基于單片機(jī)的紅外避障小車設(shè)計★

楊欣茹，房開拓，謝蓮花，賴家恩

（宿遷學(xué)院機(jī)電工程學(xué)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(fā)展，更便于人們的智能家居順應(yīng)時代產(chǎn)生，智能家居是時代發(fā)展的產(chǎn)物，是住戶想享受優(yōu)質(zhì)的居住環(huán)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(jī)器人進(jìn)入了人們的日常生活，掃地機(jī)器人的研究和應(yīng)用也引起了人們的廣泛關(guān)注。同時從人們的需求上來講，掃地機(jī)器人作為家庭服務(wù)型機(jī)器人是目前市面上銷量持續(xù)受到人們歡迎的一款服務(wù)機(jī)器人，因而無論是從理論技術(shù)層面還是市場前景，掃地機(jī)器人都是一大研究熱點(diǎn)。故而我們團(tuán)隊利用掃地機(jī)器人的重點(diǎn)特性，制作了簡易型的機(jī)器人并進(jìn)行調(diào)試。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本智能掃地機(jī)器人控制系統(tǒng)硬件主要是以單片機(jī)STC89C52控制模塊，硬件部分主要是由電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外避障模塊、電源模塊、蜂鳴器、風(fēng)扇模塊和LED模塊組成，軟件設(shè)計部分通過主程序以及代碼的編寫實現(xiàn)避障。見圖1。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 掃地機(jī)器人的硬件設(shè)計

2.1 STC89C52單片機(jī)（見圖2）

圖2 STC89C52單片機(jī)圖

STC89C52單片機(jī)作為該避障小車的核心控制模塊，用于實現(xiàn)模擬信號的輸出和轉(zhuǎn)換。STC89C52單片機(jī)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(nèi)部有512B的RAM數(shù)據(jù)存儲器，具有8 k字節(jié)系統(tǒng)可編程Flash存儲器。本次設(shè)計中特地加入電容，主要是為了兩點(diǎn)：

一是為了使模擬信號和電壓的輸出更加穩(wěn)定。

二是能夠儲存能量，同時在直流的電路當(dāng)中電容一般都會進(jìn)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(fā)射電路和紅外接收電路組成。紅外探測法即運(yùn)用不同的物體發(fā)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(xiàn)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(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成電信號，通過單片機(jī)傳輸，采用高低電平，來實現(xiàn)檢測信號。見圖3。

圖3 紅外接收原理圖

2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊

電機(jī)驅(qū)動模塊主要通過單片機(jī)發(fā)送的PWM信號改變直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以此來控制掃地機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)起來的速度。本模塊采用L293D電機(jī)驅(qū)動模塊，是一款雙橋驅(qū)動芯片，可同時驅(qū)動2路直流電機(jī)，輸出電流可達(dá)600 mA[8]。L293D主要接受PWM信號，控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)和停止。以控制電機(jī)的一段為例，當(dāng)使能端EN1為1，輸入端IN1為0時，電機(jī)正轉(zhuǎn)；使能腳EN1為1，輸入端IN2為0時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。所以驅(qū)動模塊L293D驅(qū)動2臺直流電機(jī)，實現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)各個方向的移動。見圖4。

圖4 電機(jī)驅(qū)動模塊

2.4 風(fēng)扇驅(qū)動模塊

關(guān)于避障掃地機(jī)器人的設(shè)計中，我們利用風(fēng)扇來簡易代替清掃的功能。由于單片機(jī)無法直接驅(qū)動振動風(fēng)扇，故而選擇三極管來實現(xiàn)對風(fēng)扇的控制，電阻為限流電阻，起限流作用，以保護(hù)三極管。當(dāng)單片機(jī)的相關(guān)控制引腳為高電平時，三極管導(dǎo)通，風(fēng)扇正常工作；否則，風(fēng)扇不轉(zhuǎn)動，驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 風(fēng)扇、蜂鳴器原理圖

2.5 蜂鳴器驅(qū)動模塊

本次設(shè)計中還加入了蜂鳴器模塊，與風(fēng)扇驅(qū)動有著相同的地方，都通過三極管來實現(xiàn)模塊的運(yùn)作，蜂鳴器用來提示工作開始或完成，當(dāng)三級管接受高電平導(dǎo)通時，會發(fā)出“滴”的一聲，示意工作開始或完成。

2.6 LED模塊

市面上的機(jī)器人通常具有定時及清掃時間設(shè)定的模式，我們所設(shè)計的掃地機(jī)器人通過LED來設(shè)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(jī)傳輸高低電平，在LED驅(qū)動電源產(chǎn)生PWM驅(qū)動信號后，進(jìn)一步通過周期數(shù)值控制將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號，輸出與數(shù)字信號相符的電壓保護(hù)值和電流保護(hù)值[4]，具體見圖6、圖7。

圖6 LED系統(tǒng)設(shè)計圖

圖7 LED驅(qū)動模塊原理圖

3 軟件設(shè)計

3.1 路徑規(guī)劃軟件設(shè)計

開始，首先標(biāo)記開始位置，按下開關(guān)，小車開始行駛，當(dāng)右邊的紅外傳感器檢測到障礙物時，小車將進(jìn)行左轉(zhuǎn)，同理若紅外傳感器檢測到左側(cè)有障礙物時，小車進(jìn)行右轉(zhuǎn)，若兩側(cè)都檢測到障礙物時，小車停止或者前進(jìn)。關(guān)于軟件的流程圖如圖8所示。

圖8 軟件流程圖

4 調(diào)試

通過初步完成設(shè)計、安裝焊接，現(xiàn)進(jìn)行調(diào)試校準(zhǔn)工作以使檢測系統(tǒng)能夠正常進(jìn)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(jìn)或者后退功能。在小車的前進(jìn)與后退無失誤或問題后。在小車的左側(cè)放置障礙物，若小車右轉(zhuǎn)，則紅外探頭正常。若小車無法正常轉(zhuǎn)換，則開始逐步檢查相關(guān)的模塊。首先查看硬件模塊是否有問題，查看單片機(jī)的焊接是否有問題，如果將單片機(jī)最小系統(tǒng)焊接好調(diào)試無誤后，再逐一焊接其他模塊，依次編寫實現(xiàn)該模塊簡單功能的程序進(jìn)行調(diào)試，最后將所有調(diào)試無誤的硬件集成，由于硬件各模塊已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)基本功能，故后期軟件和硬件一起工作時，一般可歸結(jié)于軟件問題，則進(jìn)行軟件設(shè)計的調(diào)試，確保小車能夠正常運(yùn)行。

5 結(jié)語

本次設(shè)計的紅外避障掃地機(jī)器人根據(jù)軟件設(shè)計的路徑規(guī)劃算法控制小車的運(yùn)動軌跡，執(zhí)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(diào)試方案，在掃地機(jī)器人的電路的研究和控制流程的設(shè)計后，經(jīng)過調(diào)試，系統(tǒng)各部分的模塊的運(yùn)轉(zhuǎn)正常運(yùn)行。但是很顯眼本次的設(shè)計中掃地機(jī)器人的智能化程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足。但我相信隨著科技的不斷發(fā)展，時代的不斷前進(jìn)，智能掃地機(jī)的前景會更廣闊。

本次課題通過調(diào)試小車后發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)具有操作簡單、成本較低、安全可靠和精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)并且基本功能符合當(dāng)下智能家居生活的基本要求。同時選擇的單片機(jī)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(xù)要持續(xù)對其研究，增加其更多實用功能。通過本課題的設(shè)計，對單片機(jī)及傳感器的相關(guān)知識有了更全面、更深層次的理解，還掌握了直流驅(qū)動電路及PWM調(diào)速電路的原理。