CN106374899A - 面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法 - Google Patents

面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法，包括供电单元，所述供电单元与按键单元相连，所述按键单元分别连接至第一开关单元、第二开关单元及按键检测单元，所述第二开关单元还与第三开关单元相连，所述按键检测单元及第三开关单元均连接至控制单元；本发明能够实现服务机器人系统对非自锁式开关电路抗干扰性、可靠性的要求。

Description

面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法
技术领域
本发明涉及家庭服务机器人高可靠，高安全性开关电路技术领域，具体涉及面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法。
背景技术
基于三极管和MOS管的开关电路应用广泛，但对于复杂的嵌入式控制系统来说，系统稳定可靠的开关机则至关重要。针对服务机器人系统对非自锁式开关电路抗干扰性、可靠性的要求，实验中基于三极管和MOS管的硬件开关电路存在不足，容易受外界干扰譬如触摸，影响开关状态，当系统产生复位操作时，整个系统就会掉电。
现有的硬件开关电路只负责系统的上下电，没有任何的冗余空间，适合于较小的微处理系统。然而面向用户的服务机器人采用非自锁式开关的条件下，考虑到用户体验及系统复位的情况，传统硬件开关电路并不满足机器人系统稳定开关、可靠运行的要求，为此针对服务机器人的具体要求，将三极管与MOS管相结合改进并设计了此开关电路。
发明内容
为解决现有技术存在的不足，本发明公开了面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路及其控制方法，本发明的目的在于：该开关电路通过开关按键的信号获取，能够实现防止外界干扰，防止系统的复位掉电，保证了系统稳定可靠的开关机。
为实现上述目的，本发明的具体方案如下：
面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，包括供电单元，所述供电单元与按键单元及第一开关单元相连，所述按键单元分别连接至第二开关单元及按键检测单元，所述第二开关单元还与第三开关单元相连，所述按键检测单元及第三开关单元均连接至控制单元；
所述按键单元用于实现机器人的开关机操作动作并将该动作产生的信息传输至按键检测单元，所述按键检测单元实现对按键单元动作的检测并将检测信息传输至控制单元，所述控制单元根据接收的检测信息判断按键单元的动作信息并根据该动作信息控制第三开关单元中开关管的工作状态，同时，按键单元将该动作产生的信息传输至第一开关单元、第二开关单元，所述第一开关单元及第二开关单元根据接收的信息改变开关管的工作状态。
进一步的，所述按键检测单元包括与按键单元的一端相连的电阻R16，R21，R17以及电容C11，所述电容C11通过电阻R17连接至控制单元，所述电阻R16与电容C11串联后与电阻R21并联；电容C11接地，按键单元按键按下后，电池单元对电容C11进行充电，电阻R17的输出端GJJC端为高电平，高电平信息传输至控制单元。
进一步的，所述第一开关单元包括MOS管，所述MOS管并联有电容C6及电阻R4，所述第一开关单元与第二开关单元相连。
进一步的，所述第二开关单元包括三极管Q5，所述三极管Q5的基极分别连接有电阻R18及电阻R15，所述电阻R15通过单向导通的二极管连接至按键单元，电阻R18接地。
进一步的，所述第三开关单元包括三极管Q4，所述三极管Q4的基极通过电阻R10连接至控制单元，所述三极管Q4的基极通过电阻R12接地，所述三极管Q4的集电极分别连接至电阻R6及电阻R8，所述电阻R8及电阻R58串联后连接至第二开关单元的三极管Q5的基极。
进一步的，所述第一开关单元的MOS管还通过电阻与发光二极管相连。
进一步的，所述供电单元包括电池及与之并联的电容。
进一步的，所述供电单元与按键单元之间还串联有保护单元，所述保护单元为保险丝及与之串联的电阻。
进一步的，所述按键单元为非自锁式按键。
面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路的控制方法，包括开机控制步骤及关机控制步骤；
所述开机控制步骤：按键单元中的按键按下开机后，控制单元会检测按键单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，控制单元判断为机器人开机状态，控制单元将第三开关单元的输入端置低位，第三开关单元截止，按键松开，第一开关单元及第二开关单元持续处于饱和导通状态，机器人开机过程结束；
所述关机控制步骤：开机情况下，控制单元通过检测按键单元的输出端GJJC端的电平状态，当为低电平时，进入关机检测，按键按下，控制单元通过按键检测单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，指示灯灭，按键松开，控制单元将第三开关单元的输入端KG_C置高电平，第三开关单元处于饱和导通状态，第一开关单元及第二开关单元处于截止状态，机器人关机过程结束。
进一步的，上述一种面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路的控制方法中还包括防复位掉电的操作步骤，具体为：当机器人系统复位时，此时并没有开关按键按下，控制单元重新上电运行并初始化，初始化IO端口KG_C输出为低电平，第三开关单元的三极管Q4基极为低电平，三极管Q4处于截止状态，此时稳压输出电源VCC3V3通过电阻R6、电阻R8、电阻R18分压，为三极管Q5基极提供开启电压，使得原先已经保持导通的三极管Q5继续保持导通。
本发明的有益效果：
本发明能够实现服务机器人系统对非自锁式开关电路抗干扰性、可靠性的要求，该开关电路具有防触摸干扰和防复位掉电的优势，电路中电阻R18尤为重要，它起到固定三极管Q5基极电平的作用，若没有电阻R18，三极管基极电平会不稳定，容易受干扰而导致开关机不稳定。
本发明在系统运行过程中，因程序跑飞而导致的复位操作时，该开关电路中三极管Q4的作用能够防止系统因程序跑飞复位而掉电。当系统复位时(此时并没有开关按键按下)，原先已经保持导通的三极管Q5继续保持导通，不会因为复位而导致三极管Q5截止进而使得系统供电通路中断关机。
附图说明
图1本发明的具体开关电路示意图；
图2本发明的具体开关电路工作流程示意图。
具体实施方式：
下面结合附图对本发明进行详细说明：
本发明的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，包括供电单元，供电单元与按键单元以及第一开关单元相连，所述按键单元分别连接至第一开关单元、第二开关单元及按键检测单元，所述第二开关单元还与第三开关单元相连，所述按键检测单元及第三开关单元均连接至控制单元；
按键单元用于实现机器人的开关机操作动作并将该动作产生的信息传输至按键检测单元，所述按键检测单元实现对按键单元的动作的检测并将检测信息传输至控制单元，所述控制单元根据接收的检测信息判断按键单元的动作信息并根据该动作信息控制第三开关单元中开关管的工作状态，同时，按键单元该动作产生的信息传输至第一开关单元、第二开关单元，所述第一开关单元及第二开关单元根据接收的信息改变开关管的工作状态。
所述按键检测单元包括与按键单元的一端相连的电阻R16，R21，R17以及电容C11，所述电容C11通过电阻R17连接至控制单元，所述电阻R16与电容C11串联后与电阻R21并联，电容C11接地，按键单元按键按下后，电池单元对电容C11进行充电，电阻R17的输出端GJJC端为高电平，高电平信息传输至控制单元。
第一开关单元包括MOS管，所述MOS管并联有电容C6及电阻R4，所述第一开关单元与第二开关单元相连。
第二开关单元包括三极管Q5，所述三极管Q5的基极分别连接有电阻R18及电阻R15，所述电阻R15通过单向导通的二极管连接至按键单元，电阻R18接地。
第三开关单元包括三极管Q4，所述三极管Q4的基极通过电阻R10连接至控制单元，所述三极管Q4的基极通过电阻R12接地，所述三极管Q4的集电极分别连接至电阻R6及电阻R8，所述电阻R8及电阻R58串联后连接至第二开关单元的三极管Q5的基极。
第一开关单元的MOS管还通过电阻与发光二极管相连。
供电单元包括电池及与之并联的电容。
供电单元与按键单元之间还串联有保护单元，所述保护单元为保险丝及与之串联的电阻。
按键单元为非自锁式按键。
如图1所示，本发明在具体实施时，上述开关电路的器件在选择时，具体为：电阻R2阻值为5.1K欧；电阻R3阻值为20K欧；R4、R6、R8、R9、R10、R12、R15、R21阻值为10K欧；R16阻值为100K欧；R18阻值为4.7K欧；R17、R58阻值为0欧；S1为非自锁式按键；Q4、Q5为NPN三极管；Q2为P沟道MOS管；电容C6为1uf；电容C11为10uf。
电容C1，C2起到对电源滤波的作用；保险丝F2对系统供电起到限流保护的作用；电阻R3和R21对电源电压进行分压，使得开关按键端的电压不要过高；电阻R16与电容C11串联组成RC充电电路，按键按下时，对电容C11进行充电，用于控制器对GJJC端的电平检测；单向导通二极管D5起到前后级电路的隔离作用；电阻R15起到限流的作用，可以限制三极管Q5的基极电流；三极管Q5和MOS管Q2起到开关的作用，开机时，三极管Q5基极电压达到开启电压，Q5导通，电源与电阻R4和R9，和导通的Q5串联组成通路，电阻R4接在MOS管栅极和源极的两端，R4两端分压得到的电压使得MOS管导通，进而实现后续供电电路开通，电阻R18的作用是固定电平，防止三极管Q5基极悬空电平不确定导致Q5误导通；三极管Q4及基极电阻R10，固定电平R12，集电极电阻R6组合实现当开机后按键松开，KG_C置低电平，使得Q4截止由后续稳压电源VCC3V3代替按键的按下来使Q5，Q2持续导通；限流电阻R2与发光二极管DS1组成回路，作为系统开机导通的标志。
电路中三极管是工作在开关状态，所以三极管Q5，Q4可以用MOS管来代替实现导通与截止。
如图2所示，一种面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路的控制方法，包括开机控制步骤及关机控制步骤；
所述开机控制步骤：按键单元中的按键按下开机后，控制单元通过按键检测单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，控制单元判断为机器人开机状态，控制单元将第三开关单元的输入端置低位，第三开关单元截止，按键松开，第一开关单元及第二开关单元持续处于饱和导通状态，机器人开机过程结束；
所述关机控制步骤：控制单元通过按键检测单元的输出端GJJC端的电平状态，当为低电平时，进入关机检测，按键按下，控制单元通过按键检测单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，指示灯灭，按键松开，控制单元将第三开关单元的输入端置低高位，第三开关单元处于饱和导通状态，第一开关单元及第二开关单元处于截止状态，机器人关机过程结束。
本发明详细的工作过程具体为：
当非自锁开关按键按下开机时，三极管的基极通过电阻R3和R21分压，达到饱和导通状态，三极管的集电极为低电平，此时场效应管的栅极通过R9连接到三极管Q5的集电极，而三极管Q5处于饱和导通状态，所以场效应管Q2的栅极为低电平，栅极与源极压差达到期望的负电压，场效应管导通。此时电池对后续的系统各个模块的供电打通，核心处理器STM32F103上电运行，进入开机检测的判断程序，按键按下后，电池通过电阻R16对电容C11进行充电，GJJC端很快达到高电平，开机检测程序中检测到GJJC端为高电平，判断系统正式开机，处理器控制IO端KG_C为低电平，三极管Q4基极为低电平，三极管Q4截止，按键通过电量指示灯点亮提示可松开，此后，VCC3V3电源通过电阻R6，R8，R18分压，使得三极管持续处于饱和导通状态，系统的整个开机过程结束。
当非自锁开关按键按下关机时，首先经过核心处理器中的关机检测程序，按键按下后，电池对电容C11进行充电，GJJC端为高电平，处理器检测到GJJC端为高电平后，控制电量指示灯灭，按键松开。同时控制IO端口KG_C输出高电平，三极管Q4基极通过电阻R10上拉为高电平，处于饱和导通状态，三极管Q4的集电极为低电平，三极管Q5的基极通过电阻R8和R58拉为低电平，基极与发射极电压差为0，三极管Q5处于截止状态。场效应管的栅极和源极均为高电平，栅源电压为0，场效应管截止，电源对整个系统后续电路供电通路中断，系统关机。
对于非自锁式按键的开关机是相对而言的，非自锁按键负责开机和关机。首先在系统不上电的情况下，非自锁式按键按下属于开机，开机情况下，处理器上电并执行主程序，首先进入开机检测程序，开机检测通过读取处理器引脚状态即GJJC电平状态为高电平确定开机后，进入按键松开检测，确保开机时按下与关机按下有效的分离开，待按键松开后，系统程序跳出松开检测循环，接着进入关机检测程序循环，在此情况下系统已经上电，当按键按下时，就属于关机的情况，同样关机检测通过读取处理器引脚状态即GJJC电平状态为高电平判断为关机信号，系统关机，从而一个非自锁按键与处理器软件判断相结合达到开关机的目的。
该开关电路具有防触摸干扰和防复位掉电的优势，电路中电阻R18尤为重要，它起到固定三极管Q5基极电平的作用，若没有电阻R18，三极管基极电平会不稳定，容易受干扰而导致开关机不稳定。
在系统运行过程中，因程序跑飞而导致的复位操作时，该开关电路中三极管Q4的作用能够防止系统因程序跑飞复位而掉电。当系统复位时(此时并没有开关按键按下)，处理器重新上电运行并初始化，初始化IO端口KG_C输出为低电平，三极管Q4基极为低电平，三极管处于截止状态，此时稳压所输出的VCC3V3通过电阻R6、R8、R18分压为三极管Q5基极提供开启电压约0.7V，使得原先已经保持导通的三极管Q5继续保持导通，不会因为复位而导致三极管Q5截止进而使得系统供电通路中断关机。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，包括供电单元，所述供电单元与按键单元以及第一开关单元相连，所述按键单元分别连接至第二开关单元及按键检测单元，所述第二开关单元还与第三开关单元相连，所述按键检测单元及第三开关单元均连接至控制单元；
所述按键单元用于实现机器人的开关机操作动作并将该动作产生的信息传输至按键检测单元，所述按键检测单元实现对按键单元动作的检测并将检测信息传输至控制单元，所述控制单元根据接收的检测信息判断按键单元的动作信息并根据该动作信息控制第三开关单元中开关管的工作状态，同时，按键单元将该动作产生的信息传输至第一开关单元、第二开关单元，所述第一开关单元及第二开关单元根据接收的信息改变开关管的工作状态。
2.如权利要求1所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述按键检测单元包括与按键单元的一端相连的电阻R16，R21，R17以及电容C11，所述电容C11通过电阻R17连接至控制单元，所述电阻R16与电容C11串联后与电阻R21并联，电容C11接地，按键单元按键按下后，电池单元对电容C11进行充电，电阻R17的输出端GJJC端为高电平，高电平信息传输至控制单元。
3.如权利要求1所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述第一开关单元包括MOS管，所述MOS管并联有电容C6及电阻R4，所述第一开关单元与第二开关单元相连。
4.如权利要求1或3所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述第二开关单元包括三极管Q5，所述三极管Q5的基极分别连接有电阻R18及电阻R15，所述电阻R15通过单向导通的二极管连接至按键单元，电阻R18接地。
5.如权利要求4所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述第三开关单元包括三极管Q4，所述三极管Q4的基极通过电阻R10连接至控制单元，所述三极管Q4的基极通过电阻R12接地，所述三极管Q4的集电极分别连接至电阻R6及电阻R8，所述电阻R8及电阻R58串联后连接至第二开关单元的三极管Q5的基极。
6.如权利要求3所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述第一开关单元的MOS管还通过电阻与发光二极管相连。
7.如权利要求1所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述供电单元包括电池及与之并联的电容。
8.如权利要求1或7所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路，其特征是，所述供电单元与按键单元之间还串联有保护单元，所述保护单元为保险丝及与之串联的电阻。
9.面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路的控制方法，其特征是，包括开机控制步骤及关机控制步骤；
所述开机控制步骤：按键单元中的按键按下开机后，控制单元会检测按键单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，控制单元判断为机器人开机状态，控制单元将第三开关单元的输入端置低位，第三开关单元截止，按键松开，第一开关单元及第二开关单元持续处于饱和导通状态，机器人开机过程结束；
所述关机控制步骤：开机情况下，控制单元通过检测按键单元的输出端GJJC端的电平状态，当为低电平时，进入关机检测，按键按下，控制单元通过按键检测单元的输出端GJJC端的电平状态，当为高电平时，指示灯灭，按键松开，控制单元将第三开关单元的输入端KG_C置高电平，第三开关单元处于饱和导通状态，第一开关单元及第二开关单元处于截止状态，机器人关机过程结束。
10.如权利要求9所述的面向家庭服务机器人的防误开关机开关电路的控制方法，其特征是，还包括防复位掉电的操作步骤，具体为：当机器人系统复位时，此时并没有开关按键按下，控制单元重新上电运行并初始化，初始化IO端口KG_C输出为低电平，第三开关单元的三极管Q4基极为低电平，三极管Q4处于截止状态，此时稳压输出电源VCC3V3通过电阻R6、电阻R8、电阻R18分压，为三极管Q5基极提供开启电压，使得原先已经保持导通的三极管Q5继续保持导通。
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