基于STC52 單片機的智能掃地機器人設(shè)計

梁誠，梁長成，藍(lán)國財，黃蘇軍，吳樹添，黃愛玉，李嘉靜，馬永霞

（廣西民族師范學(xué)院 數(shù)理與電子信息工程學(xué)院，廣西崇左，532200）

0 引言

隨著當(dāng)今時代科技水平的迅速發(fā)展,越來越多的服務(wù)型智能機器人進(jìn)入到人們的生活中，改變了人們的生活方式及改善了生活質(zhì)量。掃地機器人作為時代的一款新型服務(wù)型智能機器人,能夠獨立完成室內(nèi)各類的清掃工作。同時掃地機器人正在進(jìn)行著快速的變革,由原來單純機械的自動清掃、除積灰垃圾等功能，增加到了智能除菌、自動無線充電、自動規(guī)劃清掃路徑等的更多的智能操作。服務(wù)型機器人未來還都將繼續(xù)向著制造成本大幅下降、功能更加多元化的和具有超大容量的電池方向發(fā)展。

1 掃地機器人總體框架

掃地機器人主要由硬件部分和軟件部分兩方面組成。硬件部分主要由四個模塊組成，即：主控STC89C52 單片機、傳感器模塊、工作單元、電源。主控采用STC89C52 單片機，使用該主控單片機對各模塊進(jìn)行智能操作，包括傳感器模塊信號的響應(yīng)、控制電機工作、啟停等。傳感器模塊有紅外傳感器，掃地機器人通過紅外傳感器檢測到障礙物時反饋給單片機的信號來控制下一步移動的方向。工作單元包括車輪電機、拖地電機、吸塵電機、抽水泵、紫外線消毒燈、風(fēng)扇。車輪電機采用有刷直流電機，作為小車的移動模塊。電源這邊我們選擇可充電的12伏18650鋰電池給掃地機器人供電。軟件部分為單片機的程序設(shè)計。總體框圖如圖1 所示。

圖1 整體框架圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 單片機

AT89C52 單片機是一塊功耗低、運行速度快的微控制器，它幾乎兼容80C51 所有型號的指令和引腳功能。它采用模塊化設(shè)計思想，通過擴展可配置寄存器單元（SDRAM），實現(xiàn)了各種功能；通過優(yōu)化I/O 接口電路結(jié)構(gòu)，降低功耗。配備8K 字節(jié)閃存存儲，RAM256 字節(jié)存儲空間、32 個I/0端口、定時器/計數(shù)器、外部中斷、UART 串口等外設(shè)。本文詳細(xì)介紹了AT89C52 硬件系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法，并給出相應(yīng)程序流程圖和設(shè)計流程講解。AT89C52 系列單片機是嵌入式控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種芯片，它具有體積小、功能強和靈活性好等特點。所以本設(shè)計中采用AT89C52 芯片作為主控芯片。使用主控單片機對各模塊進(jìn)行通信操作，包括傳感模塊信號的響應(yīng)、控制電機啟動、停止等。掃地機器人通過紅外傳感器檢測到有障礙物時給單片機反饋回去一個低電平，單片機控制相應(yīng)模塊進(jìn)行下一步的操作。主控電路圖如圖2 所示。

圖2 主控電路圖

2.2 按鍵模塊

掃地機器人有多種工作模式。本設(shè)計用到三個輕觸按鍵來控制掃地機器人的啟動、停止和模式切換，當(dāng)按下第一次按下第三個按鍵時就切換為第一種工作模式，第二次按下時切換為第二種工作模式，第三次按下第三個按鍵時切換為第三種工作模式，確定好模式后再按下啟動鍵，掃地機器人即可開始執(zhí)行對應(yīng)模式的工作。輕觸按鍵的一端接單片機I/O，另一端接地，每按下輕觸按鍵時都會反饋一個低電平給單片機，單片機收到反饋后，開始執(zhí)行對應(yīng)程序。若掃地機器人程序錯亂或者出現(xiàn)故障時按下停止鍵即可。按鍵電路圖如圖3 所示。

圖3 按鍵電路

2.3 紅外傳感電路

本設(shè)計采用紅外傳感器作為避障模塊，該模塊結(jié)構(gòu)操作簡單、性能穩(wěn)定、易上手，其避障原理為：紅外傳感器沒有探測到前方有障礙物，輸出端口一直保持，為高電平，如果這時傳感器指示燈為熄滅狀態(tài)時，說明探測到障礙物，輸出端口為低電平，如果傳感器指示燈亮了，表示沒探測到有障礙物，單片機根據(jù)紅外避障模塊返回的變量進(jìn)行對應(yīng)的避障操作。紅外避障模塊工作原理圖如圖4 所示。

圖4 紅外傳感電路原理

2.4 車輪電機驅(qū)動電路

本設(shè)計的電機驅(qū)動電路使用L298N 電機驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)，以及左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)，調(diào)速功能。IN1、IN2、IN3、IN4 用于控制電機正反轉(zhuǎn)，當(dāng)IN1、IN2 分別為0 和1 時，電機正轉(zhuǎn)，此時小車前進(jìn)，當(dāng)IN1、IN2 分別為1 和0 時，電機反轉(zhuǎn)，此時小車后退，IN3、IN4 同理。ENA、ENB 作 為 使 能 端，ENA 控 制IN1、IN2, ENB 控 制IN3、IN4,當(dāng)ENA 或ENB 為低電平時，對應(yīng)的控制端無效，此時電機不工作，處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)ENA或ENB為高電平時，此時IN1、IN2、IN3、IN4 的狀態(tài)才有效。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4 作為輸出接口，接到電機的兩個引腳端。電機驅(qū)動電路原理圖如圖5 所示。

圖5 車輪電機驅(qū)動電路

2.5 工作電機驅(qū)動電路

工作電機包括拖地電機以及吸塵電機，同樣采用L298N 驅(qū)動模塊來驅(qū)動，通過按鍵來切換兩個不同的工作方式，拖地電機安裝有拖布，工作時，電機正轉(zhuǎn)并且以高速運轉(zhuǎn)，來達(dá)到拖地的效果。吸塵電機安裝在一個吸塵筒上方，工作時，電機反轉(zhuǎn)且以高速運轉(zhuǎn)，來實現(xiàn)吸塵效果。

2.6 掃地風(fēng)扇工作電路

由于單片機I/O 引腳的電流很小，只有僅僅幾毫安的電流，不足以驅(qū)動一個5V 直流風(fēng)扇，需要外加一個NPN 三極管將電流放大后才能使其工作，三極管的基極連接到單片機I/O 口，集電極接5伏VCC，發(fā)射極接到直流風(fēng)扇的正極。為了掃地風(fēng)扇能夠完美的清潔地面，也采用PWM 調(diào)速的方式，將掃地風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速調(diào)制到最大，提高工作效率。掃地風(fēng)扇電路如圖6 所示。

圖6 掃地風(fēng)扇工作電路

2.7 抽水泵電路

除了干拖以外，掃地機器人還具備了濕拖裝置，通過一個繼電器模塊和抽水泵來實現(xiàn)，該繼電器模塊可選高低電平來觸發(fā)繼電器貼片吸合，繼電器模塊的輸入端：DC+、DC-、IN 分別接12 伏直流電、地、單片機I/O 口，IN 接口主要用于控制繼電器吸合。輸出端分別有NO、COM、NC。“NO”作為繼電器模塊的常開接口，“COM”作為繼電器模塊的公共端，“NC”作為繼電器模塊的常閉接口。通常情況下“NC”接口是處于閉合狀態(tài)的，“NO”在未得電的情況下處于斷開狀態(tài)，所以負(fù)載的一端要接到“NO”端，然后信號輸入端即“IN”端通過單片機程序輸送低電平，這時繼電器模塊“NC”端被斷開，繼電器模塊“NO”端口閉合，負(fù)載電路導(dǎo)通形成回路，抽水泵開始工作，當(dāng)“IN”端給高電平時，“NO”端斷開，抽水泵即停止工作。工作時，繼電器內(nèi)部貼片吸合，抽水泵開始從掃地機器人的水箱里抽水，沿著水管將水輸送到拖地電機的拖布上，同時拖地電機開始工作，實現(xiàn)了濕拖功能。抽水泵電路如圖7 所示。

圖7 抽水泵電路

2.8 紫外消毒模塊

該模塊由四個紫外LED燈并聯(lián)組成，通過按鍵模塊來切換至消毒模式。按下按鍵時，單片機I/O 口得到一個低電平，由于二極管具有單向?qū)щ娦裕藭r紫外LED燈被點亮，代表紫外消毒模塊正在工作，再次按下按鍵時，消毒燈熄滅。消毒模塊電路如圖8 所示。

圖8 紫外消毒模塊電路

3 軟件程序設(shè)計

3.1 單片機的程序設(shè)計

為了掃地機器人能夠正常運轉(zhuǎn)工作，需要設(shè)計出一個合理且有效的程序。在編寫程序時，我們需要考慮到，掃地機器人撞車、翻車、還有死機的問題。具體設(shè)計流程如圖9 所示。

圖9 程序流程設(shè)計

對該程序的設(shè)計思路如下，首先配置好單片機的定時器模式，對其進(jìn)行初始化，定時器主要用于PWM 的產(chǎn)生，作為電機的驅(qū)動程序。其次就是定義按鍵切換多種模式，每個模式對應(yīng)實現(xiàn)掃地、拖地、吸塵、消毒、濕拖功能，確定好模式，再按下啟動鍵后，掃地機器人才開始執(zhí)行工作。例如：切換模式一掃地功能，此時未按下啟動鍵，掃地機器人處于待機狀態(tài)，按下啟動鍵后，掃地風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，同時掃地機器人開始移動，執(zhí)行工作。執(zhí)行工作中又需要考慮到室內(nèi)物品繁多的情況，因此避障也是很重要的一個內(nèi)容，未檢測到障礙物時，掃地機器人以中間速度行駛，以保證工作時對地面的清潔程度。左側(cè)檢測到障礙物時，掃地機器人應(yīng)右轉(zhuǎn)躲避障礙物，減小右輪電機的PWM，增大左輪電機的PWM，實現(xiàn)右轉(zhuǎn)。右側(cè)檢測到障礙物時，增大右輪電機PWM，減小左輪電機PWM，實現(xiàn)左轉(zhuǎn)。前方檢測到障礙物，掃地機器人后退。

3.2 PWM 產(chǎn)生的方法

掃地機器人的電機PWM 調(diào)速主要通過定時器0 來產(chǎn)生，用戶設(shè)定一個比較值，定時器0 每隔100 微秒中斷一次，每中斷一次就自增一個中斷數(shù)值，用于跟設(shè)定的比較值做比較，當(dāng)中斷數(shù)小于用戶預(yù)先設(shè)置好的比較值時,輸出低電平,當(dāng)中斷數(shù)超過或者等于該比較值時,輸出高電平,同時中斷數(shù)自動清零,重復(fù)計算。調(diào)節(jié)電機速度只需更改用戶設(shè)定的比較值即可。

4 結(jié)語

本設(shè)計是基于STC89C52 單片機作為主控芯片的掃地機器人，能夠?qū)崿F(xiàn)掃地、干拖、濕拖、吸塵和消毒功能。較好地足了室內(nèi)清潔需求，該設(shè)計還有可優(yōu)化的空間，如改變地機器人的體積，減小電機的噪聲等，經(jīng)過優(yōu)化過后可以給用戶提供更好的使用體驗。