基于單片機(jī)智能清掃車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊　科，劉　平，王志輝

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

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基于單片機(jī)智能清掃車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊科，劉平，王志輝

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

摘要：設(shè)計(jì)了一臺(tái)集拖地、掃地、吸塵、灑水于一體的室內(nèi)清掃器。重點(diǎn)闡述了它的機(jī)械結(jié)構(gòu)、硬件電路以及軟件結(jié)構(gòu)。該機(jī)器具有拖地、掃地、吸塵和灑水功能，同時(shí)也具有自動(dòng)避障和自動(dòng)尋找垃圾的功能等，能夠在家庭、辦公室等室內(nèi)場(chǎng)所完成自動(dòng)清掃功能。

關(guān)鍵詞:單片機(jī)智能清掃器控制

0引言

隨著科技的進(jìn)步和智能家居的發(fā)展，對(duì)生活質(zhì)量要求越來(lái)越高，迫切希望從日常繁雜事物中解放出來(lái)。智能清掃器應(yīng)運(yùn)而生，給人們的生活帶來(lái)許多便利。使人們從日常家居清潔工作中解放出來(lái)。

智能清掃器是從國(guó)外發(fā)展起來(lái)的。國(guó)內(nèi)還處于初級(jí)階段，大多數(shù)只具備吸塵功能。少部分機(jī)器能夠?qū)崿F(xiàn)吸塵、拖地、掃地。同時(shí)，智能清掃機(jī)器人也面臨著許多問(wèn)題[1-3]。為了使吸塵器也融入到智能家居中，本文設(shè)計(jì)一臺(tái)能夠集吸塵、拖地、掃地、灑水等一體的清掃車。

1機(jī)械結(jié)構(gòu)

為了滿足機(jī)器人的性能要求，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)該具有穩(wěn)定性，運(yùn)動(dòng)靈活性，足夠強(qiáng)度和清掃干凈等特點(diǎn)，同時(shí)為了滿足室內(nèi)環(huán)境的要求，機(jī)器人尺寸要小，噪音小，外觀好看。清掃機(jī)主要由底盤(pán)、車身、傳感器、垃圾清掃機(jī)構(gòu)和拖地灑水機(jī)構(gòu)組成。

整體外觀采用圓形結(jié)構(gòu)，外觀漂亮。底盤(pán)不會(huì)經(jīng)常與室內(nèi)家具相碰，采用ABS塑料，車身經(jīng)常會(huì)發(fā)生碰撞，采用鋁合金制作而成。這樣既減輕了重量，也使其有足夠的輕度。垃圾清掃機(jī)構(gòu)主要由垃圾收集箱，滾筒和吸塵裝置組成。采用吸和掃相結(jié)合的清掃方案可以保證能將地面上的大小垃圾都清理干凈。拖地灑水機(jī)構(gòu)由水箱，噴頭，拖把組成。可以有效的清除地面的污漬。

本設(shè)計(jì)采用三輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式，后兩輪是驅(qū)動(dòng)輪，前輪為轉(zhuǎn)向輪。后輪用一對(duì)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)，前輪用一個(gè)步進(jìn)電機(jī)控制其轉(zhuǎn)向。

本設(shè)計(jì)采用吸，掃，拖三合一的方式來(lái)完成清掃工作。清掃裝置通過(guò)兩個(gè)電機(jī)帶動(dòng)側(cè)刷，分別將它們安裝在小車外側(cè)，這樣將垃圾都集中到吸塵口附近，清理效率快。吸塵方式可能達(dá)不到理想的效果，加入滾刷，將一些大顆粒垃圾直接掃入垃圾箱中。對(duì)于地上有污漬的地方，采用吸和掃都無(wú)法清掃干凈，因此，采用濕滾筒將其污漬清理干凈。

2控制系統(tǒng)

2.1控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)是以單片機(jī)為核心，用傳感器、電機(jī)等輔助原件來(lái)完成清掃功能。通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來(lái)驅(qū)動(dòng)小車的行走，吸塵和拖地等功能；同時(shí)也控制水箱閥門(mén)的開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)灑水功能；通過(guò)超聲波發(fā)射和接收芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)避障；通過(guò)紅外線接收裝置實(shí)現(xiàn)垃圾尋找功能；當(dāng)水箱的水低于某一深度，能夠自動(dòng)報(bào)警。從而達(dá)到自身各個(gè)部件的協(xié)調(diào)[4]。整個(gè)控制系統(tǒng)的框架如圖1所示。

圖1　控制系統(tǒng)框架圖

2.2最小系統(tǒng)和I/O擴(kuò)展

AT89S51單片機(jī)是ATMEL公司推出的高檔型AT89S系列單片機(jī)中的增強(qiáng)型產(chǎn)品。片內(nèi)含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元。

單片機(jī)能夠正常工作必須具備最小系統(tǒng)的條件。它包括復(fù)位電路、晶振電路。本設(shè)計(jì)中有5個(gè)直流電機(jī)和一個(gè)步進(jìn)電機(jī)，同時(shí)還有其他一些原件，僅用單片機(jī)自身的接口不易實(shí)現(xiàn)所有功能。因此，采用2片74LS138芯片來(lái)擴(kuò)展足夠的接口。最小系統(tǒng)和單片機(jī)I/O擴(kuò)展如圖2所示。

圖2　最小系統(tǒng)和單片機(jī)I/O擴(kuò)展

2.3超聲波避障電路

由單片機(jī)P2.1口發(fā)出38 kBZ的高頻信號(hào)，通過(guò)反相器對(duì)信號(hào)的處理。作用是將單片機(jī)產(chǎn)生的超聲波信號(hào)，通過(guò)電路加倍反加載超聲波發(fā)射頭上。通過(guò)反向器串并聯(lián)相結(jié)合，加載在超聲波發(fā)射頭上的電壓信號(hào)可以大大提高，從而提高發(fā)射功率，達(dá)到提高測(cè)量距離的目的。能夠更好的實(shí)現(xiàn)避障功能。超聲波發(fā)射電路如圖3所示。

圖3　超聲波發(fā)射電路

圖4　超聲波接收電路

超聲波接收器接收的信號(hào)需要經(jīng)過(guò)處理，單片機(jī)才能夠使用。因此，選用芯片CX20106對(duì)超聲波識(shí)別的信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、檢測(cè)和比較等處理，最后得到的信號(hào)經(jīng)過(guò)輸出端送給單片機(jī)P2.2口。若得到的信號(hào)和單片機(jī)P2.1口發(fā)出信號(hào)相同，單片機(jī)P2.2口獲得一個(gè)下降沿信號(hào)，同時(shí)產(chǎn)生中斷，可以獲得從發(fā)射到接收信號(hào)產(chǎn)生的時(shí)間，從而獲得小車到障礙物之間的距離[5]。超聲波接收電路如圖4所示。

2.4自動(dòng)尋污電路

圖5　自動(dòng)尋污電路

自動(dòng)尋污主要是通過(guò)光電管的原理。當(dāng)外界有光反射回來(lái)，光電二極管導(dǎo)通，從而三極管導(dǎo)通，P2.0口產(chǎn)生低電平，表示沒(méi)有檢測(cè)到垃圾。當(dāng)沒(méi)有光返回，P2.0口產(chǎn)生高電平，表示檢測(cè)到垃圾[6]。自動(dòng)尋污電路電路圖如圖5所示。

2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)中有6個(gè)電機(jī)，它們的控制方法大致相同。主要講述拖地電機(jī)和灑水閥門(mén)電機(jī)控制電路[7]。電機(jī)的驅(qū)動(dòng)采用LN298芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖6所示。幾個(gè)發(fā)光二級(jí)管可以顯示小車狀態(tài)。

圖6　電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3軟件設(shè)計(jì)

圖7　整體結(jié)構(gòu)圖

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要使用C語(yǔ)言編程，然后通過(guò)Keil軟件進(jìn)行調(diào)試和編輯[8]。它的整體結(jié)構(gòu)包括兩種模式：自動(dòng)和手動(dòng)。其中手動(dòng)模式還包括清掃、拖地和灑水三種模式。自動(dòng)模式主要是通過(guò)程序一次性完成吸塵，掃地，拖地和灑水。系統(tǒng)的整體流程圖如圖7所示。

圖8　自動(dòng)清掃模式

自動(dòng)模式可以通過(guò)已編好的程序自動(dòng)判斷，實(shí)現(xiàn)吸、掃、拖、灑等功能。啟動(dòng)智能清掃器，通過(guò)自動(dòng)尋污模塊可以判斷小車下方是否有垃圾，然后再執(zhí)行掃地、吸塵、拖地等功能。直到小車下方垃圾被完全清理干凈之后，通過(guò)超聲波傳感器檢測(cè)前方障礙物，小車?yán)^續(xù)前行，同時(shí)判斷小車下方是否有垃圾。按照這個(gè)流程，一直循環(huán)直到完全清掃干凈整個(gè)房間。自動(dòng)清掃模式的流程圖如圖8所示。

4總結(jié)

本設(shè)計(jì)詳細(xì)闡述了智能清掃器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和以單片機(jī)為核心的控制系統(tǒng)。在原來(lái)吸塵器的基礎(chǔ)上加入了拖地和灑水等功能。使吸塵器更加智能化，能夠滿足我們的日常生活。在此系統(tǒng)的基礎(chǔ)上加入一些互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，能夠很好的使其成為智能家居中的一員。同時(shí)，也可以對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，用于公路、小區(qū)、公園等地，具有很現(xiàn)實(shí)的意義。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1) 除了具備常規(guī)吸塵器的功能以外，還具有拖地和灑水功能，能夠清掃一些地上的污漬。

2)在沒(méi)有垃圾的地方，能夠自動(dòng)控制吸塵電機(jī)，掃地電機(jī)的啟停，以免電機(jī)空轉(zhuǎn)浪費(fèi)資源，同時(shí)提高了小車的壽命。

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劉平(1990-)，男，湖北廣水人，現(xiàn)為武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院在讀研究生，專業(yè)為機(jī)械工程。

王志輝，男，遼寧臺(tái)安人，武漢理工大學(xué)教授，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)闄C(jī)械CAD/CAM、建材裝備及自動(dòng)化等。

中圖分類號(hào)：TP242.6

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1002-6886(2016)03-0039-03

作者簡(jiǎn)介：楊科(1990-)，男，湖北天門(mén)人，現(xiàn)為武漢理工大學(xué)機(jī)電學(xué)院在讀研究生，專業(yè)為機(jī)械工程。

收稿日期：2015-06-24

Design of an intelligent sweeper based on microcontroller

YANG Ke, LIU Ping, WANG Zhihui

Abstract:In this study, we designed an intelligent sweeper which combined functions of mopping, sweeping, vacuuming and water spraying. We elaborated its mechanical structure, hardware circuit and software structure. The sweeper also has automatic obstacle avoiding and garbage searching functions. It can complete automatic cleaning in homes, offices and other indoor places, thus having a wide range of application.

Keywords:microcontroller; intelligent sweeper; control