基于STC89c52电脑鼠的设计与实现

2018-02-03周杰

电脑知识与技术 2018年2期

周杰

摘要：采用 STC89c52作為电脑鼠的控制核心，红外发射LED和红外一体化接收头HS0038构成传感器模块完成迷宫路径扫描，单片机控制左右334线AB相伺服电机实现电脑鼠，前进一格，后退一格，左转90°，右转90°的动作，根据设置的迷宫出口坐标，能够完成对整个迷宫的搜索，并找到最佳行走路径。

关键词：STC89c52；传感器；电机；迷宫

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）02-0138-03

1 概述

电脑鼠[1-2]是一种机电一体化装置，是由单片机、传感器、机电运动部件组成的一种能在迷宫行走的小型机器人。本文设计和完成了一种基于STC89c52简易电脑鼠，电脑鼠可以在不同大小的迷宫[3][4]中自动记忆和选择路径，完成前进一格，后退一格，左转90°，右转90°的动作，并可以采用相应的算法，快速完成对整个迷宫路径的搜索，进而找到最佳的走出迷宫的路线。

2 硬件设计

电脑鼠是指由车体、轮子、和驱动软件构成。车体是由STC89c52（相当于人体的大脑部分）、传感器模块（完成迷宫障碍物的扫描）、电机模块（完成相应的机械动作）和定时计数器模块（完成电脑鼠的动作修正），组成的一个综合的系统。

电脑鼠的基本构成如图1所示：

2.1 电源模块

STC89c52单片机的工作电压为3.3v-5.5v，故可以采用电脑鼠采用单节锂离子电池供电。

TP4054是一款完整的单节锂离子电池充电器，TP4054可以适用于USB电源，如图所示当充电完成，输入电压USB电源被拿掉时，可以自动进入低电流状态。CHNG漏极开路状态输出，BAT充电电流输出。

电脑鼠的电源模块电路如图2所示：

2.2 电机模块

STC89c52的I/O口电流输出能力有限，需要将单片机I/O口弱电流放大到足以驱动电机的电流。通过L9110电机驱动芯片，驱动左右两个334线AB相伺服电机，通过L9110驱动芯片上IA、IB输入的逻辑值的组合，可以控制AB相伺服电机停止，正转和反转。

P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口是单片机的输出口，Left motor1、Left motor2、Right motor1、Right motor2是左右两个电机驱动电路控制引脚，Left motor和Right motor 3脚是电机光电码盘A相脉冲输出，连接到单片机的定时/计数器外部计数引脚，通过脉冲计数，可以完成电脑鼠左转90°，右转90°等操作。

电脑鼠电机模块电路如图3所示：

2.3 传感器组设计

电脑鼠设计有5组传感器。这5组传感器分别安装于电脑鼠的右前、右、左、左前、前、5个不同的方向。采用74HC138译码器将单片机的3位二进制编码译码为8位控制线，采用分时检测传感器，使单片机能够控制5组传感器的工作。

传感器电路由红外发射LED和红外一体化接收头HS0038构成，红外LED由载波发生器产生的CLOCK信号驱动产生38KHz红外调制光。RP1为可调电阻，通过调节RP1来调节红外LED发光强度，从而调整传感器组检测迷宫墙障碍物的距离。Sensor1用于控制该组传感器是否工作，连接到3-8译码选择电路。红外调制光经障碍物反射由HS0038红外一体化接收头接收，进行放大滤波、解调等处理后输出，单片机通过识别P2.5口的电平高低来判断传感器前面是否有障碍物。

单片机传感器模块电路如图4所示：

3 软件设计

3.1 构建迷宫

按照IEEE要求，迷宫大小为16*16的单元格组成，单元格格大小为18*18cm，电脑鼠PCB底盘大小为迷宫格一半8*8cm左右，现在模拟现场环境，将迷宫设置为8*8，单元格如图5所示，起点坐标为（1，1），终点坐标为（8，8）。

3.2 电脑鼠软件设计

电脑鼠是一个小型智能行走装置，保证其可靠性取决于硬件和软件设计，在电脑鼠的软件设计可以分为两个部分：走迷宫算法部分和底层驱动部分。

3.2.1 搜索迷宫算法程序

假设我们将电脑鼠放在起点坐标（1，1），按下启动键，然后根据设定的终点坐标（8，8），通过到达终点服务程序找到终点，如果到达终点，蜂鸣器发出尖锐的报警声，表明找到了终点坐标。搜索迷宫算法的主流程图如图6所示。

在主程序运行过程中，要调用中断服务程序，即到达终点中断服务程序如图7所示，由于电脑鼠自身没有思维能力，只能根据程序规则运行，电脑鼠到达终点服务程序，就是根据设定的终点坐标，采用一定的规则进行迷宫的搜索。常用的搜索法则有：

1）右手规则：当电脑鼠走到迷宫的某一单元格时，电脑鼠的传感器开始工作，电脑鼠扫描迷宫格挡板信息，优先检测右方迷宫格是否可行，其次前方，最后才是左方。

2）左手规则：左手法则与右手法则类似，当电脑鼠走到迷宫的某一单元格时，电脑鼠的传感器开始工作，电脑鼠扫描迷宫格挡板信息，优先检测左方方迷宫格是否可行，其次前方，最后才是右方。

3）中右规则：优先检测前方迷宫格是否可行，其次右方，最后才是左方。

4）中左规则：优先检测前方迷宫格是否可行，其次左方，最后才是右方。

5）向心法则[7]：是右手法则，左手法则，中右规则，中左规则的结合，尽可能的朝着距离终点最近的方向前进。

本文采用向心手法则进行迷宫搜索。如图7所示：电脑鼠根据向心法则[7]扫描坐标进行前进，当到达下一个迷宫格时，用当前迷宫格的坐标与终点坐标进行比较，如果是终点，就发出报警声，如果不是就继续查找，判断当前坐标是否走过，如果走过则返回上一个分叉路口，如果没有走过则采用向心法则搜索路径，直到找到终点坐标为止[1][6]记录下行走路径，就找到了，迷宫的最短路径。

3.2.2 底层驱动程序

底层驱动程序主要完成，电脑鼠的基本操作：左转90°，右转90°。当电脑鼠需要转弯时，停在当前坐标，做原地90°旋转，然后前进。如果是左转，Left Motor反转，Right Motor正转。如果是右转，Left Motor正转，Right Motor反转。

对于挡板信息的获取，调用5路传感器，扫描单元格前左右信息，如果有挡板，则该方向返回1，如果没有挡板返回0。

如图9所示，当电脑鼠到达某一点时，应该处于该单元格的中心，它距离挡板的距离允许在S±2cm，如果扫描到的距离大于该范围，则认为有挡板返回1。当电脑鼠在行进过程中还可以通过S±2cm对电脑鼠进行姿态纠正。

4 结束语

本文给出了基于STC89c52电脑鼠的硬件设计方案以及软件设计思路，电源模块、电机模块、传感器模块、硬件稳定设计简单，且价格低廉。由于采用了模块化设计思想，具有思路可移植性，可扩展性强等特点。

参考文献：

[1] 齐英鑫.基于80C51 单片机的智能电动小车[J].科技信息，2008（31）：36-37.

[2] 周立功.IEEE电脑鼠开发指南[M].广州：广州致远电子有限公司，2008.

[3] 方金亮.基于 ARM 的IEEE 标准电脑鼠研究与实现[J].机械制造与自动化，2008（5）：99-101.

[4] 周立功.Cortex-M3 开发指南[ M] .广州：广州致远电子有限公司，2008.

[5] 方建军，何广平.智能机器人[ M] .北京：化学工业出版社，2004.