基于STC52 單片機(jī)的智能掃地機(jī)器人設(shè)計(jì)

梁誠，梁長成，藍(lán)國財(cái)，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(shí)代科技水平的迅速發(fā)展,越來越多的服務(wù)型智能機(jī)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(jī)器人作為時(shí)代的一款新型服務(wù)型智能機(jī)器人,能夠獨(dú)立完成室內(nèi)各類的清掃工作。同時(shí)掃地機(jī)器人正在進(jìn)行著快速的變革,由原來單純機(jī)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(jī)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(jī)器人總體框架

掃地機(jī)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(gè)模塊組成，即：主控STC89C52 單片機(jī)、傳感器模塊、工作單元、電源。主控采用STC89C52 單片機(jī)，使用該主控單片機(jī)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(jī)工作、啟停等。傳感器模塊有紅外傳感器，掃地機(jī)器人通過紅外傳感器檢測到障礙物時(shí)反饋給單片機(jī)的信號來控制下一步移動的方向。工作單元包括車輪電機(jī)、拖地電機(jī)、吸塵電機(jī)、抽水泵、紫外線消毒燈、風(fēng)扇。車輪電機(jī)采用有刷直流電機(jī)，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(jī)器人供電。軟件部分為單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)?？傮w框圖如圖1 所示。

圖1 整體框架圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)

AT89C52 單片機(jī)是一塊功耗低、運(yùn)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(jì)思想，通過擴(kuò)展可配置寄存器單元（SDRAM），實(shí)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(gè)I/0端口、定時(shí)器/計(jì)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(jì)與實(shí)現(xiàn)方法，并給出相應(yīng)程序流程圖和設(shè)計(jì)流程講解。AT89C52 系列單片機(jī)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(qiáng)和靈活性好等特點(diǎn)。所以本設(shè)計(jì)中采用AT89C52 芯片作為主控芯片。使用主控單片機(jī)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(jī)啟動、停止等。掃地機(jī)器人通過紅外傳感器檢測到有障礙物時(shí)給單片機(jī)反饋回去一個(gè)低電平，單片機(jī)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(jī)器人有多種工作模式。本設(shè)計(jì)用到三個(gè)輕觸按鍵來控制掃地機(jī)器人的啟動、停止和模式切換，當(dāng)按下第一次按下第三個(gè)按鍵時(shí)就切換為第一種工作模式，第二次按下時(shí)切換為第二種工作模式，第三次按下第三個(gè)按鍵時(shí)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(jī)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(jī)I/O，另一端接地，每按下輕觸按鍵時(shí)都會反饋一個(gè)低電平給單片機(jī)，單片機(jī)收到反饋后，開始執(zhí)行對應(yīng)程序。若掃地機(jī)器人程序錯(cuò)亂或者出現(xiàn)故障時(shí)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(jì)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(shí)傳感器指示燈為熄滅狀態(tài)時(shí)，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(jī)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(jī)驅(qū)動電路

本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動電路使用L298N 電機(jī)驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機(jī)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(jī)正反轉(zhuǎn)，當(dāng)IN1、IN2 分別為0 和1 時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，此時(shí)小車前進(jìn)，當(dāng)IN1、IN2 分別為1 和0 時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，此時(shí)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(shí)，對應(yīng)的控制端無效，此時(shí)電機(jī)不工作，處于停止?fàn)顟B(tài)。當(dāng)ENA或ENB為高電平時(shí)，此時(shí)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(jī)的兩個(gè)引腳端。電機(jī)驅(qū)動電路原理圖如圖5 所示。

圖5 車輪電機(jī)驅(qū)動電路

2.5 工作電機(jī)驅(qū)動電路

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

2.6 掃地風(fēng)扇工作電路

由于單片機(jī)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(gè)5V 直流風(fēng)扇，需要外加一個(gè)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(jī)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(jī)器人還具備了濕拖裝置，通過一個(gè)繼電器模塊和抽水泵來實(shí)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(jī)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?！癗O”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(jī)程序輸送低電平，這時(shí)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(shí)，“NO”端斷開，抽水泵即停止工作。工作時(shí)，繼電器內(nèi)部貼片吸合，抽水泵開始從掃地機(jī)器人的水箱里抽水，沿著水管將水輸送到拖地電機(jī)的拖布上，同時(shí)拖地電機(jī)開始工作，實(shí)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(gè)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(shí)，單片機(jī)I/O 口得到一個(gè)低電平，由于二極管具有單向?qū)щ娦?，此時(shí)紫外LED燈被點(diǎn)亮，代表紫外消毒模塊正在工作，再次按下按鍵時(shí)，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(jì)

3.1 單片機(jī)的程序設(shè)計(jì)

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

圖9 程序流程設(shè)計(jì)

對該程序的設(shè)計(jì)思路如下，首先配置好單片機(jī)的定時(shí)器模式，對其進(jìn)行初始化，定時(shí)器主要用于PWM 的產(chǎn)生，作為電機(jī)的驅(qū)動程序。其次就是定義按鍵切換多種模式，每個(gè)模式對應(yīng)實(shí)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(jī)器人才開始執(zhí)行工作。例如：切換模式一掃地功能，此時(shí)未按下啟動鍵，掃地機(jī)器人處于待機(jī)狀態(tài)，按下啟動鍵后，掃地風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動，同時(shí)掃地機(jī)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(gè)內(nèi)容，未檢測到障礙物時(shí)，掃地機(jī)器人以中間速度行駛，以保證工作時(shí)對地面的清潔程度。左側(cè)檢測到障礙物時(shí)，掃地機(jī)器人應(yīng)右轉(zhuǎn)躲避障礙物，減小右輪電機(jī)的PWM，增大左輪電機(jī)的PWM，實(shí)現(xiàn)右轉(zhuǎn)。右側(cè)檢測到障礙物時(shí)，增大右輪電機(jī)PWM，減小左輪電機(jī)PWM，實(shí)現(xiàn)左轉(zhuǎn)。前方檢測到障礙物，掃地機(jī)器人后退。

3.2 PWM 產(chǎn)生的方法

掃地機(jī)器人的電機(jī)PWM 調(diào)速主要通過定時(shí)器0 來產(chǎn)生，用戶設(shè)定一個(gè)比較值，定時(shí)器0 每隔100 微秒中斷一次，每中斷一次就自增一個(gè)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(shí),輸出低電平,當(dāng)中斷數(shù)超過或者等于該比較值時(shí),輸出高電平,同時(shí)中斷數(shù)自動清零,重復(fù)計(jì)算。調(diào)節(jié)電機(jī)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(jì)是基于STC89C52 單片機(jī)作為主控芯片的掃地機(jī)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(jì)還有可優(yōu)化的空間，如改變地機(jī)器人的體積，減小電機(jī)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(yàn)。