基于单片机控制的清扫机器人的设计

2022-08-29王自凯刘立群李爱民易多轩徐小韦

物联网技术 2022年8期

王自凯，刘立群，李爱民，易多轩，徐小韦

（甘肃农业大学信息科学技术学院，甘肃兰州 730070）

0 引言

进入21世纪以来，随着计算机技术、微电子技术和传感器技术的发展，人们在能实现控制模式的传统机器中添加了处理器，清扫机器人就是其中之一。然而，无论是在国内还是国外，清洁机器人的价格都偏高。因此，本课题研究设计了一种智能清洗机器人，该机器人能够进行清洗和避免污染等操作。本项目设计成本较低，人为干扰少，实用性强，可靠性高，有广阔的发展前景。

1 系统硬件设计

本次设计的智能清扫机器人硬件部分以STC89C52单片机为核心，借助红外避障模块检测外部情况，由风扇驱动模拟清扫过程，按键电路作为启动部分，电机驱动为装置提供动力，还包括麦克姆轮等其他部分。系统硬件设计如图1所示。

图1 系统硬件设计

1.1 按键电路设计

此次设计的启动部分采用按键方式。按下按键后，电路接通至高电平，开关接通；松开按键，电路接通至低电平，开关断开。在本次设计中，按键作为系统的启动部分，能够将智能清扫小车与人连接起来，实现对系统的手动输入。该方式操作简单，使用便捷，符合本次设计的需要。按键电路原理如图2所示。

图2 按键电路设计

1.2 BD681风扇驱动电路设计

在清洗方面，风机正常工作需要通过系统内部的能量转换实现。首先，电能转化为电磁能，之后再转化为机械能，最后转化为动能。由于单片机无法直接控制风扇的发动机，因此我们选择用大功率三极管进行控制。由于三极管能承受的电流有限，FIM可以防止三极管损坏，故使用限流电阻来限制三极管中的电流。在连接关键电路时，三极管连接高电平，风扇驱动电路响应，风扇开始旋转。电路断开后，三极管连接至低电平，风扇停止转动。风扇控制电路如图3所示。

图3 风扇控制电路

1.3 红外避障传感器模块电路设计

红外障碍物防护传感器选择E18-D80NK-N，它既能发射光束也能接收光束。当传感器发出红外光时，遇到物体红外光会被反射回来，反射的光束被传感器接收。检测到反射光后，传感器将自动计算物体距离。传感器还可以避免可见光的干扰。传感器利用透镜大大增加了传感器的检测距离，80 cm范围内的物体基本都能被检测到。除此之外，该传感器还具有价格更低廉、装配更容易、使用更便捷等特点，符合此次设计的要求。由于光速远比超声波传播速度快，所以红外线测距在与超声波测距的对比中优势明显，其传播和反射时间更短，能更快地预警。红外避障传感器模块原理如图4所示。

图4 红外避障传感器模块原理

1.4 L298N电机驱动模块

选择的发动机模块为L298N，它不仅可以驱动两级发动机，还可以驱动四相发动机，甚至驱动S35，同时也可以接收TTL电平信号。驱动模块芯片由H双工桥引擎驱动。CadA H电桥可提供2 A电流。该部分电源范围为2.5～4.8 V，逻辑部分的电源为5 V，可直接控制DC-DC发动机的转速和方向。直流发动机为无刷直流发动机，可保证机器人完成相应操作。该发动机能够很好地满足清洗机器人的能源需求，最大限度利用能源而不浪费，完全满足设计要求。电机驱动模块原理如图5所示，电机驱动实物如图6所示。

图5 电机驱动模块原理

图6 电机驱动实物

2 系统软件设计

系统软件基于Keil编译环境，采用C语言编程设计。C语言较汇编语言可执性更高，应用过程更加方便，即使编程人员不了解单片机处理器的结构，也可以应用C语言的编辑器完成程序设计。系统初始化后，在单片机的控制下，系统驱动装置以及风扇驱动电路响应，同时避障传感器对周围环境进行检测，并根据实际情况做出反应。基于Keil的C语言程序设计如图7所示。

选取2016年1月—2017年12月我院纳入的400例白内障行小切口手术治疗患者作为研究对象。所有患者均对本次研究知情，自愿参与。为保证研究的科学性，本次研究将合并有严重器质性疾病、肿瘤疾病、全身感染性疾病、妊娠或哺乳期女性、有过眼部手术史、精神病史患者排除在外。其中，男235例，女165例；患者年龄为39～82岁，平均年龄（57.09±11.03）岁；晶状体硬度LOCSⅡ分级：Ⅰ级0例，Ⅱ级129例，Ⅲ级156例，Ⅳ级115例。本次研究符合医学伦理。