一种智能清洁机器人的设计
一种智能清洁机器人的设计[20200410141456]
摘要
随着经济的迅速发展，人们生活水平的提高，智能清洁机器人逐步的走入平常百姓家，越来越受到人们的喜欢。随着机器人技术的进步，智能清洁机器人必将成为每个家庭必不可少的清洁帮手。
本文首先研究了清洁机器人的发展现状，分析了清洁机器人功能需求，从而提出了一种智能清洁机器人的设计方案。本方案以STC89C52为核心处理器，通过灰尘检测系统，实现智能清洁机器人的设计。同时清洁机器人加入了避障功能，在运行过程中，检测到前方有物品会绕行，以免损伤物品。清洁机器人通过屏幕显示时间，同时设置了定时功能，可以通过键盘设定清洁时间。
通过实验，验证了本文所设计的智能清洁机器人的可行性和有效性，具有一定的应用价值，为进一步研究全面的智能清洁机器人奠定了基础。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:智能单片机清洁机器人
Keywords: Intelligent; Microcontroller; Cleaning Robot目录
1.绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 论文的主要内容和结构安排 4
2.清洁机器人的方案设计 5
2.1功能需求分析 5
2.2 清洁机器人系统的构建 5
3.清洁机器人的硬件电路设计 8
3.1控制电路的设计 8
3.2 电源稳压电路的设计 9
3.3 驱动电路的设计 9
3.4 按键电路的设计 10
3.5 时钟电路的设计 11
3.6 避障电路的设计 12
3.7 液晶显示电路的设计 12
3.8 灰尘检测电路的设计 13
3.9 A/D转换电路的设计 14
3.10 吸尘系统的设计 15
3.11 数据传输电路的设计 15
3.12 超声波电路的设计 16
4.清洁机器人的软件设计 17
4.1 整体软件设计 17
4.2 机器人运行的软件设计 18
4.3 按键的软件设计 19
4.4 时钟的软件设计 20
4.5 机器人吸尘的软件设计 21
4.6 路径规划的软件设计 21
4.7 数据传输的软件设计 22
4.8 超声波传感器的软件设计 23
5.清洁机器人调试 24
5.1 清洁机器人实物图 24
5.2 服务机器人按键控制的调试 25
5.2.1 按键说明 25
5.2.2 按键操作说明 25
5.3 机器人现场调试 26
5.4 注意事项 27
6.总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 展望 28
参 考 文 献 30
附件 31
附件1 电路图 31
附件2 程序代码 32
致谢 41
1.绪论
1.1 课题的研究背景与意义
20世纪60年代初，机器人问世，经历50多年的发展，人们已经得到了一定的成果。50年间机器人的成长过程主要分为三个阶段，第一阶段的机器人是示教再现机器人，第二阶段的机器人是感知机器人，第三阶段的机器人是智能机器人。
示教再现机器人的机械手在人操作动作的过程中，机器人会将运行的机械动作保存到机器人的存储器装置。当运行机器人的时候，机器人可以将存储在存储装置中的机械动作再现，并且可以重复运行。这类机器人对外界的环境和情况变化没有感知能力，也不能对外界的信息做出相应的反馈动作，很难适应环境的变化。
感知机器人在传感技术的发展下，拥有了视觉、力觉、触觉等感官，并能根据所得信息对周围环境以及作业对象做出实时处理。
智能机器人与感知机器人相比，具有更加完善的环境感知能力和面对外界环境时实时的处理能力，并且与人类一样具有逻辑思维能力，能分析所获得的信息做出最为妥善的判断和决策。
国外机器人发展较好的有日本、美国以及一些西欧国家。日本人口较少，社会老龄化，导致劳动力缺失，因此培养了浓重的机器人文化，同时在“使机器人成为人”的氛围下，机器人研究发展迅速。例如：仿人机器人保姆会清洁卫生，洗衣，收拾碗碟和其他家务。由此可见，机器人在将来的发展，会达到不能预想的地步。
我国从20世纪80年代开始机器人的研究与应用，与其他国家相比，我国开始研究机器人的时间较晚，但是到现在为止也取得了一定的成果。例如我国一个名叫“夏娃2号”的机器人，她可以和观众对话，和人进行眼神接触，能表达自己的情绪，同时还能唱歌，唱歌时能对上口型以及扭动手臂等其他部位。
1.2 国内外研究现状
如今很多家庭都有吸尘产品，从传统的吸尘器到智能的清洁机器人，它们的诞生都是为了清除灰尘，同时避免灰尘四处蔓延导致的呼吸系统疾病的发生。
传统的真空吸尘器的使用非常广泛，可用于清洁房间，衣柜，沙发，汽车和其他一些地方，而且还可以充分发挥想象力去应用到更多的地方，但是使用时需要用户操作吸尘器，费力费时，在打扫一些不便于打扫的地方时，使用吸尘器会更加不方便。
智能清洁机器人与吸尘器相比较体型较小，因此，清洁机器人能轻而易举的到达房间的各个角落，例如沙发底部、柜子下面等进行清洁，几乎可以使房间地面无死角，同时清洁机器人在静音和耗电方面也占有很大优势。
自从2002年名叫“三叶虫”的清洁机器人出现在世人面前，到现在清洁机器人还在进行不断地发展。随着清洁机器人不断地发展，清洁机器人从高价格、清洁效果不佳等原因不被大多数人接受，到现在功能、清洁效果等不断完善后，已经有很多消费者购买使用，并且得到了很多很好的用户反馈。
1.3 课题研究的主要内容
为了解决好住房清洁问题，帮助身体不便的人们做好清洁工作，设计了智能清洁机器人。清洁机器人通过超声波传感器、红外传感器、灰尘检测传感器、舵机等密切配合，检测障碍、判断周围环境。机器人以螺旋式行进方式，逐步完成吸尘工作，在吸尘过程中检测障碍、环境状况，当地面清洁值未达到设定的清洁值的时候会持续在该位置进行吸尘工作，直至达到预设要求，最优的完成吸尘工作。
本设计的主要思路：以STC公司的STC89C52为核心处理器，红外避障传感器来检测物体进行避障， GP2Y1010AU为灰尘检测传感器，液晶屏LCD12864作为人机界面，显示相关的信息，MG995舵机作为驱动电机，ATK-HC05实现蓝牙串口的数据传输，HS-SR04实现超声波测距。通过编写单片机程序来控制并监控清洁机器人。
大部分清洁机器人的研究方向主要是地面物体的识别、清洁路线的设计以及自动避障系统在其他的一些方面可以加以改进。本设计在普通的地面清洁机器人的基础上，通过传感器可进行分区域工作是本设计的一大特色，机器人可以在特定的区域内进行清洁任务，不到清洁区域外工作，使用户在生活中不受到清洁机器人工作的干扰；液晶屏幕作为人机界面，让用户更加了解清洁机器人的工作情况，同时显示的时间等信息，用户也可以预设工作时间，到规定时间机器人便会自动启动，令用户使用更加方便。
机器人的工作模式分为两种：一、手动开始模式；二、定时运行模式。手动开始模式是在一定区域内，机器人的超声波传感器、红外传感器、灰尘检测传感器、舵机和其他元件在单片机控制下，密切配合，检测障碍、判断周围环境，以螺旋式的行进方式，逐步完成吸尘工作，并在吸尘过程中检测障碍、环境，当地面清洁值未达到设定的清洁值的时候会持续在该位置进行吸尘工作，直至达到预设要求，以安全第一，不留死角为清洁目标，最优的完成吸尘工作。定时运行模式是在手动开始模式下加上了一个定时的功能，当到达设定时间机器人运行。机器人在工作的过程中，液晶屏都会作为人机界面来显示有关信息，让用户更加了解清洁情况。
1.键盘控制
使用者可以通过键盘控制机器人运作，机器人会按照按键选择的工作模式运作清洁地面，同时可以使用键盘设定运作开始时间。
摘要
随着经济的迅速发展，人们生活水平的提高，智能清洁机器人逐步的走入平常百姓家，越来越受到人们的喜欢。随着机器人技术的进步，智能清洁机器人必将成为每个家庭必不可少的清洁帮手。
本文首先研究了清洁机器人的发展现状，分析了清洁机器人功能需求，从而提出了一种智能清洁机器人的设计方案。本方案以STC89C52为核心处理器，通过灰尘检测系统，实现智能清洁机器人的设计。同时清洁机器人加入了避障功能，在运行过程中，检测到前方有物品会绕行，以免损伤物品。清洁机器人通过屏幕显示时间，同时设置了定时功能，可以通过键盘设定清洁时间。
通过实验，验证了本文所设计的智能清洁机器人的可行性和有效性，具有一定的应用价值，为进一步研究全面的智能清洁机器人奠定了基础。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:智能单片机清洁机器人
Keywords: Intelligent; Microcontroller; Cleaning Robot目录
1.绪论 1
1.1 课题的研究背景与意义 1
1.2 国内外研究现状 2
1.3 课题研究的主要内容 2
1.4 论文的主要内容和结构安排 4
2.清洁机器人的方案设计 5
2.1功能需求分析 5
2.2 清洁机器人系统的构建 5
3.清洁机器人的硬件电路设计 8
3.1控制电路的设计 8
3.2 电源稳压电路的设计 9
3.3 驱动电路的设计 9
3.4 按键电路的设计 10
3.5 时钟电路的设计 11
3.6 避障电路的设计 12
3.7 液晶显示电路的设计 12
3.8 灰尘检测电路的设计 13
3.9 A/D转换电路的设计 14
3.10 吸尘系统的设计 15
3.11 数据传输电路的设计 15
3.12 超声波电路的设计 16
4.清洁机器人的软件设计 17
4.1 整体软件设计 17
4.2 机器人运行的软件设计 18
4.3 按键的软件设计 19
4.4 时钟的软件设计 20
4.5 机器人吸尘的软件设计 21
4.6 路径规划的软件设计 21
4.7 数据传输的软件设计 22
4.8 超声波传感器的软件设计 23
5.清洁机器人调试 24
5.1 清洁机器人实物图 24
5.2 服务机器人按键控制的调试 25
5.2.1 按键说明 25
5.2.2 按键操作说明 25
5.3 机器人现场调试 26
5.4 注意事项 27
6.总结与展望 28
6.1 总结 28
6.2 展望 28
参 考 文 献 30
附件 31
附件1 电路图 31
附件2 程序代码 32
致谢 41
1.绪论
1.1 课题的研究背景与意义
20世纪60年代初，机器人问世，经历50多年的发展，人们已经得到了一定的成果。50年间机器人的成长过程主要分为三个阶段，第一阶段的机器人是示教再现机器人，第二阶段的机器人是感知机器人，第三阶段的机器人是智能机器人。
示教再现机器人的机械手在人操作动作的过程中，机器人会将运行的机械动作保存到机器人的存储器装置。当运行机器人的时候，机器人可以将存储在存储装置中的机械动作再现，并且可以重复运行。这类机器人对外界的环境和情况变化没有感知能力，也不能对外界的信息做出相应的反馈动作，很难适应环境的变化。
感知机器人在传感技术的发展下，拥有了视觉、力觉、触觉等感官，并能根据所得信息对周围环境以及作业对象做出实时处理。
智能机器人与感知机器人相比，具有更加完善的环境感知能力和面对外界环境时实时的处理能力，并且与人类一样具有逻辑思维能力，能分析所获得的信息做出最为妥善的判断和决策。
国外机器人发展较好的有日本、美国以及一些西欧国家。日本人口较少，社会老龄化，导致劳动力缺失，因此培养了浓重的机器人文化，同时在“使机器人成为人”的氛围下，机器人研究发展迅速。例如：仿人机器人保姆会清洁卫生，洗衣，收拾碗碟和其他家务。由此可见，机器人在将来的发展，会达到不能预想的地步。
我国从20世纪80年代开始机器人的研究与应用，与其他国家相比，我国开始研究机器人的时间较晚，但是到现在为止也取得了一定的成果。例如我国一个名叫“夏娃2号”的机器人，她可以和观众对话，和人进行眼神接触，能表达自己的情绪，同时还能唱歌，唱歌时能对上口型以及扭动手臂等其他部位。
1.2 国内外研究现状
如今很多家庭都有吸尘产品，从传统的吸尘器到智能的清洁机器人，它们的诞生都是为了清除灰尘，同时避免灰尘四处蔓延导致的呼吸系统疾病的发生。
传统的真空吸尘器的使用非常广泛，可用于清洁房间，衣柜，沙发，汽车和其他一些地方，而且还可以充分发挥想象力去应用到更多的地方，但是使用时需要用户操作吸尘器，费力费时，在打扫一些不便于打扫的地方时，使用吸尘器会更加不方便。
智能清洁机器人与吸尘器相比较体型较小，因此，清洁机器人能轻而易举的到达房间的各个角落，例如沙发底部、柜子下面等进行清洁，几乎可以使房间地面无死角，同时清洁机器人在静音和耗电方面也占有很大优势。
自从2002年名叫“三叶虫”的清洁机器人出现在世人面前，到现在清洁机器人还在进行不断地发展。随着清洁机器人不断地发展，清洁机器人从高价格、清洁效果不佳等原因不被大多数人接受，到现在功能、清洁效果等不断完善后，已经有很多消费者购买使用，并且得到了很多很好的用户反馈。
1.3 课题研究的主要内容
为了解决好住房清洁问题，帮助身体不便的人们做好清洁工作，设计了智能清洁机器人。清洁机器人通过超声波传感器、红外传感器、灰尘检测传感器、舵机等密切配合，检测障碍、判断周围环境。机器人以螺旋式行进方式，逐步完成吸尘工作，在吸尘过程中检测障碍、环境状况，当地面清洁值未达到设定的清洁值的时候会持续在该位置进行吸尘工作，直至达到预设要求，最优的完成吸尘工作。
本设计的主要思路：以STC公司的STC89C52为核心处理器，红外避障传感器来检测物体进行避障， GP2Y1010AU为灰尘检测传感器，液晶屏LCD12864作为人机界面，显示相关的信息，MG995舵机作为驱动电机，ATK-HC05实现蓝牙串口的数据传输，HS-SR04实现超声波测距。通过编写单片机程序来控制并监控清洁机器人。
大部分清洁机器人的研究方向主要是地面物体的识别、清洁路线的设计以及自动避障系统在其他的一些方面可以加以改进。本设计在普通的地面清洁机器人的基础上，通过传感器可进行分区域工作是本设计的一大特色，机器人可以在特定的区域内进行清洁任务，不到清洁区域外工作，使用户在生活中不受到清洁机器人工作的干扰；液晶屏幕作为人机界面，让用户更加了解清洁机器人的工作情况，同时显示的时间等信息，用户也可以预设工作时间，到规定时间机器人便会自动启动，令用户使用更加方便。
机器人的工作模式分为两种：一、手动开始模式；二、定时运行模式。手动开始模式是在一定区域内，机器人的超声波传感器、红外传感器、灰尘检测传感器、舵机和其他元件在单片机控制下，密切配合，检测障碍、判断周围环境，以螺旋式的行进方式，逐步完成吸尘工作，并在吸尘过程中检测障碍、环境，当地面清洁值未达到设定的清洁值的时候会持续在该位置进行吸尘工作，直至达到预设要求，以安全第一，不留死角为清洁目标，最优的完成吸尘工作。定时运行模式是在手动开始模式下加上了一个定时的功能，当到达设定时间机器人运行。机器人在工作的过程中，液晶屏都会作为人机界面来显示有关信息，让用户更加了解清洁情况。
1.键盘控制
使用者可以通过键盘控制机器人运作，机器人会按照按键选择的工作模式运作清洁地面，同时可以使用键盘设定运作开始时间。
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