油煙管道清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)

濮陽縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校 王蓮進(jìn)

1 清潔機(jī)器人的總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

控制芯片是油煙管道清潔機(jī)器人的核心，用軟件的方式來代替復(fù)雜的硬件電路設(shè)計(jì)，減低設(shè)計(jì)的困難程度，更方便簡單地實(shí)現(xiàn)各種功能，并且可以很好地完成初始設(shè)計(jì)的要求。整體設(shè)計(jì)方案的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括單片機(jī)STC89C52、驅(qū)動(dòng)模塊、檢測(cè)模塊、信號(hào)接收模塊、電源模塊、沖洗模塊組成。

圖1 清潔機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

STC89C52單片機(jī)是系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能功能的核心。通過燒錄進(jìn)單片機(jī)的程序，根據(jù)信號(hào)接收模塊傳入的信息，自動(dòng)控制油煙管道清潔機(jī)器人實(shí)現(xiàn)各種設(shè)計(jì)功能。驅(qū)動(dòng)模塊主要由L298N芯片組成。用于驅(qū)動(dòng)行走電機(jī)。行走電機(jī)主要控制四個(gè)車輪轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)油煙管道清潔機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。信號(hào)接收模塊主要由紅外轉(zhuǎn)彎傳感器左右各一個(gè)，紅外防墜傳感器一個(gè)和紅外碰撞傳感器前方和左右各一個(gè)組成。這些傳感器用于控制機(jī)器人的行走方向，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和防墜落功能。電源模塊采用充電電池給提供的7.2V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的可供微控制器，傳感器和其他模塊使用的5V電壓。沖洗模塊采用電磁閥控制沖洗直流電機(jī)工作。由單片機(jī)控制電磁閥的開閉。沖洗直流電機(jī)控制沖洗高壓水槍負(fù)責(zé)沖洗油煙管道里的油煙。

1.2 檢測(cè)和監(jiān)測(cè)模塊的設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)模塊的攝像頭是放置在后方，拍攝后方的情況，檢測(cè)模塊的攝像頭是布置在前方，用于拍攝前方油煙管道的情況。工作過程為：先設(shè)置單片機(jī)使單片機(jī)和攝像頭頻率相同，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與攝像頭同步，然后單片機(jī)在指定時(shí)間向攝像頭發(fā)射特點(diǎn)指令，控制攝像頭拍攝，上傳數(shù)據(jù)給zigbee無線通信模塊，最后再由無線通信模塊把數(shù)據(jù)傳送給上位機(jī)，通過上位機(jī)顯示拍攝畫面。如圖2所示為檢測(cè)和監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖。

圖2 檢測(cè)和監(jiān)測(cè)模塊系統(tǒng)框圖

2 清潔機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

2.1 電源模塊的設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用LM7805CV穩(wěn)壓芯片作為穩(wěn)壓電源的核心設(shè)計(jì)。LM7805CV穩(wěn)壓芯片可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，其輸出電流可以達(dá)到1.5A，因?yàn)閮?nèi)含限流保護(hù)電路，所以可以防止負(fù)載短路燒毀器件。電路原理圖如圖3所示。

2.2 驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)

圖4是模塊設(shè)計(jì)的電路原理圖，有L298N驅(qū)動(dòng)電路和保護(hù)電路兩部分。用于驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

圖3 5V穩(wěn)壓電源模塊

2.3 保護(hù)電路部分的介紹

由于輸出端口連接到電機(jī)線圈，這將產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，這將對(duì)L298N造成沖擊，這很容易造成損壞，特別是當(dāng)有正電壓或負(fù)電大于電源電壓時(shí)生成，更有可能損壞L298N。兩根二極管1N4007添加到根線以進(jìn)行保護(hù)。保護(hù)原理是：當(dāng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)為正且超過電源+0.7V時(shí)，下二極管導(dǎo)通，因此它被限制在+0.7V的電壓，并且不會(huì)產(chǎn)生超過+0.7V的電壓值。當(dāng)產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)為負(fù)且低于-0.7V時(shí)，上二極管導(dǎo)通，其限制為-0.7V且不低于-0.7V。這可以保護(hù)L298N芯片免受損壞。

圖4 驅(qū)動(dòng)模塊電路圖

圖5 紅外傳感器電路

清潔機(jī)構(gòu)的清潔機(jī)構(gòu)由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)。因?yàn)椴恍枰刂扑俣龋圆恍枰?jīng)常停止。因此直接將直流電機(jī)與電源連接，只要一上電就直接一直工作。

2.4 避障模塊的設(shè)計(jì)

紅外傳感器具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，對(duì)光線很敏感，精度很高。通過發(fā)射紅外線，檢測(cè)反射回來的紅外線強(qiáng)度來判斷前方障礙物的距離。有效檢測(cè)距離為2～30cm，工作電壓為3.3V～5V。其紅外傳感器電路原理圖如圖5所示。

其工作原理如下：當(dāng)上電后，電源指示燈亮，紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，反射回來的紅外線被紅外接收二極管接收，紅外接收二極管根據(jù)接收的紅外線強(qiáng)度來改變導(dǎo)通程度。當(dāng)返回的紅外線強(qiáng)度足夠時(shí)，使紅外接收二極管導(dǎo)通程度大，導(dǎo)致LM393正輸入端的電壓大，通過和VR1電阻設(shè)置的電壓比較，高時(shí)使電壓比較器LM393導(dǎo)通輸出低電壓，開關(guān)指示燈亮。

3 清潔機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)及調(diào)試

3.1 行走電機(jī)控制程序

由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)油煙管道清潔機(jī)器人的四個(gè)輪子。通過差速的方法來實(shí)現(xiàn)變向與轉(zhuǎn)彎。在這個(gè)油煙管道清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，是通過單片機(jī)向L298N驅(qū)動(dòng)電路輸入信號(hào)間接控制直流電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)。如表1所示為L298N控制其中一個(gè)直流電機(jī)運(yùn)行的真值表。

表1 L298N控制電機(jī)的真值表

其中，“1”為高電平輸入；“0”為低電平輸入。當(dāng)使能端口ENA輸入為0時(shí)，不管IN1和IN2這兩個(gè)控制端口輸入為何值時(shí)電機(jī)都不能轉(zhuǎn)。在使能端口輸入為1時(shí)，當(dāng)L298N芯片兩個(gè)控制端口（IN1和IN2）同時(shí)輸入為高電平或低電平時(shí)，電機(jī)也不能旋轉(zhuǎn)。只有在使能端口輸入為1，同時(shí)一個(gè)控制端口輸入高電平而另一個(gè)控制端口為低電平時(shí)旋轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1為1，IN2為0時(shí)直流電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1為0，IN2為1時(shí)直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。

要使機(jī)器人轉(zhuǎn)彎，就要使一邊的電機(jī)停止，另一邊的電機(jī)正轉(zhuǎn)，差速轉(zhuǎn)彎。右轉(zhuǎn)程序如下：

3.2 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制

油煙管道中的清潔工作不需要很高的速度，對(duì)于行走和轉(zhuǎn)彎也需要不同的速度。所以需要使用PWM調(diào)速方法來改變速度。這里只用一個(gè)定時(shí)器就可以產(chǎn)生多組不同的PWM波的方法。產(chǎn)生PWM波的原理為：把波形的一個(gè)周期平分為N份，其中t份為高電平，（N-t）份為低電平。具體產(chǎn)生兩個(gè)PWM波的方法，把一個(gè)周期T分為10份，其中每份的時(shí)間間隔為一次定時(shí)器的時(shí)間t。為了產(chǎn)生PWM1的占空比為30%，PWM2的占空比為50%。所以PWM1是前3次定時(shí)器時(shí)間為高電平，后7次定時(shí)器為低電平，達(dá)成一個(gè)周期，然后如此循環(huán)下去，就產(chǎn)生了占空比為30%的PWM波形。PWM2是前5次定時(shí)器為高電平，后5次定時(shí)器為低電平，一個(gè)周期也是10次定時(shí)器。同理也可以在生成其他更多的PWM波。

3.3 行走和轉(zhuǎn)彎流程

因?yàn)槭窃谟蜔煿艿乐行凶撸艿篮塥M窄，清潔機(jī)器人的體積已經(jīng)占了很大的空間，所以機(jī)器人在管道中行走的空間很小，只能讓機(jī)器人不斷地前進(jìn)，過程中通過小幅度的轉(zhuǎn)彎來保證機(jī)器人始終保持在管道中間，當(dāng)遇到管道轉(zhuǎn)彎時(shí)原地大幅度轉(zhuǎn)彎來達(dá)到轉(zhuǎn)彎的效果。

上電開始自動(dòng)行走，當(dāng)左碰撞紅外傳感器檢測(cè)到了信號(hào)時(shí)，說明機(jī)器人離管道左側(cè)靠的太近，所以機(jī)器人自動(dòng)向右小幅度轉(zhuǎn)彎。同理當(dāng)右碰撞紅外傳感器檢測(cè)到了信號(hào)時(shí)，機(jī)器人左小轉(zhuǎn)。當(dāng)機(jī)器人走到轉(zhuǎn)角處時(shí)，前紅外檢測(cè)傳感器檢測(cè)到信號(hào)，同時(shí)右轉(zhuǎn)紅外傳感器沒有檢測(cè)到信號(hào)，機(jī)器人速度降低自動(dòng)右轉(zhuǎn)彎。同理當(dāng)前紅外檢測(cè)傳感器檢測(cè)到信號(hào)，同時(shí)左轉(zhuǎn)紅外傳感器沒有檢測(cè)到信號(hào)，機(jī)器人速度降低自動(dòng)左轉(zhuǎn)彎。機(jī)器人正在行走時(shí)，如果當(dāng)走的油煙管道盡頭時(shí)，盡頭檢測(cè)傳感器檢測(cè)不到信號(hào)，這時(shí)機(jī)器人蜂鳴器報(bào)警，同時(shí)機(jī)器人停止前進(jìn)。沒有到盡頭時(shí)則正常前進(jìn)。當(dāng)機(jī)器人走到死角時(shí)，前方不能前進(jìn)同時(shí)左右也沒有路口時(shí)，機(jī)器人啟動(dòng)報(bào)警同時(shí)停止前進(jìn)。

3.4 仿真調(diào)試

按照設(shè)計(jì)好的電路圖，用Proteus軟件進(jìn)行行走程序的仿真調(diào)試。由于仿真軟件中沒有電機(jī)，蜂鳴器和紅外傳感器這些元器件。所以用開關(guān)來代替紅外傳感器，用二極管來看輸出，如圖6為直行運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的PWM波形。從波形可以看出達(dá)到了設(shè)計(jì)時(shí)要求的占空比。

圖6 PWM波形圖

結(jié)論：本設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)作為油煙管道清潔機(jī)器人核心控制芯片，使用了直流電機(jī)和差速轉(zhuǎn)向的原理，蜂鳴器報(bào)警及紅外傳感器，使得油煙管道清潔機(jī)器人制作成本相對(duì)較低，功能基本準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)。