西安石油大學(xué) 劉 麗

清華大學(xué)附屬中學(xué)秦漢學(xué)校 郭恒興

基于S T C 1 2單片機(jī)的智能除塵機(jī)器人設(shè)計(jì)

西安石油大學(xué) 劉 麗

清華大學(xué)附屬中學(xué)秦漢學(xué)校 郭恒興

本設(shè)計(jì)是基于STC12C5A60S2單片機(jī)的智能除塵機(jī)器人。該設(shè)計(jì)以STC12系列單片機(jī)為核心，利用多傳感器信息融合技術(shù)、電機(jī)控制技術(shù)以及吸塵技術(shù)實(shí)現(xiàn)智能機(jī)器人在指定區(qū)域的自動(dòng)吸塵功能。該設(shè)計(jì)由超聲測(cè)距模塊、GPS定位模塊、藍(lán)牙模塊、紅外模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)模塊、電源模塊、以及吸塵模塊等構(gòu)成。具有自動(dòng)循跡、避障、藍(lán)牙控制、GPS定位、顯示電量以及打掃等功能。實(shí)驗(yàn)證明，將智能機(jī)器人和除塵技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)的設(shè)計(jì)，成本低，簡(jiǎn)單易行。可以實(shí)現(xiàn)除塵機(jī)器人對(duì)房間指定區(qū)域的智能清掃。

超聲波測(cè)距；藍(lán)牙控制；紅外循跡；智能清掃

1 整體設(shè)計(jì)方案

本文采用以STC12C5A60S2單片機(jī)來(lái)作為核心來(lái)完成整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。單片機(jī)是機(jī)器人的控制核心，主要完成傳感器信號(hào)的采集、處理以及判斷功能。電機(jī)模塊包含電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及停止等功能。紅外傳感器來(lái)完成循跡功能。采用HC-SR04超聲測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的距離測(cè)量，防止機(jī)器人與障礙物碰撞。電源模塊提供電源，同時(shí)將點(diǎn)亮顯示在1602液晶屏幕上。定位模塊利用GPS定位系統(tǒng)，來(lái)幫助用戶(hù)實(shí)時(shí)掌握機(jī)器人的位置。藍(lán)牙模塊利用HC-05可以讓用戶(hù)操作機(jī)器人實(shí)時(shí)進(jìn)入指定區(qū)域完成作業(yè)。同時(shí)，單片機(jī)適時(shí)控制除塵模塊動(dòng)作，完成清掃功能。與傳統(tǒng)51單片機(jī)相比較，選擇STC12系列最大特點(diǎn)是處理速度是51的12倍左右，使小車(chē)在循跡時(shí)更加快速穩(wěn)定。

該設(shè)計(jì)由超聲測(cè)距模塊、GPS定位模塊、藍(lán)牙模塊、紅外模塊、液晶顯示模塊、電機(jī)模塊、電源模塊、以及吸塵模塊等構(gòu)成，整體框圖如圖1所示。

圖1 除塵機(jī)器人控制系統(tǒng)框圖

2 硬件核心部分研究

2.1 電源模塊

工作環(huán)境對(duì)清潔機(jī)器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機(jī)器人基本上都采用電池作為能源。作為機(jī)器人能源，要求電池能量密度高、自放電少、可靠性高。一次電池中，鋰電池正逐步走向?qū)嵱没?，是一種非常好的機(jī)器人能源。二次電池又叫蓄電池，有鉛酸電池、銀鋅電池、鎳鎘電池和鎳鋅電池等。鉛酸電池是一種比較好的機(jī)器人能源，電壓高、壽命長(zhǎng)、可高比率放電、價(jià)格低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、工藝成熟，但能量密度低。銀鋅電池是現(xiàn)有二次電池中輸出功率最大、能量最高的電池，自放電速度慢，機(jī)械強(qiáng)度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價(jià)格貴、充電時(shí)間長(zhǎng)、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎘電池和鎳鋅電池電壓低、價(jià)格貴，應(yīng)用較少。燃料電池體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、效率高、無(wú)污染，是一種非常好的清潔機(jī)器人用電源，但目前還處于研究開(kāi)發(fā)階段。最終，選擇鉛酸蓄電池來(lái)作為智能除塵機(jī)器人的電源。

圖2 電機(jī)接口電路圖

2.2 電機(jī)模塊

除塵機(jī)器人采用的驅(qū)動(dòng)模塊是ST公司的L298N芯片，采用SMT工藝，穩(wěn)定性高?？梢灾苯域?qū)動(dòng)兩路3-16V直流電機(jī)，支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流電機(jī)速度和方向，也可以控制2相步進(jìn)電機(jī)，5線(xiàn)4相步進(jìn)電機(jī)。電機(jī)接口圖如圖2所示。

電機(jī)控制的測(cè)試流程是先讓電機(jī)正轉(zhuǎn)，接著超聲波傳感器探測(cè)與障礙物的距離，并且進(jìn)行左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)。

2.3 超聲波測(cè)距模塊

超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。超聲波具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小。其測(cè)距原理是通過(guò)超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時(shí)刻的同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí),超聲波在空氣中傳播時(shí)碰到障礙物就立即返回來(lái),超聲波接收器收到反射波就立即停止計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據(jù)計(jì)時(shí)器記錄的測(cè)出發(fā)射和接收回波的時(shí)間差△t,就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離S，即：

這就是所謂的時(shí)間差測(cè)距法。超聲測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與障礙物之間的距離測(cè)量，防止機(jī)器人與障礙物碰撞。本設(shè)計(jì)采用的HC-SR04+是一款寬電壓工作的超聲波測(cè)距模塊。低至3V的最低工作電壓，使其與3.3V供電的MCU可以直接連接。該超聲波傳感器有四個(gè)接口，其中VCC和GND是接有電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊引出來(lái)的電源和地。Trig是控制口端，也就是單片機(jī)發(fā)送信號(hào)的地方，接單片機(jī)的I/O口。Echo是接收口端，單片機(jī)給控制口發(fā)一個(gè)10US以上的高電平觸發(fā)信號(hào)TTL，模塊內(nèi)部就自動(dòng)發(fā)出一串8個(gè)40KHZ的周期電平并檢測(cè)回波。超聲波內(nèi)部是有回響信號(hào)的，一旦接收口發(fā)送出8個(gè)40KHZ的周期電平，則Echo接收口端馬上產(chǎn)生高電平。接收到信號(hào)時(shí)馬上又變?yōu)榈碗娖?，所以用單片機(jī)來(lái)測(cè)量接收端口輸出的這個(gè)高電平的時(shí)間，就可以算出距離?？梢栽诮邮湛诘却唠娖捷敵?。一有輸出就可以開(kāi)定時(shí)器計(jì)時(shí),當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r(shí)就可以讀定時(shí)器的值t,則距離為。如此不斷的周期測(cè)，就可以測(cè)量機(jī)器人移動(dòng)的值。

圖3 超聲波時(shí)序圖

2.4 紅外模塊

紅外線(xiàn)傳感器是利用紅外線(xiàn)的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線(xiàn)具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線(xiàn)。紅外線(xiàn)傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。紅外傳感器實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人循跡的功能。該模塊對(duì)環(huán)境光線(xiàn)適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線(xiàn)發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線(xiàn)，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線(xiàn)反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過(guò)比較器電路處理之后，綠色指示燈會(huì)亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過(guò)電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V。使用紅外線(xiàn)發(fā)射接收管等分離元器件組成探頭，并使用LM339電壓比較器（加入遲滯電路），防止臨界輸出抖動(dòng)作為核心器件構(gòu)成中控電路。

2.5 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計(jì)通過(guò)運(yùn)用HC-05藍(lán)牙模塊，先用電腦藍(lán)牙連接其模塊，通過(guò)串口調(diào)試助手 ，運(yùn)用AT指令來(lái)設(shè)置相應(yīng)的波特率，用戶(hù)名，密碼和其他相應(yīng)的指令。然后連接單片機(jī)RX 、TX運(yùn)用異步串行通訊經(jīng)過(guò)串口中斷來(lái)發(fā)送命令，控制小車(chē)的前后左右運(yùn)行。

2.6 除塵模塊

本設(shè)計(jì)的清掃電機(jī)為個(gè)人電腦所用的CPU散熱器。風(fēng)扇通過(guò)與l293d驅(qū)動(dòng)電路相連增大了風(fēng)扇的電流，使風(fēng)扇能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)，達(dá)到它的額定功率，打開(kāi)電源后，在小車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，該風(fēng)扇持續(xù)運(yùn)行以實(shí)現(xiàn)清除灰塵的目的。

3 行走路線(xiàn)研究

3.1 柵格法

柵格法是一種模擬螞蟻覓食行為的仿生算法。該算法簡(jiǎn)單、快速、高效，即使在復(fù)雜的地形環(huán)境中也可迅速規(guī)劃出優(yōu)化路徑,特別適于復(fù)雜地形環(huán)境下的機(jī)器人路徑規(guī)劃，并且能在機(jī)器人實(shí)時(shí)改變目標(biāo)位置的情況下，迅速做出新路徑的實(shí)時(shí)規(guī)劃。該算法對(duì)場(chǎng)景進(jìn)行建模，模擬螞蟻的覓食行為，由多只螞蟻協(xié)作完成最優(yōu)路徑的搜索。搜索過(guò)程采用了概率搜索策略、最近鄰居策略和目標(biāo)導(dǎo)引函數(shù)，使得搜索過(guò)程極為迅速高效。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,即使在障礙物非常復(fù)雜的地理環(huán)境，用本算法也能迅速規(guī)劃出最優(yōu)路徑,且能進(jìn)行實(shí)時(shí)規(guī)劃，效果令人滿(mǎn)意。

3.2 遺傳算法

遺傳算法是一種多點(diǎn)搜索算法，其整體搜索策略和優(yōu)化計(jì)算不依賴(lài)于梯度信息，且作為并行算法適用于全局搜索。國(guó)內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了離散空間下移動(dòng)機(jī)器人路徑規(guī)劃新方法。在該方法中，提出了間斷無(wú)障礙路徑概念，引入插入和刪除算子，方便了遺傳算子的實(shí)現(xiàn),保證了路徑的連續(xù)和可行性。但該路徑規(guī)劃是基于確定環(huán)境模型的,所以有其局限性。

3.3 直接法

在假設(shè)清除的地面是規(guī)則的情況下，利用人工編程控制的手法，實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)整個(gè)房間范圍內(nèi)的清除，具體可讓小車(chē)進(jìn)行路徑規(guī)劃以及藍(lán)牙控制進(jìn)行除塵。方法比較簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。

綜上所述，本設(shè)計(jì)選擇直接法。

4 總結(jié)

在學(xué)習(xí)制作智能移動(dòng)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，加以除塵裝置，并對(duì)機(jī)器人路線(xiàn)行走方案進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)除塵機(jī)器人對(duì)房間指定區(qū)域的智能清掃。但是除塵機(jī)器人的除塵裝置有待改進(jìn)。

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劉麗（1976-），女，碩士，講師，主要研究方向：信號(hào)與信息處理。

郭恒興（2001-），男，清華大學(xué)附屬中學(xué)秦漢學(xué)校學(xué)生，成績(jī)優(yōu)異。在努力學(xué)好基礎(chǔ)知識(shí)的同時(shí)，熱愛(ài)動(dòng)手實(shí)踐，喜歡探索新的事物。