机器人能源处理专题-机器人电源管理系统

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风雨兼程--远方

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变电站巡检机器人电源系统研究

变电站运规要求运行人员进行日常巡检工作，每天或定期采集大量的运行数据。这种人工方式存在劳动强度大，容易使人产生厌烦，检测质量分散，主观因素多，巡检不到位难以监控，巡检结果数字化不便等缺陷，不符合智能电网的发展方向。为了解决这个问题，兼顾变电站的运行方式，变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种趋势。变电站巡检机器人采用自主或遥控方式，通过红外热像仪对电气设备、设备连接处和电力线路进行温度检测：使用可见光摄像机对运行设备的外观异常和线路中悬挂的异物进行识别检测；通过分析拾音器采集回来的设备声音，确定设备的运行情况。巡检机器人后台系统对巡检数据进行对比和趋势分析，及时发现电网运行的事故隐患和故障先兆，如：异物、损伤、发热、漏油等。巡检机器人为提高变电站的数字化程度和全方位监控的自动化水平，确保设备安全可靠运行发挥了重要作用。

电源系统是为巡检机器人提供动力的心脏部分，电源系统是否正常工作直接影响到机器人内部设备的稳定运行。巡检机器人要在变电站长期值守、完全自治，就必须配备一套自动化水平高、稳定性强的电源系统。本文提出一种状态监测全面，自动化程度较高，交互性好，实用性强，适用于巡检机器人长期自主运行的电源系统。该系统全面监测电压、电流、电量及温度，具有过放、过充、欠压等多重保护，实现机器人内部温度自动调节及电池自动充电，非易失性存储命令执行及异常发生时的状态，能够满足变电站巡检机器人的功能需求。本文详细论述了其功能结构及工作原理，并给出了部分电路原理图。

1. 系统设计

变电站巡检机器人电源系统功能结构如图1所示。电源系统以单片机为核心，通过外围接口和驱动控制等电路实现状态检测、电源输出及充电过程控制、信息交互等功能。通过串口通信实现与工控机命令执行及状态反馈的交互。通过检测芯片监测电压、电流、电量及温度等信息，实现机器人运行状态的实时监控。保护电池和电路安全，包括对电池过放、过充保护，过流、过压保护和电路短路、浪涌保护等。当检测到电池电压过低时，电源系统上传告警信息并自动切断电池供电，从而防止电池过放。当检测到电池充电电量超过预定饱和值时，电源系统自动停止电池充电，从而防止电池过充，综合运用各种措施保证电池使用安全，延长电池使用寿命。电源系统控制充电机构实现自动充电，通过驱动电路控制继电器组实现电池充电、供电切换和设备电源单独控制。为了便于后续检查机器人运行状态，分析机器人运行故障，以事项形式存储命令执行和异常发生时的电源状态。控制散热风扇和电加热板使机器人本体内部温度达到电池及设备工作的适宜温度⋯。电源模块根据设备电压等级及功率要求，转换分配为各支路电源输出。指示灯显示电源系统通信、电量及支路电源等状态。

功能模块设计

电池选型

巡检机器人的移动属性决定其适合采用无缆化的电池供电。电池的选用通常需要考虑如下几个因素：

(1)电压等级：决定了机器人内部设备的电压适用范围；

(2)电池容量：决定了机器人的工作时间和续航能力；

(3)尺寸和重量：在某种程度上决定了机器人本体的尺寸和重量。

根据变电站巡检任务的工作量，设计变电站巡检机器人最高速度为1．5 m／s，连续工作时间最长为3 h。根据机器人内部设备电压及功耗，计算出机器人静态工作电流2A，动态工作电流4A，最大工作电流10A，考虑电池裕量及衰减，机器人内部空间有限及移动设备自重不宜过重等限制，本文选用额定电压25．2 V，容量50 Ah的三元锂电池组。三元聚合物锂电池能量密度大，重量是相同容量的镍镉或镍氢电池的一半，体积是镍镉的40％～50％，镍氢的20％～30％。单体电压高，自放电小，每月在10％以下。没有记忆效应，循环寿命高，在正常条件下，锂离子电池的充放电周期可超过500次。工作温度范围宽至一20～60℃。循环性能优越，可快速充放电，充电效率高达100％，不含有诸如镉、铅、汞等有害金属物质，对环境无污染。

电源状态监测

电源状态监测是电源系统的基本功能。主要包括对电池组总电压、电流、电量及温度等基本信息的采集。通过监测电池组的实时状态，实现对电池组的有效控制，提高电池使用安全及效率，延长电池使用寿命。

电压、电流、电量检测

DS2438是美信公司推出的单总线智能电池监测芯片，具有体积小、硬件接线简单等优点，便于对电池组运行状态进行监测⋯。本文应用DS2438检测电源状态的原理图如图2所示。DS2438的Vad为电压输入端，DQ为数据读写端。DS2438片内集成有10位A／D转换器，测量范围是0～10 V，分辨率为10 mv。经过采样电阻分压和仪表放大器AD620阻抗匹配后，DS2438可以检测机器人电池、充电器及外供电源的电压值[”。vsens+、vseIls一为DS2438的电流输入端。通过测量采样电阻R2的两端电压，并将测量的电压值送至DS2438的电流寄存器，间接测量电池的输出电流或充电电流。电池电流等于电流寄存器中的值／“096+Rsens)，Rsens为采样电阻的阻值。DS2438利用集成电流累加器(ICA，IIltegmted Current Accumulator)对电池剩余电量进行跟踪。IcA保存着流经电池的总电流，通过与初始电量对比后，就可以得到电池的剩余电量。IcA寄存器存储空间有限，跟踪大容量电池组的剩余电量不够用。可以使用外部非易失性存储器扩展存储空间，提高DS2438跟踪剩余电量的适用范围。

温度检测

自动充电

实时时钟及事项存储

为了便于后续检查机器人运行状态，分析机器人运行故障，以事项形式非易失性存储命令执行和异常发生时的电源状态。状态信息主要包括：精确到秒的时间标签、电源状态标志、告警标志、继电器状态、电池充放电电流、外部供电电流、电池启动电压、外部供电电压、电池电压、充电器电压、温度信息等。每条事项记录22个字节，除状态信息外，还包括帧同步、命令字、执行状态、记录总数、事项召唤的起始地址及召唤个数等。集成器件FM31256可以非易失性存储几百条历史事项，为分析问题、排除故障发挥重要作用。蹦31256应用原理图如图4所示。蹦31256采用PC接口，内部具有256kb的串行非易失性存储器n⋯，擦写次数无限次，功耗低。片内实时时钟以BCD(Binary-CodedDecilnal，二一十进制代码)格式提供时间和日期信息，可以通过外部电池或电容供电防止掉电丢失，还可以用软件校准模式提高时间记录器的精确性。另外，刚31256片内有早期电源失效报警模块，PFI引脚电压与1．2 v参考电压进行比较，当PFI输入电压低于该阈值时，PF0引脚输出低电平。PFI信号上升时，比较器有100 Inv(最大)的滞后以降低噪声灵敏度，PFI的下降沿没有滞后。PFo输出可以作为系统判断电池电压的重要依据之一。

变电站巡检机器人部分替代人工巡检已经成为一种必然趋势。机器人长期无人化自动巡检，为电网安全稳定运行发挥了重要作用。本文提出了一种应用于变电站巡检机器人的电源系统，对机器人全面监测电压、电流、电量及温度，全面记录历史事项信息，具有过放、过充、欠压等多重保护，实现机器人内部温度自动调节及电池自动充电。该系统状态监测全面，自动化程度高，交互性好，实用性强，适用于巡视机器人长期自主运行。

自主水下机器人电源管理系统

主要介绍了自主水下机器人的能源系统的设计。通过对几种常见的电池进行分析,最后选择了锂离子电池作为系统的主要能源。提出了一种的电源管理系统设计方案,系统以单片机为核心,充分利用单片机的资源,结合外围的传感器对中设备的电压、电流和温度等信息进行全程监控,并可以通过相应电路对系统进行控制,在系统出现各种故障时可以及时查找并处理故障。

1. 电源管理系统主要功能

主要功能介绍

电源管理系统是能源系统的重要部分,它负责对的能源进行实时的监控和管理。由于大多时刻都是由主电源供电,所以这里只讨论对主电源部分进行的管理。

电源管理的主要功能是通过采集各个耗电模块节点的电压、电流、和电池及测试点温度等信息通过计算得出系统剩余工作时间的估计值和系统的工作状态,通过接口与负责决策处理的中央工控机进行通信,通过对每一路情况的分析,为中央控制系统提供决策,同时通过驱动电路控制继电器对每一路分别进行相应的供电控制。在出现问题时应急处理模块启动,对故障进行处理保障顺利返航。电源管理系统结构如图3一2所示。

各部分模块功能介绍

系统分为四大功能模块数据采集模块、开关控制模块、电量计算模块、应急处理模块。电源管理系统从监控节点采集模拟量输入如电压、电流、温度等,进行电量计算同时通过接口接收工控机的指令,对数据预处理,对开关量如继电器通断状态进行相应操作,在出现故障时调用应急处理模块。

（1）数据采集模块

数据采集模块负责对电源输出的电压、电流、电池组与工作仓内大功率器件周围的温度等模拟量进行采集和预处理,为系统状态分析提供依据。

（2）开关控制模块

开关控制模块通过驱动电路控制继电器的开关,从而对每一个耗电设备的电力供应进行管理,同时便于在某一设备出现短路等故障时,不影响其他设备的供电。

（3）电量计算模块

电量计算模块采用每秒平均电流值作为当前单位时间的电量进行累加。存储下来后,根据电池总电量、己消耗电量和当前工作电流,可以计算出系统所能工作的剩余时间,可为整个系统的运行提供参考。

（4）应急处理模块

应急处理模块在电池电量不足时,结合电池组电压情况,通知工控机并及时切换备用电源,根据工控机指令关闭相应设备减少电源消耗,同时做好上浮准备。在总电流过流时,系统将关闭所有通路,并进入异常处理模式。在异常处理模式中,电源模块结合各测试点电流、温度值,快速查找出相应的故障通道,检测出并关闭故障通道,并向上级工控机报告状态。

2.电源管理系统硬件设计

本文控制器选择ATMEL公司生产8位单片机AT89C52。AT89C52是一个高性能、低电压的COMS 8位单片机,片内含8K bytes的可反复擦写1000次以上的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器,其采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容MCS一51指令系统,足够满足系统设计的要求。

AT89C52正5V供电,有40个引脚,32个外部双向输入输出端口,3个16位可编程定时计数器,同时含有2个外中断口,2个全双工串行通信口,共6个中断源。时钟频率0一24M,2个读写口线,3级加密位,低功耗空闲和掉电模式,可软件设置睡眠和唤醒功能。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起,特别是可反复擦写的存储器可有效地降低开发成本。

电源管理系统连接图如图3一3所示。这里P0口负责各通路开关量控制,输出高低电平通过驱动电路控制继电器;P1口负责电压、电流信号的采集,P2.0口负责温度信号的采集。同时扩展RS232接口进行与工控机的通信,方便接受上位机指令。

电压监测

电压信号的采集即是对模拟数据量的采集,这里采用T1公司生产的12位ADC芯片TLC2543进行转换。

TLC2543具有11路模拟输入通道、正常温度范围内10us的转换速度、片内系统时钟,采样精度达到12位,线性误差士1LSB Max,片内系统时钟,自动采样和保持,输出数据可以设置单极性、双极性,数据长度、MSB、LSB都可以通过编程设置,外部时钟最高可达4.1MHZ,能提供较高精度且多通道的数据采集功能。信号以串行方式输出,只需要单片机4个引脚就可以对11路通道进行采集。TLC2543的引脚定义如图3一4所示。

AIN0-AIN10:11通道模拟输入。

DATA INPUT:串行数据输入。4位的串行地址选择模拟输入通道或者测试下次将要被转换的电压。串行数据MSB优先,在前4个上升沿被锁存。在四个地址位之后读到地址锁存器里面,I/O时钟驱动剩余的位按顺序排列。

DATA OUT:3态刀转换结果输出端口。在CS为高时输出端处于高阻态,在CS低时使能输出。当CS有效时输出端口从高阻态变为前一次转换结果的MSB/LSB逻辑电平。下一个I/O时钟下降沿驱动输出端变为下一个MSB/LSB逻辑电平(移位),其他数据位按顺序移位输出。

CS:片选,下降沿复位内部计数器和控制器,并使能数据输入、输出和I/O时钟。上升沿在一个设置时间内关闭数据输入和I/O时钟。

I/OCLOCK:输入输出时钟。

由于各电压监测节点部分电压各不相同,要转换成TLC2543输入端要求的0一5信号,这里采用分压法,将电压信号经过分压然后接入到TLC2543的模拟输入端。

电阻分压器产生一个中间电压接海水地。如图3一5所示。AIN10实时对这个电压进行监测,如果没有漏电漏水这个中间分压器应是预期的电压。如果有故障,该电压一般会被拉高或低。如果出现故障则通知工控机调用紧急处理模块。如果需要,每个负载都可以拥有自己独立的接地故障检测电路。

由单片机P1.0一P1.3控制电压检测部分的输入、输出。P1.0口输入方波时钟,P1.1口输入监测的通道和输出数据类型,P1.2读入刃转换器的电压输出,P1.3口输入选通使能。

电流监测

电流信号的采集也是对模拟数据量的采集,采用LEM公司的电流传感器LTSR25一NP测量实时电流信号。LTSR25一NP是基于霍尔效应的带补偿的闭环多量程电流传感器,采用单极性电压供电,紧凑设计适合PCB安装,具有优秀的精确度、良好的线性度、无插入损耗、最佳的响应时间和抗电流过载能力。额定工作电流为25A,最高可测量电流80A。LTSR25一NP内部结构如图3一6所示。25度下的测量精度可达到士0.2%,完全满足系统设计的要求。

LTSR25一NP输入端有三种推荐连接模式。如图3一7所示。第一种模式是平行连接。这样可以测量最大的原边电流。第二种模式测量额定电流士12A的电流。第三种模式测量额定电流士8A的电流。虽然减少测量范围,但在小电流测量时提高了三倍精度。可以满足不同电流场合的需求。

将该电流传感器分布于动力系统的五个电机和DC/DC模块输入端,可把采集到的电流转为0一5V的电压信号输出,然后通过单片机的P1.4一P1.7口所连接的TLC2543转换成数字量,送至单片机。通过各个节点电流量的累加,同时可得到电池产生的瞬时总电流值。

温度检测

温度检测传感器采用DALLAS公司生产一线式数字温度传感器DS18B20。DS18B20最大特点是独特的电源和信号复合在一起,仅使用一条微控制器口线,即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。测量温度范围为一55℃—+125℃,在一10—+85℃范围内,精度为士0.5℃。适用电压为3V一5V,9一12位分辨率可调,含有用户可定义的EEPORM,设定的报警温度存在非易失存储器中,掉电后依然可以保存,每个芯片唯一编码,支持联网寻址,简单的网络化的温度感知,零功耗等待。

只含有三个引脚VDD为电源电压供电,引脚GND为电源地线,DQ为数据输入输出。各个节点温度直接以“一线总线”的数字方式传输,大大提高了系统的抗干扰性。适合于恶劣环境的现场温度测量,如环境控制、设备或过程控制、测温类消费电子产品等。

它既可寄生供电也可由外部5V电源供电。外部电源供电模式连接如图3一8所示。这样做的好处是I/O线上不需要加强上拉,而且总线控制器不用在温度转换期间总保持高电平。在转换期间可以允许在单线总线上进行其他数据往来。可以在单线总线上可以挂任意多片DS18B20进行采集。在寄生供电情况下,当总线为高电平时, DS18B20从总线上获得能量并储存在内部电容上,当总线为低电平时,由电容向DS18B20供电。如图3一9所示。这里采用外部电源供电模式。

这里将其用一根系统总线连接于单片机P2.0口。将其分布于电池组和其他大功率器件附近,实时的对整个AUV系统的温度进行监控,为电源管理系统分析系统故障提供依据。

串口通信

串行通信在工业控制中非常重要,其中作为标准输入输出接口之一的RS一232C标准,已广泛应用于微机之间的通信、工业控制系统的远程数据传送等方面,有着广泛的应用价值和较高的研究价值。数据传输速率在0一20kb/s范围自主水下机器人能源与动力系统设计内。由于RS一232C标准对逻辑电平的定义为逻辑“1”的电平信号电压范围一15V一3V,逻辑“0”的电平信号电压范围+3V–+15V,高低电平用相反的电压表示至少有6V的电压差,极大提高数据传输的可靠性。

由于单片机采用TTL,电平标准,因此在于工控机上采用RS一232C标准的接口通信时,需要进行电平转换,相关技术己经很成熟这里就不详细介绍。采用专门的转换芯片MAX232C,具体电路图如图3一10所示。TXD、RXD分别与单片机第11和10引脚相连。

3. 电源管理系统软件设计

根据设计要求,电源管理系统的软件总流程图如图3一11所示。

AUV下水前,系统上电后首先进行系统的初始化,这时各个设备处于关闭的状态下,数据采集模块依次对各个节点的电压情况进行检查,然后对漏电流情况进行测量,如果出现异常超过设定的闭值,则调用异常处理子程序,找出故障点,启动蜂鸣器报警同时等待工控机决策。便于在AUV下水前及时发现潜在问题。

如果整个AUV电源系统正常,则下水后通过中断接收工控机的指令,根据工控机要求开启相应的设备,关闭长时间不用的设备,满足AUV整体低功耗的要求。并对各个测试点的电压、电流、温度情况进行实时监测,出现异常调用异常处理子程序。

A/D转换子程序

由于电压量电流量都需要TLC2543进行A/D,这里对A/D的子程序进行讨论。因为AT89C52不带SPI接口,需要软件模拟,12个时钟信号从I/OCLOCK端依次加入,同时控制字从DATA IN引脚按位在时钟信号的上升沿送入TLC2543,同时上一周期转换结果,从DATA OUT引脚按位输出。TLC2543收到通道号的第4个时钟信号后,开始对选定通道进行模拟量采样。在第12时钟下降沿对本次采样的模拟量进行转换,存储在寄存器中,待下一个工作周期输出。因此在程序第一次采样输出的数据是无效的,应当舍去。信号采集子程序如下:

为了提高测量的精度,减小测量误差,对各个测量值采用多次测量求取平均值的软件滤波方法。模拟量测量时,同一时间连续测量多次,对测量值取平均,获得最佳的测量结果,防止因为模拟量的波动使得系统出现误操作。

电量计算

对于电量的检测由前面的分析可以知道,库仑计数法是对流出电池的电流进行积分的。然后通过总电量减去已经消耗的电量进而求得剩余电量,具体公式如下所示

Qr为剩余电量,q1为电池标称电量,即在约定电流和温度下处于理想状态时的所能放出的电量,Qt为己经使用的电量。K为电量加权系数。

这种方法对于刚刚充满电量的新电池而言是很有效。但随着电池老化和自放电这种方法就显得不那么有效了。我们无法对自放电速度测量,通常用一个预定义的自放电速度公式来对其进行校正。这种方法并不是很精确,因为不同的电池自放电速度各不相同,其模型不能适用于所有的电池。另一个缺点是电池在完全完全充电以后立即进行完全放电才能对电池的总容量进行更新,进而使得实际电量在完成更新前可能会大幅降低。

开路电压法是利用电池的电压与充电状态之间的相互关系进行电池电量监测的。这种方法只有在未对电池接入负载即电路开路时,电池电压才与充电状态或电池电量有很高的关联性,如果接入一个负载后,电池内部阻抗就会在其两端产生一个压降,电池的端电压在其放电过程中变化较大。使得我们无法在运行过程中利用端电压估计电池的剩余容量,这样就会产生较大的误差。

在这里综合这库仑计数法与开路电压法的优点,进行以下的设计。首先采用开路电压法,因为当电池断电后,其端电压随着时间的推移会逐渐趋于稳定,这时的端电压与其容量的关系较为明确。在每次系统上电时,各个部分设备还没有运行时,根据电池上电时的开路电压情况参照电池放电曲线如图3一12所示设置相应的电压电量对应表,可以采用查表的方式得到开路电压所对应的SOC值,然后对当前的SOC做一定的修正和补偿,计算出的剩余电量。在系统工作后采用库仑计数法即由式3一2表示的方法对电池的电流进行实时监测通过积分求出系统消耗的电量,最后由3一1式得出当前系统的剩余电量。这样能够给出电池任意时刻的剩余电量值,便于我们对电池的电量进行长时间的记录和监测。系统可以将当前状态数值传送给工控机存储,便于通过分析实时的电压、电流与SOC的关系对今后的设计提供帮助。当剩余电量达到100Ah时候,电源管理系统通知机器人准备返航。

温度采集

DS18B20的一线工作协议流程是:初始化–ROM操作指令–存储器操作指令–数据传输。具体的温度采集子程序流程如图3一13所示。

主机控制DS18B20完成任何操作之前必须先初始化,通过信号线向DS18B20发送一个满足特定时序的负脉冲(480us一960us的低电平),接着主机释放总线进入接收状态, DS18B20检测I/O引脚,如未检测到高电平信号则主机重发复位脉冲,直到检测到I/O引脚上的上升沿之后,等待15一60us,然后发出存在脉冲(60一240us的低电平)。初始化成功后信号线上的所有的芯片都被复位。

系统初始化程序如下:

接下来,用户通过信号线,发送一个特定的64位序列号编码。只有编码一致的DS18B20芯片才被激活进行采集。在用户发送序列号访问命令选定特定DS18B20芯片后,被选中的芯片便可以接受内存访问命令。单片机通过接口读入相应的温度值。

智能家庭清扫机器人充电站的研究

智能家庭清扫机器人系统由机器人和充电站两部分组成。机器人主要负责清扫地面，同时具有自动清扫，遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动返回充电站充电，定时作，过流检测等功能；充电站主要负责与机器人的无线通讯，发射召回信号，对机器人进行充电。

1. 家庭清扫机器人的结构组成

智能家庭清扫机器人的总体结构如图 2-1 所示。

智能家庭清扫机器人系统由机器人和充电站两部分组成。机器人主要负责清扫地面，同时具有自动清扫，遥控控制，自动避障，检测台阶和楼梯，自动返回充电站充电，定时工作，过流检测等功能；充电站主要负责与机器人的无线通讯，发射召回信号，对机器人进行充电。

2. 通讯方式的选择

通讯是指对具有一定距离的被控目标实施控制。按照传递通讯信号媒介不同，通讯技术可以分为无线通讯和有线通讯。有线通讯一般是利用金属导线或者光纤作为传输媒体，而无线通讯是利用无线电、红外光波、超声波等作为载体，不用导线，而在空间传输，所以实用价值比有线通讯更大。

无线电通讯具有距离远并能够穿过墙壁等固体障碍物工作的特点，但也由于它会穿透墙壁，就有可能会干扰到其它用户和设备，同时它还易受其它电磁波的干扰，从而导致了误动作多、可靠性差。

与无线电通讯相比，超声波通讯比较简单，其传播时有一定方向性和反射特性，因此它也被广泛使用，但其缺点是易受室内外超声波辐射干扰，并且各种声源的干扰均可能引起误动作。

与以上两者相比较，红外通讯是目前最为广泛使用的通讯方式，它利用红外通讯器产生的红外线作为在空间传递信息的媒介，从而实现与设备之间的远距离通讯。

利用红外光进行通讯具有以下特点：

(1)频率高，波长短，所发射的能量集中；

(2)红外线是人的肉眼看不见的光线，保密性强，选用它作为信息载体，装置工作时不存在视觉污染，且对人体没有伤害；

(3)传播范围不受局限，不存在频率干扰问题，与无线电波方式相比，不必就频谱资源问题向有关部门进行申请和登记，易于实施；

(4)具有良好的指向性，当传送设备和红外接收端口排成直线，左右偏差不超过一定角度的时候，红外装置运行效果最好；

(5)目前产生和接收红外信号的技术己经比较成熟，组件体积小，成本低；

(6)制作简单、易于产生和调制等优势。

基于以上的分析，选择红外无线通讯。

3. 智能家庭清扫机器人充电站的设计方案

根据充电站总体功能的要求，研究确定了对接充电站硬件及软件的总体设计方案如下。

系统硬件设计

系统硬件结构如图 2-2 所示，主要由 5 个部分组成：单片机及其外围电路、专用遥控器、充电控制器、电源、红外线发射模块。

(1)单片机及其外围电路用户通过充电站上的按键来控制其工作，单片机根据用户的指令和机器人是否在站内充电来点亮相应的指示灯（红灯为工作指示灯，绿灯为快速充电中指示灯）。将红外编码信号的数据存储在内存中，在红外通讯中根据所要发射的信号类型来读取并输出信号同时再输出 39KHz 的载波信号供给红外线发射控制器使用。

(2)红外发射电路根据单片机输出的编码信号和载波信号来驱动红外发光二极管发射相应的信号。为了满足机器人对接充电的需要，将 F2B（对接信号）与其它的信号通过不同的发光二极管输出，为了增加充电站与机器人的通讯覆盖面积将 F1B（导航信号）发射管设计为 4 个并联。

(3)专用遥控器在使用充电站与机器人的通讯功能的时候，由于机器人是在整个室内移动的，而红外的穿透性是比较差的，这个时候一个遥控器就显得很有必要了。它利用和充电站一致的红外通讯协议来实现对处于任意位置机器人的前进、后退、左转、右转和召回的操作。

(4)电源模块充电站的供电电源是 220V 交流电，电源模块的作用在于将220V 的交流电转换为供给电池充电用的 19～22V 直流电，在通过稳压芯片供给控制系统 5V 的直流电。利用 KBL406（4A 的桥式整流电路）完成 220V 交流到直流的转换，并利用电容滤波形成直流脉动电压，再由 W7805 输出+5V来供给单片机应用系统。如图 2-3 所示。

(5)充电控制器机器人使用的是 10 节 1.2V/4000m Ah 的 Ni-MH（镍氢）电池。充电控制器采用快速充电率对电池充电，并在电池充足电后进入涓流充电模式，利用 BQ2002F（CMOS 镍氢/镍镉电池充电控制器）来实现。

系统软件的设计

充电站系统软件的设计包括以下 3 个方面：

(1)红外线的通讯协议的制定及实现。

(2)红外线发射和接收应用程序设计，其中包括充电站和遥控器中的红外发射子程序，机器人本体的红外译码子程序。

(3)专用遥控器及充电站上按键控制开发。

4. 充电站的单片机系统设计

单片机系统是充电站的重要组成部分，负责读取用户的指令并向红外发射电路输出其所对应的编码信号。

单片机的选择

对于一个单片机应用系统来说，单片机的选型是一件重要而费心的事情，如果单片机型号选择的合适，单片机应用系统就会显得经济而又可靠；如果选择不当，将出现两种情况，一种是选择功能过强的单片机从而造成资源浪费，性能价格比下降；另一种就是选择功能过少的单片机，使单片机应用系统无法完成控制任务，达不到预先设计的功能。在单片机选型时，应把握以下三个原则：

(1)芯片含有略大于设计要求的功能和 I/O 端口数量；

(2)设计需求尽可能用芯片完成，少用外围器件；

(3)尽量选用性价比高的品牌产品。

选用了美国 SONIC 公司的 SNC5A8，其组成结构如图 3-1 所示。

SNC5A8 的主要特性如下：

(1)单电源供电 2.4V～5.5V；

(2)38.5KHz 红外载波信号；

(3)两个独立的声音通道；

(4)内置 PWM 直接驱动电路和固定电流 D/A 输出；

(5)系统时钟：2MHz；

(6)低电压复位。

控制系统的组成

(1)时钟电路 SNC5A8 接收 RC 特性的振荡器作为系统时钟，这就简化了电路的设计。选用合适的电阻代替一般单片机系统中的阻容网络可以得到2MHz 的时钟信号。

(2)红外载波的加入 P33 脚通过方式设定可以输出 38.5KHz 的调制信号，也可以设定为逻辑 1,以便该引脚作为普通输出引脚，其内部结构如图 3-2所示。

(3)内存的扩展系统需要存储多达 50 种组合的红外信号的编码格式，这时 SNC5A8 的 10384×bit 的 ROM 就不能满足需要，这里外扩了一个存储容量8128 ×bit 的数据存储器 W27C010。

单片机的系统扩展是通过单片机的片外引脚进行的，片外引脚呈现三总线结构，即地址总线(AB)、数据总线(DB)和控制总线(CB) 。根据系统的需要，设计地址总线 7 位，数据总线 8 位，由于只有一个 W27C010 外扩芯片，控制总线一直处于使能状态，这样就构成了 SNC5A8

外围存储扩展系统，单片机系统具体的电路图如图 3-3 所示。

5. 充电控制器

家庭清扫机器人的电源采用圆柱型密封镍氢电池。它由正极板、负极板、隔板、安全排气孔等部分组成。正极板的材料为 Ni OOH，负极板的材料为储氢合金。当镍氢电池过充电时，金属壳内的气体压力将逐渐上升。该压力达到一定数值后，顶盖上的限压安全排气孔打开，因此可以避免电池因气体压力过大而爆炸。

Ni-MH 电池的主要特性

在常温(20℃)下，采用 1C（C 表示电池的标称容量）、0.2C 和 0.5C 充电速率时，电池电压随充入电量的变化规律如图 3-4 所示。镍氢电池充足电后，电压基本上保持不变，开始充电时，电池电压出现很小负增量。通常采用 1C 充电速率时，70min 以内，镍氢电池可以充足电，采用 0.2C 充电速率时，充电时间约为 7h。

在常温（20℃）下，采用 3C、1C 和 0.2C 放电速率时，镍氢电池的电压随放电容量的变化规律如图 3-5 所示。由图可以看出，采用 0.2C 放电速率时，电压下降到 1.2V 时，镍氢电池已放出标称容量的 90%以上。采用大电流（放电速率为 3C）放电时，电池电压降到 1.2V

时，放出的容量还不到标称容量的20%。

应当说明，镍氢电池的自放电率很小，在常温下，镍氢电池充足电后，放置 28 天，电池容量仍能保持在标称容量的 75%～80%之间。

镍氢电池快速充电特性如图 3-6 所示。充足电后，电池电压开始下降，电池的温度和内部压力迅速上升。为了保证电池充足电又不过充，可以采用定时控制、电压控制和温度控制等多种方法。

充电控制器设计

为了保证在任何情况下，均能准确可靠地控制电池的充电状态，结合自身的特点，选用 BQ2002F 来构成对负电压增长率和最长充电时间同时检测的控制器。BQ2002F 快速充电集成电路是一种廉价的 CMOS 镍氢/镍镉充电控制器，电池充足电后，能够可靠地终止充电。采用可控的限流或恒流源，BQ2002F 不仅可以制作质优价廉的独立充电器，也能够制作机内充电器。该芯片可实现单只或多只镍氢/镍镉电池快速充电。为了保证充足电，快速充电结束后，还可增加补足充电过程。充足电后，为了补充因电池自放电而损失的电量，充电器将自动转入涓流充电过程。涓流充电速率可根据电池自放电的程度来选择。

接入充电电源或者更换电池后，快速充电过程开始。为了保证安全充电，当电池的电压和充电时间到达一定的极限值，快速充电过程即结束。快速充电结束后，自动转入可选择的补足充电和涓流充电，涓流充电的速率可以预先设定，利用 INH 脚可以封锁快速充电。为了减小功耗，充电器在备用工作状态下，BQ2002F 工作于低功耗状态。

BQ2002F 构成的充电控制器的电路原理图如图 3-7 所示。

充电站充电控制器的功能如下：

(1)定时控制 BQ2002F 内部有个定时器，可通过 TM 端外接不同电平实现三种定时时间，三种状态的充电特性如表 3-1 所示。

充电站中将 TM 端接分压电阻来选择第一种模式。

(2)电池电压检测 BQ2002F 的 BAT 端是电池电压检测端（电池电压是否超过允许最大值及检测 ∆− ）。在多个电池充电时，BAT 检测的为 R1、R2 组成的分压器的输出。R1、R2 与充电电池数 N 之间的关系为 R1/R2=N-1 。另外，由 R1、R2 组成的分压器的总阻值必须大于 200kΩ。由于所用的电池数为 10，选 R2 为 51K，则 R1=51K×9=459K，取标称值 R1 为 470K。

BQ2002F 的 CC 端为充电控制端。充电电流由三端可调稳压器 LM317T 组成恒流源提供 I=VREF/R=1.25V/0.625 Ω=2A，采用 4 个 5.2Ω 电阻并联来实现。受 CC 端控制，它内部有一个开关管，当开关管截止时，CC 端呈高阻抗，LM317T 通过 R4~R7、D1 向电池充电；当开关管导通时，LM317T 通过R4~R7、R5 及开关管形成回路，D1 的正极电压很低，停止充电。

BQ2002F 的 5V 电源由DCV 经限流电阻 R7、Q2 及稳压二极管 D2 稳压后提供，DCV 的值由电池数 N 决定， VDC≥18.5V ，取VDC 为19V~22V 的脉动电压。LED 为快充指示灯（绿色），当充电进入慢充或涓流时该灯并不显示，因此在使用时当灯熄灭后应适当再延长充电时间，以便电池得以充足电。

(3)温度检测由于电池是装在机器人内部的，在充电的时候并不与充电站之间有直接的热传递，因而在充电站内部的温度检测就没有意义了，这里将 TS 直接接高电平，不使用 BQ2002F 的温度检测控制功能。

6. 供电电源

充电站和其它家电一样通过 220V 交流电来工作的，而系统中元器件是工作在直流电压下的，这就需要能提供系统工作所需参数的直流电源。

根据上一节中充电控制器的设计可以得知，电池所需充电电压要求大于18.5V，且是使用恒流源来实现充电的，电压则是可以在一定范围内波动的。这就可以省略一般仪器中使用的稳压电源，从而简化了电源的设计。这里设计了供电范围在 19V～22V 之间的充电电源，电路如图 3-8 所示。

7. 红外发射和接收电路的设计

红外发射电路的设计

红外发射电路主要由红外发光二极管、调制电路和驱动电路组成，其功能是将存储在单片机中的对应按键的指令码通过发射电路传送给接收电路。

红外发光二极管的选择红外发光二极管是只有一个 PN 结的半导体器件，它与普通二极管结构原理和制作工艺基本相同，只是所用材料不同。制作红外线发光二极管的材料一般为砷化镓(Ga As)、砷铝化镓(Ga Al As)等，制作好后采用全透明或浅蓝色、黑色的树脂封装。

红外二极管的最大辐射强度一般在光轴的正前方，并随辐射方向与光轴夹角的增加而减小。在此选用圆形封装的发光管，其视角小，发射距离远。为增加发光强度，可以放置多个红外发光二极管。

根据需要选用了台湾慧创就公司生产的两款红外发光二极管，其特性参数如表 3-2 所示。二者的区别在于光功率和半功率张角大小，在使用时由于对F1B 和 F2B 发光范围不同要求就在这点区别来实现。其中， F1B 选用IE0520HP，F2B 选用 IE15KA。

红外调制及驱动电路设计从各种遥控编码电路或者单片机直接输出的编码信号，一般频率低，不便直接发射，并且抗干扰能力差。针对编码信号的这些特点，一般是将编码信号“装”到频率较高的载频信号上，这个“装”的过程称为二次编码也称调制。在调制电路中，载波信号的频率要远大于编码信号的频率，一般为几倍到几十倍。现在载波频率通常采用 38KHz～40KHz。采用这种方式的另一个好处就是提高了红外遥控系统的抗干扰性能。由于发射管发出的是脉动红外光，且具有特定的变化频率，而日光、灯光等光线都没有这些特性，因此通过接收电路可以使它们和红外光分离，滤掉有干扰作用的杂光，这样就保证了红外遥控系统在日光或者灯光下能可靠工作。调制过程的波形信号如图 3-9 所示。

在这里由于选用的 SNC500 单片机是带有 38.5KHz 载波输出功能，这就省去了一般红外发射电路中的红外载波振荡器电路，驱动电路如图 3-10 所示。

图 3-10 中 LED1～LED4 输出的 F1B 和召回信号，LED5 只输出 F2B 信号。将F1B 与 F2B 的发射电路分开的目的在于，二者由于功能的不同而要求不同的发射范围。如果使用同一发射电路，后面的处理就变得异常艰难，这里就使用不同的发射电路，从而便于后面光学装换电路的不同处理。

光学转换红外线在空中传播时会不断衰减，这将影响到红外信号的作用范围。当红外光从红外发光二极管输出时，入射到光敏器件表面的辐射入射量 E (r)反比于两者距离的平方，即：

随着距离的增加，红外辐射急剧下降。根据式 5-1，辐射入射量 E(r)在r=d 处为 E(r)，而在 2d 处，E(r) =1/4E(d)。为了提高辐射入射量，得到更长的传输距离，把光学透镜置于红外发射二极管前，如图 3-11 a)所示。当把红外发光二极管放在透镜焦点上时，将改变发射角度，使距离为 r 处的辐射入射量E(r)接近等于距离为 d 处的入射量 E(r) ，这样可以使传输距离显著增加。

传输距离的增加是以缩小覆盖范围为代价的，而在本系统中对红外信号的距离和散射角度都是有要求的，这里就使用凹透镜来扩大散射角度，如图 3-11 b)所示。

充电站上 F1B 的 4 个发射管分别做以上的两种处理，这样既可以增大传输距离也可以扩大散射角度。F2B 的发射管则是装在一个内部涂黑的管子里，使其传输距离和散射角度均减小，以提高对接精度。充电站发射管的外观图如 3-12 所示。

其中上两个透镜为凸透镜、下两个透镜为凹透镜，均 F1B 和召回信号的输出。下面的孔为F2B 的输出口。

红外接收电路

红外接收电路的作用就是将红外通讯信号接收过来，通过放大、限幅和滤波，解调为原始信号后再发送给单片机进行处理。

以往的接收电路都是由红外接收二极管与放大电路组成，而放大电路通常又是由一个叫 CX20106A 或者 KA2184 的集成块及若干电阻电容等组件组成。这样的接收电路联机焊接点较多，使用不够方便。机器人采用了一种用于红外遥控接收的小型一体化接收头 PIC1018SCL，它将红外接收管与放大电路集成为一体，这样做的优点是它体积小(大小与一只中功率三极管相当)，密封性好，灵敏度高，抗干扰性好并且价格低廉(市场售价只有四元钱左右)，可以说是接收红外信号的一种理想装置。

PIC1018SCL 仅有三个管脚，分别是电源正极、电源负极以及信号输出端，其工作电压在 2.4～6.5V 之间，只要给它接上电源即是一个完整的红外接收放大器，使用十分方便。它的主要功能包括放大、选频、解调几个部分，需要注意输入信号必须是已经被调制过的信号，而输出则是经过 SFH506-38 接收放大和解调后的原始信号，且红外接收头的输出有反向作用，即发射代码和接收代码是反向的，输出电平则兼容 TTL，CMOS。

PIC1018SCL 的输出信号接到单片机 I/O 脚上，以完成对红外编码信号的译码工作，要特别注意的是它的输出是反向的。

8. 专用遥控器

一般的设备上均有面板，其上有按键、旋钮等用来设定设备的工作状态或功能，家庭清扫机器人的充电站也不例外。它所使用的红外通讯协议与充电站是相同的，因而整个单片机主体系统是相同的；根据遥控器的特点，发射电路只采用简单的单管电路，键盘部分电路如图 3-13 所示。

整个充电站的发射控制是相同，异处在于遥控器中除了具有前进、后退、左转、右转、召回功能以外，为了方便调试还加入了 F1B、F2B，同样使用两组发射管，考虑到遥控器的体积和两组发射管都是采用单管的形式。采用 3 节碱性电池共 4.5V 来供给遥控器使用。

在按键的处理上，使用列扫描的方式来实现键值的读取。在无操作时 P1口为高电平，P20、P21 以交替的低电平进行扫描，这时其对应列线在有键按下时，相应的行线就为低电平，从而捕捉到按键值。