基于單片機的紅外避障小車設計★

楊欣茹，房開拓，謝蓮花，賴家恩

（宿遷學院機電工程學院，江蘇 宿遷 223800）

引言

中國有句古話：“一屋不掃何以掃天下”。隨著時代的發展，更便于人們的智能家居順應時代產生，智能家居是時代發展的產物，是住戶想享受優質的居住環境、便捷的生活家居管理等智能化住宅所特有的生活方式。隨著科技的日新月異，掃地機器人進入了人們的日常生活，掃地機器人的研究和應用也引起了人們的廣泛關注。同時從人們的需求上來講，掃地機器人作為家庭服務型機器人是目前市面上銷量持續受到人們歡迎的一款服務機器人，因而無論是從理論技術層面還是市場前景，掃地機器人都是一大研究熱點。故而我們團隊利用掃地機器人的重點特性，制作了簡易型的機器人并進行調試。

1 系統結構

本智能掃地機器人控制系統硬件主要是以單片機STC89C52控制模塊，硬件部分主要是由電機驅動模塊、紅外避障模塊、電源模塊、蜂鳴器、風扇模塊和LED模塊組成，軟件設計部分通過主程序以及代碼的編寫實現避障。見圖1。

圖1 系統結構圖

2 掃地機器人的硬件設計

2.1 STC89C52單片機（見圖2）

圖2 STC89C52單片機圖

STC89C52單片機作為該避障小車的核心控制模塊，用于實現模擬信號的輸出和轉換。STC89C52單片機是一種功耗低，性能高的CMOS8位微控制器，在電源提供5V的電壓下支持80MHz晶振，且內部有512B的RAM數據存儲器，具有8 k字節系統可編程Flash存儲器。本次設計中特地加入電容，主要是為了兩點：

一是為了使模擬信號和電壓的輸出更加穩定。

二是能夠儲存能量，同時在直流的電路當中電容一般都會進行阻斷直流，所以電容它在電路起著一個阻斷直流的作用。

2.2 紅外避障模塊

在該模塊利用紅外探測法。該方法由紅外發射電路和紅外接收電路組成。紅外探測法即運用不同的物體發射出的紅外光是由特定波段原理。因為紅外光是屬于可見光之外的，所以我們常用這些物體反射的特定紅外光波段來實現檢測前方是否有障礙物，本次實驗采用的是將紅外光的輻射轉化為電能，進而轉化成電信號，通過單片機傳輸，采用高低電平，來實現檢測信號。見圖3。

圖3 紅外接收原理圖

2.3 電機驅動模塊

電機驅動模塊主要通過單片機發送的PWM信號改變直流電動機的轉速，以此來控制掃地機器人運轉起來的速度。本模塊采用L293D電機驅動模塊，是一款雙橋驅動芯片，可同時驅動2路直流電機，輸出電流可達600 mA[8]。L293D主要接受PWM信號，控制電機運轉和停止。以控制電機的一段為例，當使能端EN1為1，輸入端IN1為0時，電機正轉；使能腳EN1為1，輸入端IN2為0時，電機反轉。所以驅動模塊L293D驅動2臺直流電機，實現小車的前進，后退，左轉，右轉各個方向的移動。見圖4。

圖4 電機驅動模塊

2.4 風扇驅動模塊

關于避障掃地機器人的設計中，我們利用風扇來簡易代替清掃的功能。由于單片機無法直接驅動振動風扇，故而選擇三極管來實現對風扇的控制，電阻為限流電阻，起限流作用，以保護三極管。當單片機的相關控制引腳為高電平時，三極管導通，風扇正常工作；否則，風扇不轉動，驅動電路如圖5所示。

圖5 風扇、蜂鳴器原理圖

2.5 蜂鳴器驅動模塊

本次設計中還加入了蜂鳴器模塊，與風扇驅動有著相同的地方，都通過三極管來實現模塊的運作，蜂鳴器用來提示工作開始或完成，當三級管接受高電平導通時，會發出“滴”的一聲，示意工作開始或完成。

2.6 LED模塊

市面上的機器人通常具有定時及清掃時間設定的模式，我們所設計的掃地機器人通過LED來設定判斷清掃的時間，并通過LED模塊來簡單的起到定時效果。通過單片機傳輸高低電平，在LED驅動電源產生PWM驅動信號后，進一步通過周期數值控制將模擬信號轉化為數字信號，輸出與數字信號相符的電壓保護值和電流保護值[4]，具體見圖6、圖7。

圖6 LED系統設計圖

圖7 LED驅動模塊原理圖

3 軟件設計

3.1 路徑規劃軟件設計

開始，首先標記開始位置，按下開關，小車開始行駛，當右邊的紅外傳感器檢測到障礙物時，小車將進行左轉，同理若紅外傳感器檢測到左側有障礙物時，小車進行右轉，若兩側都檢測到障礙物時，小車停止或者前進。關于軟件的流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 調試

通過初步完成設計、安裝焊接，現進行調試校準工作以使檢測系統能夠正常進行檢測。

首先將場地清空，確保有足夠的空間讓小車行駛，其次確保無障礙物的存在，測試小車的前進或者后退功能。在小車的前進與后退無失誤或問題后。在小車的左側放置障礙物，若小車右轉，則紅外探頭正常。若小車無法正常轉換，則開始逐步檢查相關的模塊。首先查看硬件模塊是否有問題，查看單片機的焊接是否有問題，如果將單片機最小系統焊接好調試無誤后，再逐一焊接其他模塊，依次編寫實現該模塊簡單功能的程序進行調試，最后將所有調試無誤的硬件集成，由于硬件各模塊已經能夠實現基本功能，故后期軟件和硬件一起工作時，一般可歸結于軟件問題，則進行軟件設計的調試，確保小車能夠正常運行。

5 結語

本次設計的紅外避障掃地機器人根據軟件設計的路徑規劃算法控制小車的運動軌跡，執行時通過紅外避障不斷地檢測周圍是否存有障礙物。按照論證調試方案，在掃地機器人的電路的研究和控制流程的設計后，經過調試，系統各部分的模塊的運轉正常運行。但是很顯眼本次的設計中掃地機器人的智能化程度遠遠不足。但我相信隨著科技的不斷發展，時代的不斷前進，智能掃地機的前景會更廣闊。

本次課題通過調試小車后發現該系統具有操作簡單、成本較低、安全可靠和精準度高等優點并且基本功能符合當下智能家居生活的基本要求。同時選擇的單片機易操作，綜合功能方面沒有明顯缺陷，但是仍然有存在有待完善的方面，后續要持續對其研究，增加其更多實用功能。通過本課題的設計，對單片機及傳感器的相關知識有了更全面、更深層次的理解，還掌握了直流驅動電路及PWM調速電路的原理。