基于单片机的智能清洁机器人的设计

2020-08-13杜春明于桂君刘佳宁张思宇

科学技术创新 2020年23期

杜春明于桂君刘佳宁张思宇

（辽宁科技学院电信学院，辽宁本溪117004）

1 概述

伴随社会的逐渐发展，人们越来越追求更加舒适的居家生活，但繁重的日常清洁，又成为了人们非常困扰的问题。智能清洁机器人的出现无疑可以有效解决这个难题，逐渐地替代常规手动清扫工具[1]。智能清洁机器人是一个具有自动控制的家用清扫工具，较适合于家庭居住面积比较大的居家环境，可以有效的减少人们劳动清扫时间，提高清扫效率。本文将介绍一款基于AT89C52 单片机的清洁机器人的软硬件设计。

2 系统总体设计

本设计是基于AT89C52 单片机芯片作为核心，采用四节1.5V 的电池为系统供电。采用红外遥控装置，通过按键控制智能清洁机器人的各种转向。采用红外线传感器装于车的左右两端实现避障功能；采用红外对管，装于车底盘的两侧，实现黑线循迹功能。利用双直流减速电机进行驱动，并配有单个万向轮安装于后方中下端，方便进行任何方向的驱动。采用L298N 电机驱动芯片驱动直流电机，并运用PWM脉冲宽度调制技术对电机的转速进行控制。采用LED 数码管进行模式显示。清洁模块主要采用单个吸尘器电机进行路面清洁，通过吸尘器电机的风机叶轮旋转吸起尘土，经过吸口吸入带有过滤网的集尘盒内。系统总体框图如图1 所示。

图1 系统总体框图

3 系统硬件设计

3.1 单片机最小应用系统

AT89C52 单片机的最小系统，主要由时钟电路和复位电路组成。电容C11 和电阻R1 构成上电复位电路，电容C11 可滤除高频干扰，防止单片机误复位；添加按键构成手动复位电路。单片机复位需在RST 引脚输入至少持续两个机器周期（24 个振荡周期）以上的高电平[2]。EA 引脚接高电平。如图2 所示。

3.2 电源电路

采用四节1.5V 的电池作为整个系统的供电电源。因为各类传感器模块、AT89C52 单片机芯片和一位共阳极LED 数码管的工作电压为5V，L298N 电机驱动芯片的电机驱动控制的电源输入端VS 和吸尘器电机的工作电压为12V，所以输入电压VCC（6V）须要经过三端稳压集成电路7805 和7812 分别降压到5V和升压到12V 才能为整个系统供电。电路如图3 所示。

图3 电源电路设计图

3.3 避障电路

避障系统主要采用红外避障传感器模块。此模块具有一双红外线发射与接收管，当发射管发射出一定频率的红外线，探测到前方的阻碍时，红外线遇到阻碍会反射回来并被红外接收管接收，再经LM393 比较器处理之后，此时信号输出接口会持续输出一个低电平信号[3]。如图4 所示。

3.4 循迹电路

采用RPR220 反射型光电传感器模块，将传感器安装于模块的左右两侧。单个传感器主要由红外光电二极管和光电三极管组成，利用红外光探测，是一种红外反射式光电开关。

红外光线对黑、白的反射系数不同。当发射管在行驶过程中不断地向地面发射红外信号，红外光线照射到黑线会吸收（光电三极管截止），亦或照射到白线则反射（光电三极管导通），经过LM393 处理之后，分别输出相应信号（1 或者0），再经过74LS14 施密特触发器整形，输出结果，对路况进行随时校正[4]。

3.5 驱动与调速电路

驱动电路模块主要采用L298N 电机驱动芯片，使用时可以平稳有效的同时驱动双直流电机，能够控制双直流电机的正、反转，并进行速度控制，以此控制智能清洁机器人的转向及转速。如图5 所示。

图5 驱动与调速电路设计图

D1～D8 为八个1N4007 整流二极管，用于保护L298N 电机驱动芯片。依靠ENA、ENB 两个引脚（高电平有效），并采用PWM脉冲宽度调制技术进行速度控制。运用定频调宽的方法，通过改变一个周期内单片机的I/O 口输出高电平和低电平的时间，改变占空比，实现对智能清洁机器人的调速控制。

3.6 显示电路

采用一位共阳极LED 数码管进行循迹、避障、遥控三种模式的显示。RP1 为上拉电阻，其主要作用是对流入LED 数码管中的模糊信号，运用电路钳位于“1”，并且也能起到限流的作用。

3.7 清洁电路

清洁电路模块主要采用外部吸尘硬件，通过吸尘器电机中的风机叶轮旋转，使吸尘室与外界空间之间形成气压差，达到吸尘清洁的目的。整个清洁过程主要包括起尘，吸尘，滤尘，三部分。

4 系统软件设计

本次智能清洁机器人系统一共设计了循迹、避障和遥控模式三种运行模式。通过按键进行三种模式的相互切换，并在一位LED 数码管上显示对应的模式，显示“1”时，此时模式为循迹模式；显示“2”时，此时模式为避障模式；显示“3”时，此时模式为遥控模式，三种模式处于各自模式时，实现的功能相互独立。系统主程序流程图如图6 所示。