摘 要：

給出了一種智能化清掃機器人的總體設(shè)計方案，機器人的控制電路以STC89C52單片機為控制核心，使用V2.0版本的測距傳感器探測機器人與周圍障礙的距離，選用DL-23MDC型步進電機控制機器人的運動方向。該機器人的驅(qū)動電機選用額定電壓為直流24V、額定功率為200W的直流電動機，使用功率為500W的吸塵裝置進行清掃工作。

關(guān)鍵詞：

STC89C52單片機；V2.0版本的測距傳感器；DL-23MDC型步進電機；吸塵裝置

中圖分類號：TB

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：16723198（2015）16020602

1 引言

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代人生活節(jié)奏日益加快，這就使得很多人的工作壓力越來越大，以至于平時幾乎沒有時間精力來操勞家務(wù)。因此越來越多的人希望從繁瑣的家務(wù)勞動中解脫出來，從而可以全身心地投入到工作中去。而本項目所研發(fā)的智能化清掃機器人恰恰可以解決人們的這一難題。

本文首先介紹了智能化清掃機器人的驅(qū)動方式，然后介紹了機器人對周圍障礙的檢測方式和運動方向的改變方法。最后簡要敘述了機器人的清掃方式和軟件系統(tǒng)。機器人的控制電路選用STC89C52單片機作為核心控制芯片。機器人的控制電路具有控制精度高、實現(xiàn)簡單靈活等優(yōu)點。

2 智能化清掃機器人的驅(qū)動方式

本項目所研發(fā)的智能化清掃機器人采用額定電壓為24V，額定功率為200W的直流電動機進行驅(qū)動。該驅(qū)動電機使用24V，13A的直流電源進行供電。機器人共安裝有三個車輪，兩個后輪為驅(qū)動車輪。具體的驅(qū)動方式為：驅(qū)動電機轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時通過齒輪傳動的方式將能量傳遞給機器人的兩個后輪，使得機器人的兩個后輪能夠以穩(wěn)定的速度運轉(zhuǎn)，確保機器人的基本運行狀態(tài)。

機器人的控制電路采用型號為TRA1 L-05VDC-S-Z的單刀雙擲型繼電器控制驅(qū)動電機的電源通斷狀態(tài)，這種型號的繼電器線圈額定電壓為直流5V，驅(qū)動電路如圖1所示。該驅(qū)動電路工作原理為：選用單片機的P3.3管腳控制圖中三極管Q3的基極，若該管腳為基極送入低電平，三極管截止，連接在三極管集電極和電源VCC之間的繼電器線圈無電流流過，繼電器觸點不動作，驅(qū)動電機的供電回路斷開；當(dāng)P3.3管腳為基極送入高電平時則三極管處在飽和導(dǎo)通狀態(tài)，此時將會有電流流過繼電器線圈，從而使繼電器觸點動作保證驅(qū)動電機供電回路導(dǎo)通。

圖1 繼電器驅(qū)動電路

機器人運動方向由驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)方向決定，而驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)方向則是由機器人控制電路中型號為942H-2C-24DS的雙刀雙擲型繼電器觸點狀態(tài)決定。由于這種型號的繼電器線圈額定電壓為直流24V，因此必須采用2003芯片來構(gòu)造繼電器的驅(qū)動電路（如圖1所示）。驅(qū)動電路的工作原理為：選取單片機的P3.2管腳控制2003芯片的1D管腳，當(dāng)P3.2管腳為該管腳送入高電平時，2003芯片的1Q管腳輸出低電平，此時繼電器線圈兩端電壓為直流24V，繼電器觸點動作；若P3.2管腳送出低電平，2003芯片的1Q管腳輸出24V電壓，繼電器線圈兩端電壓為0V，觸點不動作。繼電器的兩個靜觸點分別與直流電動機轉(zhuǎn)子的兩個接線端相連，由驅(qū)動電路連接方式可以看出，繼電器觸點狀態(tài)直接決定了驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子電流方向，從而決定了驅(qū)動電機的旋轉(zhuǎn)方向。

3 智能化清掃機器人的障礙檢測原理

智能化清掃機器人采用四個V2.0版本的測距傳感器分別檢測機器人在前后左右四個不同方向上與障礙物的距離，四個傳感器分別由STC89C52單片機P1接口的P1.1～P1.3四個管腳進行控制。這種測距傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 測距傳感器硬件結(jié)構(gòu)框圖

在機器人的運行過程中，由STC89C52單片機P1接口的P1.1～P1.3四個管腳通過一系列信號調(diào)理電

路分別為4個測距傳感器發(fā)送頻率為45kHz（理論頻率為40kHz）的方波脈沖，該方波通過定時器中斷方式或者軟件延時方式獲得。由于機器人的相關(guān)控制軟件中要多次用到定時器，故采用軟件延時的方式得到相應(yīng)的方波。測距傳感器的超聲波諧振頻率調(diào)理電路在方波脈沖的作用下會產(chǎn)生諧振，諧振的同時又會通過其發(fā)射探頭發(fā)射出一系列超聲波。若該超聲波遇到障礙物就會被反射回來，如果傳感器工作正常，反射回來的超聲波就能夠被測距傳感器的超聲波接收探頭接收到，從而使傳感器再次發(fā)生諧振。諧振效果通過傳感器的超聲波回波接收處理電路傳送給STC89C52單片機的外中斷管腳，然后通過執(zhí)行中斷服務(wù)程序中的相關(guān)計算軟件即可得到機器人與不同方位上的障礙物之間的距離，從而決定機器人下一步的運行方式。

4 智能化清掃機器人的轉(zhuǎn)彎方式

智能化清掃機器人的運動方向由機器人的前輪決定，而前輪狀態(tài)完全由型號為DL-23MDC的步進電機控制，該步進電機的驅(qū)動器面板如圖3所示。步進電機固定在前輪的側(cè)上方，其轉(zhuǎn)軸控制的齒輪與控制前輪的齒輪相互嚙合在一起，當(dāng)轉(zhuǎn)軸向某一方向轉(zhuǎn)過一定角度時，便可帶動前輪向相反方向轉(zhuǎn)過相同的角度。

步進電機可將輸入的電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移或線位移，而步進電機轉(zhuǎn)速由電脈沖信號的頻率決定?？刂茩C器人前輪狀態(tài)的步進電機所需要的電脈沖信號由STC89C52單片機的P2.0管腳通過執(zhí)行相關(guān)軟件產(chǎn)生。

圖3 步進電機驅(qū)動器面板

在智能化清掃機器人的硬件設(shè)計中，單片機的P2.0和P2.1兩個I/O管腳分別通過2003芯片與步進電機驅(qū)動器面板上標(biāo)號為CP-/CW-與U/D-/CCW-的兩個接頭相連。CP+與CP-分別表示在單脈沖工作模式下

脈沖的正負輸入端；U/D+與U/D-含義分別為在單脈沖工作模式下方向電平的正負輸入端。P2.0管腳負責(zé)為步進電機提供頻率穩(wěn)定的電脈沖信號。步進電機工作正常與否關(guān)鍵就在于對其發(fā)送的電脈沖信號頻率是否恰當(dāng)，雖然作用于步進電機的電脈沖信號頻率有一個最理想的理論數(shù)值，但是由于各種因素的影響，理論上的電脈沖信號頻率值有時并不合適。在機器人的調(diào)試過程中經(jīng)過多次實踐證明：只有當(dāng)電脈沖信號頻率為30.6Hz時，步進電機的性能才能達到最佳。P2.1管腳負責(zé)控制步進電機的轉(zhuǎn)向，若該管腳輸出高電平，步進電機右轉(zhuǎn)，送低電平時步進電機轉(zhuǎn)動方向為向左。

由于在機器人的整個運行過程中步進電機的工作方式始終為單脈沖模式，而其他標(biāo)號均為與雙脈沖工作模式相關(guān)的標(biāo)號，和機器人的整個工作過程無關(guān)，故不再贅述。

5 智能化清掃機器人的清掃系統(tǒng)

智能化清掃機器人裝備有一套完整的吸塵裝置，可以吸收粉塵、紙屑、煙蒂、絨毛等各種常見家庭垃圾。該吸塵裝置的控制電機額定電壓為直流24V，額定功率為500W，采用24V、20A的直流電源進行供電。機器人吸塵裝置的電源通斷控制電路與驅(qū)動電機的電源通斷控制電路控制原理完全相同，不再贅述。

6 智能化清掃機器人的軟件系統(tǒng)

控制該機器人完成整個工作過程的軟件系統(tǒng)具備以下功能：機器人周圍障礙物的檢測、機器人工作方式的選擇、機器人運動狀態(tài)的確定、機器人清掃功能的啟動。

7 結(jié)束語

智能化清掃機器人使用額定電壓為直流24V，額定功率為200W的直流電動機作為驅(qū)動電機，采用V20版本的測距傳感器進行距離檢測，使用DL-23MDC型步進電機控制運動方向，使用功率為500W的吸塵裝置完成清掃工作。在下一步的研發(fā)工作中還需要使機器人具備以下功能：可使用遙控設(shè)備選擇機器人的工作方式；能夠?qū)M行自動處理。