
3.3.1 运动子函数程序流程图 18
3.3.2 运动子函数程序 19
3.4蓝牙子函数 19
3.4.1 蓝牙子函数程序流程图 19
3.4.2 蓝牙子函数程序 20
3.5图像二值化处理算法 21
3.6几种PID电机控制算法 22
第四章 调试内容、结论与展望 24
4.1调试内容 24
4.1.1摄像头模块的调试 24
4.1.2蓝牙模块的调试 24
4.1.2电机控制模块的调试 25
4.2结论与展望 26
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1研究背景
黑板擦和粉笔是日常教学必不可少的东西，然而粉笔灰的影响也一直都存在，虽然科技爱好者和广大师生在不停地改进粉笔的方案，但是在实际应用中，对于粉笔尘污染的减少并不明显。
受限于目前我国教育资源匮乏等原因，我们暂时可能还无法找到无尘粉笔的完美替代方案，但是可以从别的方面入手，例如对黑板擦等教具做出改进。随着科技的进步，我们能够开发新型黑板擦，还老师和学生一间干净卫生的教室。也有利于师生的身体健康。
另外，本设计中的一些关键方案部分比如图像处理、蓝牙通信、电源管理等都来源于当下相对比较流行的相关的专业解决方案。这使得本设计具有较好的实际应用价值，也暗合了中国近几年提出的中国智能制造2025的目标。并且随着人工智能的越来越流行，我国部分省份已将人工智能的相关学科列入中小学的考察范围，本设计的实质是一款基于视频图像处理的蓝牙控制小车，实物控制起来具有一定的趣味性，也会培养中小学学生对于人工智能的兴趣。
1.2研究目的和意义
1.2.1研究目的
本课题分为两部分，视觉采集部分采用STM32F429IGT6为主控芯片，采用LCD液晶屏作为显示设备，通过摄像头采集图像信息，并通过主控芯片进行图像数据处理，最终将处理后的图像信息显示在液晶屏上，以此完成擦黑板机器人图像处理部分的设计方案。小车控制部分采用STM32F103ZET6为主控芯片，主流程为蓝牙接收数据，然后判断数据所对应的状态，改变PWM的输出，从而改变小车的状态以及是否擦灰的状态。
熟练掌握单片机的使用是本专业学生的一项基本技能，本课题的主要目的是通过整个系统的设计，进一步加深对单片机硬件电路的连接以及对图像处理，PID控制方面的编程与应用等方面的理解。通过研究学习基于STM32F4的图像采集和处理实验可以达到学以致用，把理论与实践相结合的目的，同时提高在系统设计的过程中发现问题、解决问题的能力，掌握设计的技巧，为以后的工作打下基础，并完成一个能够基本满足需求的擦黑板机器人控制策略。
1.2.2研究意义
环保这个话题，近几年一直出现在人们视线中，一种可持续发展的理念也深入人心，对于已有的一些高污染产品的改进一直是环保行业的重点，粉笔污染虽然小，但是我国师生人数众多，也可以算高污染产品，对于粉笔灰尘的降低迫在眉睫。
随着工业的发展，智能工业的概念被越来越多的人熟悉，解放人的思想一直贯穿着几次的工业革命，而近几年，视觉机器人的出现，更加解放了人的双手，在工业生产中，图像机器人扮演者越来越重要的角色。
1.3国内外研究现状与趋势
本设计的主题是擦黑板机器人，归结到工业中是两种机器人的结合，一种是历史悠久的爬壁机器人，另一种是近几年流行的图像处理机器人，本节从爬壁机器人和视觉图像机器人发展的国内外的现状和趋势，做一个简单的比对。
1.3.1国内外研究现状
目 录
第一章 绪论 3
1.1研究背景 3
1.2研究目的和意义 3
1.2.1研究目的 3
1.2.2研究意义 3
1.3国内外研究现状与趋势 4
1.3.1国内外研究现状 4
1.3.2国内外研究趋势 4
第二章 硬件电路设计 5
2.1电源模块的设计与计算 5
2.1.1 DCDC电源的原理 5
2.1.2 DCDC电源的选型与电路设计 6
2.2 微控制器的选择及最小系统的设计 10
2.2.1 微控制器的选择 10
2.2.2 最小系统的设计 10
2.3电机驱动芯片的选型. 13
2.3.1几种电机的介绍与选型 13
2.3.2电机驱动的原理与选型 13
2.4 摄像头模块的选型. 15
2.5 蓝牙模块的选型 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072*
15
2.6 LCD显示屏幕的选型 16
第三章 软件设计 17
3.1 系统控制框图 17
3.2 主函数 17
3.2.1 主函数程序流程图 17
3.2.2 主函数程序 18
3.3运动子函数 18
3.3.1 运动子函数程序流程图 18
3.3.2 运动子函数程序 19
3.4蓝牙子函数 19
3.4.1 蓝牙子函数程序流程图 19
3.4.2 蓝牙子函数程序 20
3.5图像二值化处理算法 21
3.6几种PID电机控制算法 22
第四章 调试内容、结论与展望 24
4.1调试内容 24
4.1.1摄像头模块的调试 24
4.1.2蓝牙模块的调试 24
4.1.2电机控制模块的调试 25
4.2结论与展望 26
致 谢 28
参考文献 29
第一章 绪论
1.1研究背景
黑板擦和粉笔是日常教学必不可少的东西，然而粉笔灰的影响也一直都存在，虽然科技爱好者和广大师生在不停地改进粉笔的方案，但是在实际应用中，对于粉笔尘污染的减少并不明显。
受限于目前我国教育资源匮乏等原因，我们暂时可能还无法找到无尘粉笔的完美替代方案，但是可以从别的方面入手，例如对黑板擦等教具做出改进。随着科技的进步，我们能够开发新型黑板擦，还老师和学生一间干净卫生的教室。也有利于师生的身体健康。
另外，本设计中的一些关键方案部分比如图像处理、蓝牙通信、电源管理等都来源于当下相对比较流行的相关的专业解决方案。这使得本设计具有较好的实际应用价值，也暗合了中国近几年提出的中国智能制造2025的目标。并且随着人工智能的越来越流行，我国部分省份已将人工智能的相关学科列入中小学的考察范围，本设计的实质是一款基于视频图像处理的蓝牙控制小车，实物控制起来具有一定的趣味性，也会培养中小学学生对于人工智能的兴趣。
1.2研究目的和意义
1.2.1研究目的
本课题分为两部分，视觉采集部分采用STM32F429IGT6为主控芯片，采用LCD液晶屏作为显示设备，通过摄像头采集图像信息，并通过主控芯片进行图像数据处理，最终将处理后的图像信息显示在液晶屏上，以此完成擦黑板机器人图像处理部分的设计方案。小车控制部分采用STM32F103ZET6为主控芯片，主流程为蓝牙接收数据，然后判断数据所对应的状态，改变PWM的输出，从而改变小车的状态以及是否擦灰的状态。
熟练掌握单片机的使用是本专业学生的一项基本技能，本课题的主要目的是通过整个系统的设计，进一步加深对单片机硬件电路的连接以及对图像处理，PID控制方面的编程与应用等方面的理解。通过研究学习基于STM32F4的图像采集和处理实验可以达到学以致用，把理论与实践相结合的目的，同时提高在系统设计的过程中发现问题、解决问题的能力，掌握设计的技巧，为以后的工作打下基础，并完成一个能够基本满足需求的擦黑板机器人控制策略。
1.2.2研究意义
环保这个话题，近几年一直出现在人们视线中，一种可持续发展的理念也深入人心，对于已有的一些高污染产品的改进一直是环保行业的重点，粉笔污染虽然小，但是我国师生人数众多，也可以算高污染产品，对于粉笔灰尘的降低迫在眉睫。
随着工业的发展，智能工业的概念被越来越多的人熟悉，解放人的思想一直贯穿着几次的工业革命，而近几年，视觉机器人的出现，更加解放了人的双手，在工业生产中，图像机器人扮演者越来越重要的角色。
1.3国内外研究现状与趋势
本设计的主题是擦黑板机器人，归结到工业中是两种机器人的结合，一种是历史悠久的爬壁机器人，另一种是近几年流行的图像处理机器人，本节从爬壁机器人和视觉图像机器人发展的国内外的现状和趋势，做一个简单的比对。
1.3.1国内外研究现状
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