基于STC15的智能清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)

唐琳　何世超

摘 要：針對(duì)目前繁瑣的家庭日常清潔問題，提出了以STC15F2K60S2單片機(jī)為核心控制器，輔以電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊設(shè)計(jì)，研究設(shè)計(jì)一臺(tái)智能地面清潔機(jī)器人。完成并經(jīng)測(cè)試后，樣機(jī)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別工作環(huán)境，自動(dòng)清掃紙屑和灰塵等功能，達(dá)到智能清掃機(jī)器人設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：智能清潔；掃地機(jī)器人

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和社會(huì)發(fā)展，特別是受生活節(jié)奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務(wù)中解脫出來(lái)。伴著越來(lái)越多智能家電如雨后春筍般地涌現(xiàn)，智能地面清潔機(jī)器人也逐漸進(jìn)入我們的家庭，構(gòu)建智能化生活。

智能地面清潔機(jī)器人是一款能對(duì)較為平整的地面進(jìn)行清潔的機(jī)器人，具有自動(dòng)識(shí)別工作環(huán)境、自行清掃、吸塵及拖地等功能。本文主要從電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊等方面，來(lái)闡述智能清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 總體設(shè)計(jì)

智能地面清潔機(jī)器人是一款將掃地、洗塵、拖地集于一體的多功能型智能清潔機(jī)器人，它不僅僅只是將人們從繁瑣的家庭日常清潔工作中解放出來(lái)，更是我們構(gòu)建智能家居生活的重要組成部分。該機(jī)器人具有自動(dòng)避開障礙物、實(shí)時(shí)顯示使用電量、擁有多途徑多方式的打掃方式、自我保護(hù)、智能防撞防跌落等功能。比如當(dāng)我們選擇采用刷掃方式時(shí)，智能清潔機(jī)器人可自行將地面上的所有雜物吸納進(jìn)入其所攜帶的垃圾收納盒，從而完成地面清潔工作。

智能清潔機(jī)器人的外形是采用扁平式的圓柱形，這樣的設(shè)計(jì)可以大大提高它的工作環(huán)境適應(yīng)性，避免在工作中出現(xiàn)被卡死、被架空等現(xiàn)象。它的內(nèi)部則由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制模塊、傳感器模塊以及清掃模塊構(gòu)成，其總體設(shè)計(jì)原理如圖1所示。

由圖1可知，STC15F2K60S2單片機(jī)作為智能清潔機(jī)器人的核心處理器，它通過(guò)傳感器模塊來(lái)識(shí)別工作環(huán)境，收集和處理傳感器返回的數(shù)據(jù)，進(jìn)而控制各電機(jī)的運(yùn)行來(lái)實(shí)現(xiàn)全方位無(wú)死角清掃和實(shí)現(xiàn)主動(dòng)避障及防跌落等功能。為了更好地了解智能清潔機(jī)器人的工作原理，將對(duì)其構(gòu)成的主要模塊做以下分析和介紹。

1.1 電源模塊

各個(gè)模塊所需要的電壓大小各不相同，同時(shí)考慮到實(shí)用性，本設(shè)計(jì)中將選用可充電18650鋰電池作為提供電壓給各個(gè)模塊的總電源。由于各個(gè)模塊的穩(wěn)定電壓有所不同，故利用LM2940-5和LM2575或LM2596-5對(duì)總電源進(jìn)行穩(wěn)壓處理后才分別給各模塊供電。具體的供電方式有以下三種：

①采用穩(wěn)壓芯片LM2940進(jìn)行穩(wěn)壓，使其輸出5V電壓，給主控模塊供電。

②采用穩(wěn)壓芯片LM2575或LM2596-5進(jìn)行穩(wěn)壓，使其輸出5V電壓，給傳感器模塊供電。

③采用開關(guān)型穩(wěn)壓芯片LM2596進(jìn)行穩(wěn)壓，以可調(diào)輸出電壓方式使其輸出7.2V電壓，給驅(qū)動(dòng)模塊供電。

1.2 驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由半橋驅(qū)動(dòng)芯片IR2104S和MOS管IR7843共同搭建設(shè)計(jì)而成，為直流減速電機(jī)提供驅(qū)動(dòng)動(dòng)力。主控模塊可以通過(guò)PWM調(diào)節(jié)占空比的方式來(lái)控制直流減速電機(jī)，達(dá)到控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的目的。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

1.3 傳感器模塊

傳感器部分包括兩個(gè)模塊：紅外傳感器模塊和超聲波模塊。這個(gè)兩個(gè)模塊的主要作用是采集機(jī)器人周圍環(huán)境的數(shù)據(jù)信息，并將此信息傳至STC15F2K60S2單片機(jī)進(jìn)行處理，從而發(fā)出相應(yīng)控制指令，用以控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、加速減速以及啟動(dòng)停止。

超聲波模塊的主要作用是識(shí)別前端障礙物和計(jì)算距離，實(shí)現(xiàn)避障功能。即當(dāng)前進(jìn)方向有障礙物阻擋，超聲波模塊向主控模塊發(fā)送信號(hào)，主控模塊根據(jù)收到的數(shù)據(jù)覺得采用哪種處理方式。而紅外線模塊的作用則是用于識(shí)別機(jī)身兩側(cè)障礙物和識(shí)別機(jī)身前端的底盤下方懸崖。當(dāng)智能清潔機(jī)器人在工作中行至至懸崖或處于懸空狀態(tài)時(shí)，紅外線模塊將采集到相應(yīng)的數(shù)據(jù)，反饋給主控模塊進(jìn)行險(xiǎn)情處理。

2 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)電源模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、傳感器模塊等功能模塊的分析與研究，實(shí)現(xiàn)了各功能模塊的設(shè)計(jì)要求，完成了智能清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)。這個(gè)設(shè)計(jì)可以使得機(jī)器人按照我們?cè)O(shè)定的處理方式進(jìn)行智能清掃工作，工作過(guò)程中可以自動(dòng)感知和自主避開障礙物，自動(dòng)完成清除雜物、吸塵、拖地等功能，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉平.STC15單片機(jī)實(shí)戰(zhàn)指南（C語(yǔ)言版）.北京：清華大學(xué)出版社，2016.

[2] 張志勇.現(xiàn)代傳感器原理及應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2014.1

[3] 余伶俐.導(dǎo)航機(jī)器人傳感器融合、異常診斷及任務(wù)規(guī)劃方法.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[4] 郭彤穎，張輝.機(jī)器人傳感器及其信息融合技術(shù).北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2017.