基于單片機(jī)甲醛檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)

梁瑞

摘 要：針對(duì)目前多點(diǎn)位甲醛檢測(cè)價(jià)格高且耗時(shí)長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了甲醛檢測(cè)機(jī)器人。該機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)房間內(nèi)各角落甲醛濃度自動(dòng)檢測(cè)與監(jiān)控，定點(diǎn)多，檢測(cè)時(shí)間快，靈敏度高。STC89C52單片機(jī)根據(jù)E18-D80NK-N紅外檢測(cè)模塊采集的實(shí)時(shí)障礙信息控制L293D電機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行進(jìn)。同時(shí)，利用ZE08甲醛模組檢測(cè)室內(nèi)甲醛氣體濃度并顯示，當(dāng)甲醛氣體濃度超限時(shí)報(bào)警。

關(guān)鍵詞：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;甲醛檢測(cè)

Abstract：In view of the high price and long time of multi-point formaldehyde detection， a formaldehyde detection robot was designed. The robot can realize the automatic detection and monitoring of formaldehyde concentration in all corners of the room. It has the advantages of many fixed-point ctection， fast detection time and high sensitivity. The STC89C52 MCU controls the L293D motor to realize robot travel according to the real-time obstacle information collected by the E18-D80NK-N infrared detection module. At the same time， the ZE08 formaldehyde module is used to detect the indoor formaldehyde gas concentration and display and alarm when the formaldehyde gas concentration exceeds the limit.

Key words：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;formaldehyde detection

0 引言

隨著人工智能時(shí)代的到來(lái)，智能機(jī)器人出現(xiàn)在各行各業(yè)中。甲醛是室內(nèi)裝修重要污染源之一，很多人選擇甲醛檢測(cè)機(jī)構(gòu)或購(gòu)買甲醛測(cè)試儀對(duì)新居進(jìn)行檢測(cè)[1-2]。然而這兩種方式存在一些問(wèn)題。首先，甲醛檢測(cè)機(jī)構(gòu)按檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)收費(fèi)，檢測(cè)點(diǎn)少不能準(zhǔn)確反映整個(gè)空間甲醛濃度，檢測(cè)點(diǎn)多則價(jià)格高。其次，檢測(cè)機(jī)構(gòu)普遍采用抽取各點(diǎn)位空氣再到實(shí)驗(yàn)室與化學(xué)試劑做實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)行檢測(cè)，每個(gè)點(diǎn)位需逐個(gè)測(cè)量，多點(diǎn)位測(cè)量耗時(shí)長(zhǎng)。第三，當(dāng)新居密閉時(shí)間或溫度變化時(shí)，甲醛濃度隨之變化，隨時(shí)進(jìn)行檢測(cè)顯得費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而甲醛檢測(cè)儀雖然移動(dòng)方便，但用戶往往只購(gòu)買一臺(tái)，多點(diǎn)檢測(cè)時(shí)需要逐一測(cè)試，因此耗時(shí)長(zhǎng)。

本文基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)了甲醛檢測(cè)機(jī)器人。當(dāng)開(kāi)啟機(jī)器人開(kāi)關(guān)，該機(jī)器人自動(dòng)開(kāi)始檢測(cè)室內(nèi)甲醛濃度且具有避障功能，同時(shí)，可通過(guò)液晶顯示甲醛濃度值并在甲醛濃度超限時(shí)啟動(dòng)報(bào)警。使用者無(wú)需一直守候該機(jī)器人，只需根據(jù)報(bào)警查看結(jié)果即可[3]。

1 設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)采用STC89C52單片機(jī)作為主控芯片，甲醛檢測(cè)機(jī)器人裝載的紅外檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)前方障礙物的實(shí)時(shí)測(cè)量，并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，單片機(jī)根據(jù)輸入數(shù)據(jù)對(duì)甲醛檢測(cè)機(jī)器人通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行智能控制，實(shí)現(xiàn)避障功能。同時(shí)，ZE08甲醛模組對(duì)當(dāng)前位置甲醛氣體濃度采樣，通過(guò)單片機(jī)處理后顯示甲醛濃度，當(dāng)超過(guò)限值時(shí)報(bào)警，等待用戶通過(guò)按鍵復(fù)位。整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖，如圖1所示。

2.1 避障系統(tǒng)設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)是甲醛檢測(cè)機(jī)器人的核心。本設(shè)計(jì)中，采用STC89C52作為主控單元，當(dāng)甲醛檢測(cè)機(jī)器人前行時(shí)，紅外傳感器E18-D80NK-N立刻將檢測(cè)到的障礙信息發(fā)送至單片機(jī)處理，單片機(jī)判斷正確行駛方向后將結(jié)果發(fā)送至電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D驅(qū)動(dòng)電機(jī)，從而避開(kāi)障礙物[4]。電源模塊采用兩支18650可充電鋰電池供電，兩支電池串聯(lián)起的電壓約8 V左右，完全可以帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)，而單片機(jī)為5 V供電，因此，L293D與單片機(jī)共用一個(gè)電源接入單片機(jī)時(shí)需使用7805穩(wěn)壓，7805穩(wěn)壓模塊可提供穩(wěn)定的5 V電壓。避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)框圖，如圖2所示。

E18-D80NK-N是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過(guò)調(diào)制后發(fā)出，接收頭對(duì)反射光進(jìn)行解調(diào)輸出，該傳感器不僅能檢測(cè)障礙物還能檢測(cè)障礙物的間距[5]。由于一般障礙物都在機(jī)器人行駛方向前方，因此在智能機(jī)器人兩端45度處安裝兩個(gè)E18-D80NK-N紅外傳感器，好比機(jī)器人的雙眼，能準(zhǔn)確檢測(cè)出障礙物以及機(jī)器人與障礙物之間相對(duì)距離。該傳感器電氣結(jié)構(gòu)為三根引線，分別為VCC、GND和OUT，OUT輸出加一個(gè)1K左右的上拉電阻連接到單片機(jī)IO口即可[6-7]。

甲醛檢測(cè)機(jī)器人行進(jìn)方向的改變通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D實(shí)現(xiàn)。L293D是一種微型電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路芯片，支持VCC4.5-36 V，最大輸出電流為1A，它只適合小型發(fā)動(dòng)機(jī)，不適合大型工業(yè)應(yīng)用，對(duì)于本設(shè)計(jì)中的甲醛檢測(cè)機(jī)器人足以帶動(dòng)[8-9]。其輸入引腳IN1與IN2分別連接P36引腳和P35引腳。L293D外圍電路原理圖，如圖3所示。

2.2 甲醛檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

甲醛檢測(cè)系統(tǒng)除共用避障系統(tǒng)單片機(jī)控制模塊外還包括四個(gè)模塊，分別為傳感器模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊和按鍵模塊。甲醛傳感器將采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)送至單片機(jī)，顯示模塊顯示甲醛濃度值，當(dāng)該值高于設(shè)定的界限值時(shí)，報(bào)警器報(bào)警。其中，單片機(jī)具有兩個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)報(bào)警門限值的設(shè)置[10-11]。

甲醛檢測(cè)傳感器采用ZE08甲醛模組，ZE08-CH2O型電化學(xué)甲醛模組是一個(gè)通用型、小型化模組。利用電化學(xué)原理對(duì)空氣中存在的CH2O進(jìn)行探測(cè)，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性[12]。甲醛模組與單片機(jī)之間的數(shù)據(jù)交換是單向的，只需要甲醛模組向單片機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)即可。因此，將甲醛模組的數(shù)據(jù)輸出引腳連接單片機(jī)的數(shù)據(jù)輸入引腳。本設(shè)計(jì)中P30連接模組第6引腳，上拉330的電阻[13]。

數(shù)碼管顯示模塊可準(zhǔn)確有效的顯示出有害氣體濃度和報(bào)警門限值，數(shù)碼管使用LCD1062[14-15]。該數(shù)碼管能夠同時(shí)顯示32個(gè)字符，通過(guò)設(shè)計(jì)所需要的電壓對(duì)其所要顯示的區(qū)域進(jìn)行控制，加電時(shí)可顯示圖像，其數(shù)字式接口便于與單片機(jī)直接相連。本設(shè)計(jì)中需要注意其VO端接3K上拉電阻。

按鍵設(shè)置模塊使用2個(gè)按鍵與單片機(jī)連接，可設(shè)置報(bào)警門限值。當(dāng)甲醛氣體濃度高于設(shè)定的界限值時(shí)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴器報(bào)警[16]。甲醛檢測(cè)模塊電路原理圖，如圖4所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

避障系統(tǒng)運(yùn)行邏輯是軟件設(shè)計(jì)的核心。當(dāng)前方無(wú)障礙物時(shí)，小車前進(jìn);當(dāng)前方有障礙物時(shí)，小車向左行駛;當(dāng)前方與左方均有障礙物時(shí)，小車向右行駛;當(dāng)前方、左方和右方均檢測(cè)到障礙物時(shí)，機(jī)器人后退。重復(fù)以上檢測(cè)流程，實(shí)現(xiàn)甲醛檢測(cè)機(jī)器人避障系統(tǒng)功能。避障系統(tǒng)運(yùn)行邏輯圖，如圖5所示。

甲醛檢測(cè)模塊軟件設(shè)計(jì)主要為數(shù)據(jù)處理，在沒(méi)有中斷產(chǎn)生時(shí)一直執(zhí)行顯示、按鍵處理及檢測(cè)是否超限程序;當(dāng)有中斷產(chǎn)生的時(shí)候執(zhí)行中斷服務(wù)程序。其中超限程序?yàn)榕袛鄼z測(cè)值是否超出限值，當(dāng)超出限值時(shí)開(kāi)始報(bào)警。流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試

當(dāng)前方出現(xiàn)障礙物時(shí)，甲醛檢測(cè)機(jī)器人先選擇左方行進(jìn);當(dāng)前方與左方出現(xiàn)障礙物時(shí)，甲醛檢測(cè)機(jī)器人選擇向右行進(jìn);當(dāng)遇到90度拐角處時(shí)，甲醛檢測(cè)機(jī)器人選擇后退。實(shí)物如圖7所示。

利用甲醛檢測(cè)儀檢測(cè)兩處測(cè)試場(chǎng)地甲醛濃度分別為0.063 mg/M3和0.064 mg/M3，相同地點(diǎn)使用本系統(tǒng)進(jìn)行甲醛檢測(cè)結(jié)果分別為0.065 mg/M3和0.067 mg/M3，誤差在允許范圍內(nèi)。設(shè)置甲醛檢測(cè)限值為0.100 mg/M3，當(dāng)在90度拐角處利用可燃物釋放甲醛氣體，測(cè)得甲醛濃度為0.225 mg/M3，此時(shí)，甲醛檢測(cè)機(jī)器人報(bào)警。測(cè)試結(jié)果如表1所示。因此，本設(shè)計(jì)滿足甲醛檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)要求。

5 總結(jié)

本文提出了基于STC89C52單片機(jī)甲醛檢測(cè)機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法。主要闡述了避障系統(tǒng)和甲醛檢測(cè)系統(tǒng)兩部分，其中避障系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)核心包括單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)、紅外傳感器E18-D80NK-N電路設(shè)計(jì)和L293D電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路設(shè)計(jì);甲醛檢測(cè)系統(tǒng)硬件包括傳感器、顯示、報(bào)警和按鍵四個(gè)模塊。軟件設(shè)計(jì)主要為避障系統(tǒng)運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)和單片機(jī)對(duì)傳感器采集數(shù)據(jù)的處理。經(jīng)測(cè)試，本設(shè)計(jì)具有自動(dòng)檢測(cè)室內(nèi)甲醛濃度，設(shè)置甲醛濃度上限值，顯示檢測(cè)結(jié)果且超限報(bào)警的功能。整個(gè)系統(tǒng)性能穩(wěn)定，感應(yīng)靈敏，價(jià)格低廉，應(yīng)用前景廣泛。

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（收稿日期：2019.03.20）