基于MSP430的智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

申雙琴

摘 ?要：智能掃地機(jī)器人的研究與實(shí)現(xiàn)旨在通過科技改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ睢Ｎ恼略O(shè)計(jì)了一種基于MSP430的用于室內(nèi)的智能掃地機(jī)器人，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避障模塊、紅外遙控等各部分的工作原理及硬件電路進(jìn)行了分析，結(jié)合避障、控制方法等程序軟件，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)智能清掃。

關(guān)鍵詞：掃地機(jī)器人;單片機(jī);智能;設(shè)計(jì)

中圖分類號：TP242 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）13-0093-02

Abstract： The research and implementation of intelligent floor sweeping robot aims to change people's daily life through science and technology. In this paper， an intelligent floor sweeping robot for indoor based on MSP430 is designed. The working principle and hardware circuit of the system structure， obstacle avoidance module， infrared remote control and other parts are analyzed， and in combination with the program software such as obstacle avoidance， control method and so on， indoor intelligent cleaning is realized.

Keywords： sweeping robot; single chip microcomputer; intelligence; design

引言

隨著科技進(jìn)步，生活節(jié)奏加速，智能家居走進(jìn)人們的日常生活，在一定程度上解放了勞動(dòng)，節(jié)約了時(shí)間，也改善了生活質(zhì)量。智能掃地機(jī)器人作為熱銷的一款清潔產(chǎn)品，被越來越多的消費(fèi)者青睞。文中設(shè)計(jì)了一款單片機(jī)方案的掃地機(jī)器人，具有避障、紅外遙控、吸掃、死角及低電量報(bào)警等功能。系統(tǒng)以MSP430為微控制器，處理傳感器系統(tǒng)提供的各類環(huán)境信息，以傳感器及電機(jī)驅(qū)動(dòng)為基礎(chǔ)，運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理為核心，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能清掃功能。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能掃地機(jī)器人利用超聲波作為障礙物探測器，感知周圍環(huán)境，依據(jù)其反饋信號，改變PWM來控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)從而改變方位，吸掃是利用電機(jī)的反轉(zhuǎn)執(zhí)行，在不需要小車自動(dòng)控制時(shí)，可以利用紅外遙感選擇手動(dòng)控制。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，直流電機(jī)及控制電路為驅(qū)動(dòng)部分，單片機(jī)為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)的硬件部分包括超聲波模塊、紅外接收模塊、電量監(jiān)測模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)與風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及報(bào)警模塊等。軟件部分包括調(diào)用內(nèi)部定時(shí)器A0，定時(shí)中斷檢測超聲波模塊傳到單片機(jī)的高電平信號，從而計(jì)算距離。紅外遙控器發(fā)射一組數(shù)碼，通過接收頭接收，單片機(jī)外部中斷并啟動(dòng)定時(shí)器A1判斷電平時(shí)間，以此判斷遙控按鍵碼值，調(diào)用內(nèi)部ADC模塊實(shí)時(shí)監(jiān)測供電電壓，對應(yīng)指示燈GPIO輸出低電平點(diǎn)亮相應(yīng)指示燈，調(diào)用定時(shí)器B產(chǎn)生PWM控制小車電機(jī)正反轉(zhuǎn)與速度?？傮w系統(tǒng)框圖如圖所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 超聲波避障模塊

超聲波模塊由發(fā)射和接收兩部分組成，用于檢測障礙物的距離。當(dāng)檢測到障礙物時(shí)，使用MSP430高電平啟動(dòng)模塊Trig引腳，單片機(jī)利用I/O口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號，利用外部中斷口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號[1]。經(jīng)處理后通過模塊的Echo引腳傳送出高電平，MSP430檢測這段高電平的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射信號到接收回波信號的時(shí)間，從而測算出障礙物的距離。

2.2 紅外遙控模塊

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術(shù)，具有抗干擾能力強(qiáng)，低功耗，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。按下按鍵，遙控器發(fā)出經(jīng)過調(diào)制后的信號，這個(gè)信號經(jīng)過紅外模塊接收，輸出解調(diào)后的數(shù)字脈沖，每個(gè)按鍵對應(yīng)不同的脈沖，故通過識別不同的脈沖即能識別不同按鍵。紅外遙控器發(fā)出指令，小車上連接紅外光接收頭HS0038，接收紅外信號頻率為38kHz，周期為26μs。當(dāng)按下遙控器的設(shè)置鍵后，接收裝置接收到遙控器發(fā)出的紅外線控制信號，傳給單片機(jī)并對信號解碼后檢查是否為設(shè)置信號，然后啟動(dòng)設(shè)置子程序，依次作出判斷確定鍵值，使設(shè)置生效，從而達(dá)到控制目的[2]。

2.3 電量監(jiān)測模塊

系統(tǒng)采用電池供電，實(shí)時(shí)監(jiān)控電池電壓，當(dāng)電池電壓低于6.0V時(shí)，通過指示燈與蜂鳴器報(bào)警提示，單片機(jī)GPIO口能承受的最大電壓3.3V，因此用一個(gè)電阻進(jìn)行分壓。MSP430單片機(jī)內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，這大大簡化了系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)[3]。電量監(jiān)測電路中采用簡易紅、黃、綠Led作為指示，當(dāng)電量低于7.2V時(shí)紅燈亮，介于7.2V與7.6V時(shí)黃燈亮，大于7.6V時(shí)綠燈亮，通過3個(gè)GPIO口連接Led，分別控制不同狀態(tài)下的指示燈，Led的負(fù)極接GPIO口的P3.0～P3.2口，正極接3.3V電壓，同時(shí)串入1K的電阻限流，以防因電流過大燒壞燈，亮燈時(shí)GPIO低電平使能，電量指示模塊Led原理圖如圖2所示。

2.4 電機(jī)與吸塵風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

移動(dòng)系統(tǒng)是由兩個(gè)伺服電機(jī)以及相應(yīng)驅(qū)動(dòng)組成的小車，電機(jī)帶動(dòng)兩個(gè)后輪，前輪采用隨動(dòng)輪，加強(qiáng)轉(zhuǎn)彎的靈活性。具有吸掃功能的風(fēng)機(jī)與電機(jī)的控制需要PWM控制信號，通過改變控制系統(tǒng)輸出的PWM的占空比達(dá)到改變轉(zhuǎn)速的目的，從而實(shí)現(xiàn)掃地機(jī)的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等功能[4]。然而單片機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力較小，不能直接輸出PWM到電機(jī)，則需要在芯片與電機(jī)之間增加驅(qū)動(dòng)電路，即H橋。L298N是一款雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，其中每個(gè)H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48V，邏輯使能部分5V供電。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的兩個(gè)電機(jī)及風(fēng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，可同時(shí)選擇使用L298N集成模塊。H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理[5]為當(dāng)Q1與Q4基極高電平管子導(dǎo)通，Q2與Q3基極低電平管子截止，電機(jī)正轉(zhuǎn);當(dāng)Q1與Q4基極低電平管子截止，Q2與Q3基極高電平管子導(dǎo)通電機(jī)反轉(zhuǎn)，PWM改變占空比，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。電路模塊圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的主函數(shù)通過調(diào)用各個(gè)模塊，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能整合。系統(tǒng)開機(jī)后，首先對各硬件模塊進(jìn)行檢測與初始化，進(jìn)入循環(huán)判斷紅外接收指令，當(dāng)接收到手動(dòng)模式的碼值時(shí)，標(biāo)志位置2，進(jìn)入手動(dòng)模式，在遙控模式下運(yùn)行且不同的遙控指令做出相應(yīng)動(dòng)作，否則標(biāo)志位置1進(jìn)入自動(dòng)模式，并判斷距離。時(shí)刻檢測周圍環(huán)境，符合安全距離時(shí)，開始行進(jìn)，當(dāng)測得與障礙物距離小于20cm時(shí)，做出避讓，行進(jìn)過程中吸塵風(fēng)機(jī)保持運(yùn)行。當(dāng)距離小于6cm時(shí)，判斷為死角，小車停止運(yùn)行并報(bào)警，電量監(jiān)測也同步運(yùn)行，當(dāng)電量低于6V即10%，小車停止運(yùn)行，指示燈示意充電。

4 實(shí)驗(yàn)測試

實(shí)驗(yàn)場地選在一個(gè)3*5m2的家居室內(nèi)使用機(jī)器人進(jìn)行功能測試，房間內(nèi)有常用的桌椅及常見垃圾如細(xì)小紙屑等進(jìn)行測試，當(dāng)掃地機(jī)行走靠近時(shí)，基本可以將垃圾吸干凈。紅外遙控器的模式切換鍵、暫停鍵、前進(jìn)鍵、后退鍵、左轉(zhuǎn)鍵及右轉(zhuǎn)鍵都能實(shí)時(shí)響應(yīng)實(shí)現(xiàn)相對應(yīng)功能。電量監(jiān)測基本能準(zhǔn)確指示電池電量。根據(jù)此次實(shí)驗(yàn)調(diào)試的數(shù)據(jù)顯示，小車在自主運(yùn)行、避障、遙控控制，電量指示，死角報(bào)警上，均無明顯異常，基本實(shí)現(xiàn)功能要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款基于MSP430單片機(jī)的智能掃地車，集中了自主行走、避障、紅外遙控、吸掃、死角及低電量報(bào)警等功能，系統(tǒng)功能齊全，解決了日常生活地面清掃問題，基本上能夠滿足家庭需求，可實(shí)踐性強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)：

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[5]魏海明，楊興瑤.實(shí)用電子電路500例[D].北京化學(xué)工業(yè)出版社，1996，24（3）：25-30.