基于單片機(jī)的智能清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

杜春明 于桂君 劉佳寧 張思宇

（遼寧科技學(xué)院電信學(xué)院，遼寧 本溪117004）

1 概述

伴隨社會(huì)的逐漸發(fā)展，人們?cè)絹?lái)越追求更加舒適的居家生活，但繁重的日常清潔，又成為了人們非常困擾的問(wèn)題。智能清潔機(jī)器人的出現(xiàn)無(wú)疑可以有效解決這個(gè)難題，逐漸地替代常規(guī)手動(dòng)清掃工具[1]。智能清潔機(jī)器人是一個(gè)具有自動(dòng)控制的家用清掃工具，較適合于家庭居住面積比較大的居家環(huán)境，可以有效的減少人們勞動(dòng)清掃時(shí)間，提高清掃效率。本文將介紹一款基于AT89C52 單片機(jī)的清潔機(jī)器人的軟硬件設(shè)計(jì)。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)是基于AT89C52 單片機(jī)芯片作為核心，采用四節(jié)1.5V 的電池為系統(tǒng)供電。采用紅外遙控裝置，通過(guò)按鍵控制智能清潔機(jī)器人的各種轉(zhuǎn)向。采用紅外線傳感器裝于車的左右兩端實(shí)現(xiàn)避障功能；采用紅外對(duì)管，裝于車底盤(pán)的兩側(cè)，實(shí)現(xiàn)黑線循跡功能。利用雙直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并配有單個(gè)萬(wàn)向輪安裝于后方中下端，方便進(jìn)行任何方向的驅(qū)動(dòng)。采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，并運(yùn)用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。采用LED 數(shù)碼管進(jìn)行模式顯示。清潔模塊主要采用單個(gè)吸塵器電機(jī)進(jìn)行路面清潔，通過(guò)吸塵器電機(jī)的風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)吸起塵土，經(jīng)過(guò)吸口吸入帶有過(guò)濾網(wǎng)的集塵盒內(nèi)。系統(tǒng)總體框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 單片機(jī)最小應(yīng)用系統(tǒng)

AT89C52 單片機(jī)的最小系統(tǒng)，主要由時(shí)鐘電路和復(fù)位電路組成。電容C11 和電阻R1 構(gòu)成上電復(fù)位電路，電容C11 可濾除高頻干擾，防止單片機(jī)誤復(fù)位；添加按鍵構(gòu)成手動(dòng)復(fù)位電路。單片機(jī)復(fù)位需在RST 引腳輸入至少持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期（24 個(gè)振蕩周期）以上的高電平[2]。EA 引腳接高電平。如圖2 所示。

3.2 電源電路

采用四節(jié)1.5V 的電池作為整個(gè)系統(tǒng)的供電電源。因?yàn)楦黝悅鞲衅髂K、AT89C52 單片機(jī)芯片和一位共陽(yáng)極LED 數(shù)碼管的工作電壓為5V，L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制的電源輸入端VS 和吸塵器電機(jī)的工作電壓為12V，所以輸入電壓VCC（6V）須要經(jīng)過(guò)三端穩(wěn)壓集成電路7805 和7812 分別降壓到5V和升壓到12V 才能為整個(gè)系統(tǒng)供電。電路如圖3 所示。

圖3 電源電路設(shè)計(jì)圖

3.3 避障電路

避障系統(tǒng)主要采用紅外避障傳感器模塊。此模塊具有一雙紅外線發(fā)射與接收管，當(dāng)發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，探測(cè)到前方的阻礙時(shí)，紅外線遇到阻礙會(huì)反射回來(lái)并被紅外接收管接收，再經(jīng)LM393 比較器處理之后，此時(shí)信號(hào)輸出接口會(huì)持續(xù)輸出一個(gè)低電平信號(hào)[3]。如圖4 所示。

3.4 循跡電路

采用RPR220 反射型光電傳感器模塊，將傳感器安裝于模塊的左右兩側(cè)。單個(gè)傳感器主要由紅外光電二極管和光電三極管組成，利用紅外光探測(cè)，是一種紅外反射式光電開(kāi)關(guān)。

紅外光線對(duì)黑、白的反射系數(shù)不同。當(dāng)發(fā)射管在行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外信號(hào)，紅外光線照射到黑線會(huì)吸收（光電三極管截止），亦或照射到白線則反射（光電三極管導(dǎo)通），經(jīng)過(guò)LM393 處理之后，分別輸出相應(yīng)信號(hào)（1 或者0），再經(jīng)過(guò)74LS14 施密特觸發(fā)器整形，輸出結(jié)果，對(duì)路況進(jìn)行隨時(shí)校正[4]。

3.5 驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路

驅(qū)動(dòng)電路模塊主要采用L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，使用時(shí)可以平穩(wěn)有效的同時(shí)驅(qū)動(dòng)雙直流電機(jī)，能夠控制雙直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，并進(jìn)行速度控制，以此控制智能清潔機(jī)器人的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)速。如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動(dòng)與調(diào)速電路設(shè)計(jì)圖

D1～D8 為八個(gè)1N4007 整流二極管，用于保護(hù)L298N 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。依靠ENA、ENB 兩個(gè)引腳（高電平有效），并采用PWM脈沖寬度調(diào)制技術(shù)進(jìn)行速度控制。運(yùn)用定頻調(diào)寬的方法，通過(guò)改變一個(gè)周期內(nèi)單片機(jī)的I/O 口輸出高電平和低電平的時(shí)間，改變占空比，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能清潔機(jī)器人的調(diào)速控制。

3.6 顯示電路

采用一位共陽(yáng)極LED 數(shù)碼管進(jìn)行循跡、避障、遙控三種模式的顯示。RP1 為上拉電阻，其主要作用是對(duì)流入LED 數(shù)碼管中的模糊信號(hào)，運(yùn)用電路鉗位于“1”，并且也能起到限流的作用。

3.7 清潔電路

清潔電路模塊主要采用外部吸塵硬件，通過(guò)吸塵器電機(jī)中的風(fēng)機(jī)葉輪旋轉(zhuǎn)，使吸塵室與外界空間之間形成氣壓差，達(dá)到吸塵清潔的目的。整個(gè)清潔過(guò)程主要包括起塵，吸塵，濾塵，三部分。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本次智能清潔機(jī)器人系統(tǒng)一共設(shè)計(jì)了循跡、避障和遙控模式三種運(yùn)行模式。通過(guò)按鍵進(jìn)行三種模式的相互切換，并在一位LED 數(shù)碼管上顯示對(duì)應(yīng)的模式，顯示“1”時(shí)，此時(shí)模式為循跡模式；顯示“2”時(shí)，此時(shí)模式為避障模式；顯示“3”時(shí)，此時(shí)模式為遙控模式，三種模式處于各自模式時(shí)，實(shí)現(xiàn)的功能相互獨(dú)立。系統(tǒng)主程序流程圖如圖6 所示。

圖6 主系統(tǒng)程序流程圖

5 實(shí)物避障調(diào)試

當(dāng)安裝于左、右兩側(cè)的傳感器均未探測(cè)到阻礙時(shí)，安裝在模塊上的探測(cè)提示燈不會(huì)亮起，提示未探測(cè)到障礙物。當(dāng)安裝于右側(cè)的傳感器探測(cè)到阻礙時(shí)，安裝在右側(cè)模塊上的探測(cè)提示燈會(huì)亮起，提示探測(cè)到障礙物，左側(cè)亦然。

6 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)和傳感器等外圍設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)，具有自動(dòng)循跡、避障和吸塵的功能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了方案的可行性，具有一定的推廣價(jià)值。