论文总字数：21617字

摘 要

21世纪以来，随着第三次工业革命磅礴发展，工业生产带来巨大变革。尤其是智能机器人地发展，有力的促进了工业的巨大变革。随着智能机器人越来越贴近生活，各种服务类机器人孕育而生。扫地机器人开始进入家庭，代替人工做家庭的清洁工作。从第一台扫地机器人问世到现在，扫地机器人相关技术已经相对成熟。市场上各种扫地机器人五花八门。但是扫地机器人的控制器接口一般不对用户开放，对于有特殊要求的用户的需求无法满足。本文设计了一款带有用户接口的智能扫地机器人控制器，能够完成扫地机器人控制器的基本功能。本文的主要工作为：

设计一款扫地机器人硬件控制器，并做成PCB电路板。选用STM32F103RCT6为系统的MCU。利用IR2104S芯片和N-MOS管搭H桥来驱动电机，用STM32定时器输出PWM控制电机转动速度和方向。采用JQ8400-FL超声波测距，利用STM32定时器跳变捕获，读取测距结果。利用串口控制语音播报模块，播报系统信息。最后将STM32IO口引出并留有用户接口，方便二次开发。

关键词：扫地机器人，STM32，电机驱动，超声波传感

Abstract

Since the beginning of the 21st century, with the development of the third industrial revolution, industrial production has brought about tremendous changes. In particular, the development of intelligent robots has greatly promoted the tremendous changes in industry. As smart robots get closer to life, various service robots are born. The sweeping robot began to enter the home, instead of doing manual cleaning of the home. From the advent of the first sweeping robot to the present, the related technology of sweeping robots has been relatively mature. There are a variety of sweeping robots on the market. However, the controller interface of the sweeping robot is generally not open to the user, and cannot be satisfied by the needs of users with special requirements. This paper designs a smart sweeping robot controller with a user interface to complete the basic functions of the sweeping robot controller. The main work of this is:

Design a hardware controller for the sweeping robot and make it into a PCB board. The STM32F103RCT6 is selected as the MCU of the system. The IR2104S chip and the N-MOS tube are used to drive the motor with the H-bridge, and the STM32 timer output PWM is used to control the motor rotation speed and direction. The JQ8400-FL ultrasonic ranging is used, and the STM32 timer jump capture is used to read the ranging result. Use the serial port to control the voice broadcast module and broadcast the system information. Finally, the STM32IO port is taken out and the user interface is left to facilitate secondary development.

KEY WORDS: Sweeping robot, STM32, motor drive, ultrasonic sensing

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外发展现状 1

1.3 本文内容及章节安排 3

第二章 扫地机器人硬件电路的设计与实现 4

2.1 扫地机器人控制器的需求分析 4

2.2 系统硬件方案 5

2.2.1 处理器的选型 5

2.2.2 测距模块的选型 7

2.2.3 语音播报模块的选型 7

2.3 系统软件方案 7

第三章 扫地机器人硬件电路设计 8

3.1 处理器的周围电路设计 8

3.2 运动控制电路设计 11

3.2.1 直流电机驱动原理 11

3.2.2 直流电动机的驱动电路设计 12

3.2.3 扫地机器人的运动控制 14

3.3 电源模块电路 14

3.4 传感模块 14

3.4.1 超声波测距传感器的基本信息 14

3.4.2 超声波测距模块的工作原理 15

3.5 语音播报模块 16

3.6 SD卡储存模块 17

3.7 PCB板的设计 19

3.7.1 原理图设计 19

3.7.2 防干扰去噪设计 20

3.7.3 PCB板的设计 22

第四章 扫地机器人硬件驱动及测试软件 24

4.1 MDK5简介 24

4.2 STM32固件库 24

4.3 STM32系统架构 25

4.4 STM32时钟系统 26

4.4.1 STM32时钟 26

4.4.2 系统时钟的选择和转换 27

4.5 运动控制软件设计 27

4.6 传感系统软件设计 28

4.7 语音播报模块软件设计 30

第五章 扫地机器人硬件功能测试 32

5.1 概述 32

5.2 运动控制测试 34

5.3 测距模块测试 34

5.4 语音播报模块测试 35

第六章 总结和展望 36

6.1 工作总结 36

6.2 未来展望 36

参考文献 37

致 谢 39

绪论

研究背景及意义

由于科学技术的蓬勃发展，智能机器人技术也不断成熟。人们对于机器人方面的研究也更加关注。智能机器人技术作为20世纪最伟大的发明之一，经历了多年的发展已经取得了长足的进步。全球很多国家也都相继推出相关政策以促进机器人的发展。根据《2017年中国机器人产业发展报告》，全球机器人市场显示工业机器人的占比首当其冲，占据63%超过一半，占比最高。其次是特种机器人，占比24%。最后是服务类机器人，占比最少为13%。根据2014年全球工业机器人销量显示，工业机器人的总销量达到22.9万台。与2013对比，2014年的销量比2013年增长29％。在2014年全年工业机器人销量中，中亚地区的销量占比最高，占总销量的75%。然而占比最少的服务类机器人全年销售量为2.4万。增速为11.5%^[1]。

扫地机器人作为服务机器人的一种，随着平时工作压力的增加以及人们对跟高生活质量的追求，扫地机器人的销量也迅速发展。扫地机器人的基本功能是代替人工完成地面的清扫工作。据零售检测的数据，从2012年以来，扫地机器人在中国的销售量已经超过了332.5万台。扫地机器人跟其他的智能家居比，扫地机器人在我国的发展水平还比较低，还有广阔的潜在市场等待发掘^[2]。

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