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單片機的智能除塵機器人設(shè)計

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)計是基于STC12C5A60S2單片機的智能除塵機器人。該設(shè)計以STC12系列單片機為核心，利用多傳感器信息融合技術(shù)、電機控制技術(shù)以及吸塵技術(shù)實現(xiàn)智能機器人在指定區(qū)域的自動吸塵功能。該設(shè)計由超聲測距模塊、GPS定位模塊、藍(lán)牙模塊、紅外模塊、液晶顯示模塊、電機模塊、電源模塊、以及吸塵模塊等構(gòu)成。具有自動循跡、避障、藍(lán)牙控制、GPS定位、顯示電量以及打掃等功能。實驗證明，將智能機器人和除塵技術(shù)有機結(jié)合起來的設(shè)計，成本低，簡單易行?？梢詫崿F(xiàn)除塵機器人對房間指定區(qū)域的智能清掃。

超聲波測距；藍(lán)牙控制；紅外循跡；智能清掃

1 整體設(shè)計方案

本文采用以STC12C5A60S2單片機來作為核心來完成整個系統(tǒng)設(shè)計。單片機是機器人的控制核心，主要完成傳感器信號的采集、處理以及判斷功能。電機模塊包含電機驅(qū)動電路以及直流電機，實現(xiàn)機器人前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)以及停止等功能。紅外傳感器來完成循跡功能。采用HC-SR04超聲測距傳感器實現(xiàn)機器人與障礙物之間的距離測量，防止機器人與障礙物碰撞。電源模塊提供電源，同時將點亮顯示在1602液晶屏幕上。定位模塊利用GPS定位系統(tǒng)，來幫助用戶實時掌握機器人的位置。藍(lán)牙模塊利用HC-05可以讓用戶操作機器人實時進(jìn)入指定區(qū)域完成作業(yè)。同時，單片機適時控制除塵模塊動作，完成清掃功能。與傳統(tǒng)51單片機相比較，選擇STC12系列最大特點是處理速度是51的12倍左右，使小車在循跡時更加快速穩(wěn)定。

該設(shè)計由超聲測距模塊、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)境對清潔機器人的能源提出了特殊要求，目前清潔機器人基本上都采用電池作為能源。作為機器人能源，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器人能源，電壓高、壽命長、可高比率放電、價格低、結(jié)構(gòu)簡單可靠、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，機械強度高，可短期超負(fù)荷放電，放電電壓平穩(wěn)，但價格貴、充電時間長、壽命短、充電次數(shù)少。鎳鎘電池和鎳鋅電池電壓低、價格貴，應(yīng)用較少。燃料電池體積小、重量輕、壽命長、效率高、無污染，是一種非常好的清潔機器人用電源，但目前還處于研究開發(fā)階段。最終，選擇鉛酸蓄電池來作為智能除塵機器人的電源。

圖2 電機接口電路圖

2.2 電機模塊

除塵機器人采用的驅(qū)動模塊是ST公司的L298N芯片，采用SMT工藝，穩(wěn)定性高?？梢灾苯域?qū)動兩路3-16V直流電機，支持3.3VMCUARM控制，可以方便的控制直流電機速度和方向，也可以控制2相步進(jìn)電機，5線4相步進(jìn)電機。電機接口圖如圖2所示。

電機控制的測試流程是先讓電機正轉(zhuǎn)，接著超聲波傳感器探測與障礙物的距離，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、波長短、繞射現(xiàn)象小。其測距原理是通過超聲波發(fā)射器向某一方向發(fā)射超聲波,在發(fā)射時刻的同時開始計時,超聲波在空氣中傳播時碰到障礙物就立即返回來,超聲波接收器收到反射波就立即停止計時。超聲波在空氣中的傳播速度為v,而根據(jù)計時器記錄的測出發(fā)射和接收回波的時間差△t,就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離S，即：

這就是所謂的時間差測距法。超聲測距傳感器實現(xiàn)機器人與障礙物之間的距離測量，防止機器人與障礙物碰撞。本設(shè)計采用的HC-SR04+是一款寬電壓工作的超聲波測距模塊。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接口，其中VCC和GND是接有電機驅(qū)動模塊引出來的電源和地。Trig是控制口端，也就是單片機發(fā)送信號的地方，接單片機的I/O口。Echo是接收口端，單片機給控制口發(fā)一個10US以上的高電平觸發(fā)信號TTL，模塊內(nèi)部就自動發(fā)出一串8個40KHZ的周期電平并檢測回波。超聲波內(nèi)部是有回響信號的，一旦接收口發(fā)送出8個40KHZ的周期電平，則Echo接收口端馬上產(chǎn)生高電平。接收到信號時馬上又變?yōu)榈碗娖?，所以用單片機來測量接收端口輸出的這個高電平的時間，就可以算出距離?？梢栽诮邮湛诘却唠娖捷敵?。一有輸出就可以開定時器計時,當(dāng)此口變?yōu)榈碗娖綍r就可以讀定時器的值t,則距離為。如此不斷的周期測，就可以測量機器人移動的值。

圖3 超聲波時序圖

2.4 紅外模塊

紅外線傳感器是利用紅外線的物理性質(zhì)來進(jìn)行測量的傳感器。紅外線具有反射、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（高于絕對零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點。紅外傳感器實現(xiàn)了機器人循跡的功能。該模塊對環(huán)境光線適應(yīng)能力強，其具有一對紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外線反射回來被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，綠色指示燈會亮起，同時信號輸出接口輸出數(shù)字信號（一個低電平信號），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測距離，有效距離范圍2～30cm，工作電壓為3.3V-5V。使用紅外線發(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），防止臨界輸出抖動作為核心器件構(gòu)成中控電路。

2.5 藍(lán)牙模塊

本設(shè)計通過運用HC-05藍(lán)牙模塊，先用電腦藍(lán)牙連接其模塊，通過串口調(diào)試助手 ，運用AT指令來設(shè)置相應(yīng)的波特率，用戶名，密碼和其他相應(yīng)的指令。然后連接單片機RX 、TX運用異步串行通訊經(jīng)過串口中斷來發(fā)送命令，控制小車的前后左右運行。

2.6 除塵模塊

本設(shè)計的清掃電機為個人電腦所用的CPU散熱器。風(fēng)扇通過與l293d驅(qū)動電路相連增大了風(fēng)扇的電流，使風(fēng)扇能夠正常運轉(zhuǎn)，達(dá)到它的額定功率，打開電源后，在小車運行的過程中，該風(fēng)扇持續(xù)運行以實現(xiàn)清除灰塵的目的。

3 行走路線研究

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)境下的機器人路徑規(guī)劃，并且能在機器人實時改變目標(biāo)位置的情況下，迅速做出新路徑的實時規(guī)劃。該算法對場景進(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)，使得搜索過程極為迅速高效。仿真實驗結(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)行實時規(guī)劃，效果令人滿意。

3.2 遺傳算法

遺傳算法是一種多點搜索算法，其整體搜索策略和優(yōu)化計算不依賴于梯度信息，且作為并行算法適用于全局搜索。國內(nèi)已經(jīng)實現(xiàn)了離散空間下移動機器人路徑規(guī)劃新方法。在該方法中，提出了間斷無障礙路徑概念，引入插入和刪除算子，方便了遺傳算子的實現(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，實現(xiàn)小車對整個房間范圍內(nèi)的清除，具體可讓小車進(jìn)行路徑規(guī)劃以及藍(lán)牙控制進(jìn)行除塵。方法比較簡單，易于實現(xiàn)。

綜上所述，本設(shè)計選擇直接法。

4 總結(jié)

在學(xué)習(xí)制作智能移動機器人的基礎(chǔ)上，加以除塵裝置，并對機器人路線行走方案進(jìn)行了研究，實現(xiàn)了一種創(chuàng)新的設(shè)計，最終實現(xiàn)除塵機器人對房間指定區(qū)域的智能清掃。但是除塵機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，成績優(yōu)異。在努力學(xué)好基礎(chǔ)知識的同時，熱愛動手實踐，喜歡探索新的事物。