基于STC89c52電腦鼠的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

周杰

摘要： 采用 STC89c52作為電腦鼠的控制核心，紅外發(fā)射LED和紅外一體化接收頭HS0038構(gòu)成傳感器模塊完成迷宮路徑掃描，單片機(jī)控制左右334線AB相伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)電腦鼠，前進(jìn)一格，后退一格，左轉(zhuǎn)90°，右轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作，根據(jù)設(shè)置的迷宮出口坐標(biāo)，能夠完成對(duì)整個(gè)迷宮的搜索，并找到最佳行走路徑。

關(guān)鍵詞：STC89c52；傳感器；電機(jī)；迷宮

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2018）02-0138-03

1 概述

電腦鼠[1-2]是一種機(jī)電一體化裝置，是由單片機(jī)、傳感器、機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件組成的一種能在迷宮行走的小型機(jī)器人。本文設(shè)計(jì)和完成了一種基于STC89c52簡(jiǎn)易電腦鼠，電腦鼠可以在不同大小的迷宮[3][4]中自動(dòng)記憶和選擇路徑，完成前進(jìn)一格，后退一格，左轉(zhuǎn)90°，右轉(zhuǎn)90°的動(dòng)作，并可以采用相應(yīng)的算法，快速完成對(duì)整個(gè)迷宮路徑的搜索，進(jìn)而找到最佳的走出迷宮的路線。

2 硬件設(shè)計(jì)

電腦鼠是指由車體、輪子、和驅(qū)動(dòng)軟件構(gòu)成。車體是由STC89c52（相當(dāng)于人體的大腦部分）、傳感器模塊（完成迷宮障礙物的掃描）、電機(jī)模塊（完成相應(yīng)的機(jī)械動(dòng)作）和定時(shí)計(jì)數(shù)器模塊（完成電腦鼠的動(dòng)作修正），組成的一個(gè)綜合的系統(tǒng)。

電腦鼠的基本構(gòu)成如圖1所示：

2.1 電源模塊

STC89c52單片機(jī)的工作電壓為3.3v-5.5v，故可以采用電腦鼠采用單節(jié)鋰離子電池供電。

TP4054是一款完整的單節(jié)鋰離子電池充電器，TP4054可以適用于USB電源，如圖所示當(dāng)充電完成，輸入電壓USB電源被拿掉時(shí)，可以自動(dòng)進(jìn)入低電流狀態(tài)。CHNG漏極開(kāi)路狀態(tài)輸出，BAT充電電流輸出。

電腦鼠的電源模塊電路如圖2所示：

2.2 電機(jī)模塊

STC89c52的I/O口電流輸出能力有限，需要將單片機(jī)I/O口弱電流放大到足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電流。通過(guò)L9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)左右兩個(gè)334線AB相伺服電機(jī)，通過(guò)L9110驅(qū)動(dòng)芯片上IA、IB輸入的邏輯值的組合，可以控制AB相伺服電機(jī)停止，正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口是單片機(jī)的輸出口，Left motor1、Left motor2、Right motor1、Right motor2是左右兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路控制引腳，Left motor和Right motor 3腳是電機(jī)光電碼盤A相脈沖輸出，連接到單片機(jī)的定時(shí)/計(jì)數(shù)器外部計(jì)數(shù)引腳，通過(guò)脈沖計(jì)數(shù)，可以完成電腦鼠左轉(zhuǎn)90°，右轉(zhuǎn)90°等操作。

電腦鼠電機(jī)模塊電路如圖3所示：

2.3 傳感器組設(shè)計(jì)

電腦鼠設(shè)計(jì)有5組傳感器。這5組傳感器分別安裝于電腦鼠的右前、右、左、左前、前、5個(gè)不同的方向。采用74HC138譯碼器將單片機(jī)的3位二進(jìn)制編碼譯碼為8位控制線，采用分時(shí)檢測(cè)傳感器，使單片機(jī)能夠控制5組傳感器的工作。

傳感器電路由紅外發(fā)射LED和紅外一體化接收頭HS0038構(gòu)成，紅外LED由載波發(fā)生器產(chǎn)生的CLOCK信號(hào)驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生38KHz紅外調(diào)制光。RP1為可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)RP1來(lái)調(diào)節(jié)紅外LED發(fā)光強(qiáng)度，從而調(diào)整傳感器組檢測(cè)迷宮墻障礙物的距離。Sensor1用于控制該組傳感器是否工作，連接到3-8譯碼選擇電路。紅外調(diào)制光經(jīng)障礙物反射由HS0038紅外一體化接收頭接收，進(jìn)行放大濾波、解調(diào)等處理后輸出，單片機(jī)通過(guò)識(shí)別P2.5口的電平高低來(lái)判斷傳感器前面是否有障礙物。

單片機(jī)傳感器模塊電路如圖4所示：

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 構(gòu)建迷宮

按照IEEE要求，迷宮大小為16*16的單元格組成，單元格格大小為18*18cm，電腦鼠PCB底盤大小為迷宮格一半8*8cm左右，現(xiàn)在模擬現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境，將迷宮設(shè)置為8*8，單元格如圖5所示，起點(diǎn)坐標(biāo)為（1，1），終點(diǎn)坐標(biāo)為（8，8）。

3.2 電腦鼠軟件設(shè)計(jì)

電腦鼠是一個(gè)小型智能行走裝置，保證其可靠性取決于硬件和軟件設(shè)計(jì)，在電腦鼠的軟件設(shè)計(jì)可以分為兩個(gè)部分：走迷宮算法部分和底層驅(qū)動(dòng)部分。

3.2.1 搜索迷宮算法程序

假設(shè)我們將電腦鼠放在起點(diǎn)坐標(biāo)（1，1），按下啟動(dòng)鍵，然后根據(jù)設(shè)定的終點(diǎn)坐標(biāo)（8，8），通過(guò)到達(dá)終點(diǎn)服務(wù)程序找到終點(diǎn)，如果到達(dá)終點(diǎn)，蜂鳴器發(fā)出尖銳的報(bào)警聲，表明找到了終點(diǎn)坐標(biāo)。搜索迷宮算法的主流程圖如圖6所示。

在主程序運(yùn)行過(guò)程中，要調(diào)用中斷服務(wù)程序，即到達(dá)終點(diǎn)中斷服務(wù)程序如圖7所示，由于電腦鼠自身沒(méi)有思維能力，只能根據(jù)程序規(guī)則運(yùn)行，電腦鼠到達(dá)終點(diǎn)服務(wù)程序，就是根據(jù)設(shè)定的終點(diǎn)坐標(biāo)，采用一定的規(guī)則進(jìn)行迷宮的搜索。常用的搜索法則有：

1） 右手規(guī)則：當(dāng)電腦鼠走到迷宮的某一單元格時(shí)，電腦鼠的傳感器開(kāi)始工作，電腦鼠掃描迷宮格擋板信息，優(yōu)先檢測(cè)右方迷宮格是否可行，其次前方，最后才是左方。

2） 左手規(guī)則：左手法則與右手法則類似，當(dāng)電腦鼠走到迷宮的某一單元格時(shí)，電腦鼠的傳感器開(kāi)始工作，電腦鼠掃描迷宮格擋板信息，優(yōu)先檢測(cè)左方方迷宮格是否可行，其次前方，最后才是右方。

3） 中右規(guī)則：優(yōu)先檢測(cè)前方迷宮格是否可行，其次右方，最后才是左方。

4） 中左規(guī)則：優(yōu)先檢測(cè)前方迷宮格是否可行，其次左方，最后才是右方。

5） 向心法則[7]：是右手法則，左手法則，中右規(guī)則，中左規(guī)則的結(jié)合，盡可能的朝著距離終點(diǎn)最近的方向前進(jìn)。

本文采用向心手法則進(jìn)行迷宮搜索。如圖7所示：電腦鼠根據(jù)向心法則[7]掃描坐標(biāo)進(jìn)行前進(jìn)，當(dāng)?shù)竭_(dá)下一個(gè)迷宮格時(shí)，用當(dāng)前迷宮格的坐標(biāo)與終點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行比較，如果是終點(diǎn)，就發(fā)出報(bào)警聲，如果不是就繼續(xù)查找，判斷當(dāng)前坐標(biāo)是否走過(guò)，如果走過(guò)則返回上一個(gè)分叉路口，如果沒(méi)有走過(guò)則采用向心法則搜索路徑，直到找到終點(diǎn)坐標(biāo)為止[1][6]記錄下行走路徑，就找到了，迷宮的最短路徑。

3.2.2 底層驅(qū)動(dòng)程序

底層驅(qū)動(dòng)程序主要完成，電腦鼠的基本操作：左轉(zhuǎn)90°，右轉(zhuǎn)90°。當(dāng)電腦鼠需要轉(zhuǎn)彎時(shí)，停在當(dāng)前坐標(biāo)，做原地90°旋轉(zhuǎn)，然后前進(jìn)。如果是左轉(zhuǎn)，Left Motor反轉(zhuǎn)，Right Motor正轉(zhuǎn)。如果是右轉(zhuǎn)，Left Motor正轉(zhuǎn)，Right Motor反轉(zhuǎn)。

對(duì)于擋板信息的獲取，調(diào)用5路傳感器，掃描單元格前左右信息，如果有擋板，則該方向返回1，如果沒(méi)有擋板返回0。

如圖9所示，當(dāng)電腦鼠到達(dá)某一點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該處于該單元格的中心，它距離擋板的距離允許在S±2cm，如果掃描到的距離大于該范圍，則認(rèn)為有擋板返回1。當(dāng)電腦鼠在行進(jìn)過(guò)程中還可以通過(guò)S±2cm對(duì)電腦鼠進(jìn)行姿態(tài)糾正。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文給出了基于STC89c52電腦鼠的硬件設(shè)計(jì)方案以及軟件設(shè)計(jì)思路，電源模塊、電機(jī)模塊、傳感器模塊、硬件穩(wěn)定設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且價(jià)格低廉。由于采用了模塊化設(shè)計(jì)思想，具有思路可移植性，可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。

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