基于單片機控制的清掃機器人的設計

王自凱，劉立群，李愛民，易多軒，徐小韋

（甘肅農業大學 信息科學技術學院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

進入21世紀以來，隨著計算機技術、微電子技術和傳感器技術的發展，人們在能實現控制模式的傳統機器中添加了處理器，清掃機器人就是其中之一。然而，無論是在國內還是國外，清潔機器人的價格都偏高。因此，本課題研究設計了一種智能清洗機器人，該機器人能夠進行清洗和避免污染等操作。本項目設計成本較低，人為干擾少，實用性強，可靠性高，有廣闊的發展前景。

1 系統硬件設計

本次設計的智能清掃機器人硬件部分以STC89C52單片機為核心，借助紅外避障模塊檢測外部情況，由風扇驅動模擬清掃過程，按鍵電路作為啟動部分，電機驅動為裝置提供動力，還包括麥克姆輪等其他部分。系統硬件設計如圖1所示。

圖1 系統硬件設計

1.1 按鍵電路設計

此次設計的啟動部分采用按鍵方式。按下按鍵后，電路接通至高電平，開關接通；松開按鍵，電路接通至低電平，開關斷開。在本次設計中，按鍵作為系統的啟動部分，能夠將智能清掃小車與人連接起來，實現對系統的手動輸入。該方式操作簡單，使用便捷，符合本次設計的需要。按鍵電路原理如圖2所示。

圖2 按鍵電路設計

1.2 BD681風扇驅動電路設計

在清洗方面，風機正常工作需要通過系統內部的能量轉換實現。首先，電能轉化為電磁能，之后再轉化為機械能，最后轉化為動能。由于單片機無法直接控制風扇的發動機，因此我們選擇用大功率三極管進行控制。由于三極管能承受的電流有限，FIM可以防止三極管損壞，故使用限流電阻來限制三極管中的電流。在連接關鍵電路時，三極管連接高電平，風扇驅動電路響應，風扇開始旋轉。電路斷開后，三極管連接至低電平，風扇停止轉動。風扇控制電路如圖3所示。

圖3 風扇控制電路

1.3 紅外避障傳感器模塊電路設計

紅外障礙物防護傳感器選擇E18-D80NK-N，它既能發射光束也能接收光束。當傳感器發出紅外光時，遇到物體紅外光會被反射回來，反射的光束被傳感器接收。檢測到反射光后，傳感器將自動計算物體距離。傳感器還可以避免可見光的干擾。傳感器利用透鏡大大增加了傳感器的檢測距離，80 cm范圍內的物體基本都能被檢測到。除此之外，該傳感器還具有價格更低廉、裝配更容易、使用更便捷等特點，符合此次設計的要求。由于光速遠比超聲波傳播速度快，所以紅外線測距在與超聲波測距的對比中優勢明顯，其傳播和反射時間更短，能更快地預警。紅外避障傳感器模塊原理如圖4所示。

圖4 紅外避障傳感器模塊原理

1.4 L298N電機驅動模塊

選擇的發動機模塊為L298N，它不僅可以驅動兩級發動機，還可以驅動四相發動機，甚至驅動S35，同時也可以接收TTL電平信號。驅動模塊芯片由H雙工橋引擎驅動。CadA H電橋可提供2 A電流。該部分電源范圍為2.5～4.8 V，邏輯部分的電源為5 V，可直接控制DC-DC發動機的轉速和方向。直流發動機為無刷直流發動機，可保證機器人完成相應操作。該發動機能夠很好地滿足清洗機器人的能源需求，最大限度利用能源而不浪費，完全滿足設計要求。電機驅動模塊原理如圖5所示，電機驅動實物如圖6所示。

圖5 電機驅動模塊原理

圖6 電機驅動實物

2 系統軟件設計

系統軟件基于Keil編譯環境，采用C語言編程設計。C語言較匯編語言可執性更高，應用過程更加方便，即使編程人員不了解單片機處理器的結構，也可以應用C語言的編輯器完成程序設計。系統初始化后，在單片機的控制下，系統驅動裝置以及風扇驅動電路響應，同時避障傳感器對周圍環境進行檢測，并根據實際情況做出反應。基于Keil的C語言程序設計如圖7所示。

選取2016年1月—2017年12月我院納入的400例白內障行小切口手術治療患者作為研究對象。所有患者均對本次研究知情，自愿參與。為保證研究的科學性，本次研究將合并有嚴重器質性疾病、腫瘤疾病、全身感染性疾病、妊娠或哺乳期女性、有過眼部手術史、精神病史患者排除在外。其中，男235例，女165例；患者年齡為39～82歲，平均年齡（57.09±11.03）歲；晶狀體硬度LOCSⅡ分級：Ⅰ級0例，Ⅱ級129例，Ⅲ級156例，Ⅳ級115例。本次研究符合醫學倫理。

圖7 基于Keil的C語言程序設計

3 系統電路

智能小車電路如圖8所示。

圖8 智能小車電路設計

4 結 語

本次設計的清掃機器人以STC89C52作為控制中樞，芯片編寫程序簡單，系統兼容性好，價格低廉，抗干擾能力強。智能清掃小車采用了軟硬件相結合的方式，使實驗功能更加豐富。測驗結果證明，該設備基本能實現所有預期效果，滿足小車進行智能清掃的需求。