王自凱，劉立群，李愛民，易多軒，徐小韋

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引 言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的發(fā)展，人們在能實(shí)現(xiàn)控制模式的傳統(tǒng)機(jī)器中添加了處理器，清掃機(jī)器人就是其中之一。然而，無論是在國內(nèi)還是國外，清潔機(jī)器人的價(jià)格都偏高。因此，本課題研究設(shè)計(jì)了一種智能清洗機(jī)器人，該機(jī)器人能夠進(jìn)行清洗和避免污染等操作。本項(xiàng)目設(shè)計(jì)成本較低，人為干擾少，實(shí)用性強(qiáng)，可靠性高，有廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)的智能清掃機(jī)器人硬件部分以STC89C52單片機(jī)為核心，借助紅外避障模塊檢測外部情況，由風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)模擬清掃過程，按鍵電路作為啟動(dòng)部分，電機(jī)驅(qū)動(dòng)為裝置提供動(dòng)力，還包括麥克姆輪等其他部分。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 按鍵電路設(shè)計(jì)

此次設(shè)計(jì)的啟動(dòng)部分采用按鍵方式。按下按鍵后，電路接通至高電平，開關(guān)接通；松開按鍵，電路接通至低電平，開關(guān)斷開。在本次設(shè)計(jì)中，按鍵作為系統(tǒng)的啟動(dòng)部分，能夠?qū)⒅悄芮鍜咝≤嚺c人連接起來，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的手動(dòng)輸入。該方式操作簡單，使用便捷，符合本次設(shè)計(jì)的需要。按鍵電路原理如圖2所示。

圖2 按鍵電路設(shè)計(jì)

1.2 BD681風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

在清洗方面，風(fēng)機(jī)正常工作需要通過系統(tǒng)內(nèi)部的能量轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)。首先，電能轉(zhuǎn)化為電磁能，之后再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后轉(zhuǎn)化為動(dòng)能。由于單片機(jī)無法直接控制風(fēng)扇的發(fā)動(dòng)機(jī)，因此我們選擇用大功率三極管進(jìn)行控制。由于三極管能承受的電流有限，F(xiàn)IM可以防止三極管損壞，故使用限流電阻來限制三極管中的電流。在連接關(guān)鍵電路時(shí)，三極管連接高電平，風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)，風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)。電路斷開后，三極管連接至低電平，風(fēng)扇停止轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)扇控制電路如圖3所示。

圖3 風(fēng)扇控制電路

1.3 紅外避障傳感器模塊電路設(shè)計(jì)

紅外障礙物防護(hù)傳感器選擇E18-D80NK-N，它既能發(fā)射光束也能接收光束。當(dāng)傳感器發(fā)出紅外光時(shí)，遇到物體紅外光會(huì)被反射回來，反射的光束被傳感器接收。檢測到反射光后，傳感器將自動(dòng)計(jì)算物體距離。傳感器還可以避免可見光的干擾。傳感器利用透鏡大大增加了傳感器的檢測距離，80 cm范圍內(nèi)的物體基本都能被檢測到。除此之外，該傳感器還具有價(jià)格更低廉、裝配更容易、使用更便捷等特點(diǎn)，符合此次設(shè)計(jì)的要求。由于光速遠(yuǎn)比超聲波傳播速度快，所以紅外線測距在與超聲波測距的對(duì)比中優(yōu)勢明顯，其傳播和反射時(shí)間更短，能更快地預(yù)警。紅外避障傳感器模塊原理如圖4所示。

圖4 紅外避障傳感器模塊原理

1.4 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)模塊為L298N，它不僅可以驅(qū)動(dòng)兩級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，還可以驅(qū)動(dòng)四相發(fā)動(dòng)機(jī)，甚至驅(qū)動(dòng)S35，同時(shí)也可以接收TTL電平信號(hào)。驅(qū)動(dòng)模塊芯片由H雙工橋引擎驅(qū)動(dòng)。CadA H電橋可提供2 A電流。該部分電源范圍為2.5～4.8 V，邏輯部分的電源為5 V，可直接控制DC-DC發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。直流發(fā)動(dòng)機(jī)為無刷直流發(fā)動(dòng)機(jī)，可保證機(jī)器人完成相應(yīng)操作。該發(fā)動(dòng)機(jī)能夠很好地滿足清洗機(jī)器人的能源需求，最大限度利用能源而不浪費(fèi)，完全滿足設(shè)計(jì)要求。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理如圖5所示，電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物如圖6所示。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理

圖6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)物

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件基于Keil編譯環(huán)境，采用C語言編程設(shè)計(jì)。C語言較匯編語言可執(zhí)性更高，應(yīng)用過程更加方便，即使編程人員不了解單片機(jī)處理器的結(jié)構(gòu)，也可以應(yīng)用C語言的編輯器完成程序設(shè)計(jì)。系統(tǒng)初始化后，在單片機(jī)的控制下，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)裝置以及風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路響應(yīng)，同時(shí)避障傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行檢測，并根據(jù)實(shí)際情況做出反應(yīng)。基于Keil的C語言程序設(shè)計(jì)如圖7所示。

選取2016年1月—2017年12月我院納入的400例白內(nèi)障行小切口手術(shù)治療患者作為研究對(duì)象。所有患者均對(duì)本次研究知情，自愿參與。為保證研究的科學(xué)性，本次研究將合并有嚴(yán)重器質(zhì)性疾病、腫瘤疾病、全身感染性疾病、妊娠或哺乳期女性、有過眼部手術(shù)史、精神病史患者排除在外。其中，男235例，女165例；患者年齡為39～82歲，平均年齡（57.09±11.03）歲；晶狀體硬度LOCSⅡ分級(jí)：Ⅰ級(jí)0例，Ⅱ級(jí)129例，Ⅲ級(jí)156例，Ⅳ級(jí)115例。本次研究符合醫(yī)學(xué)倫理。

圖7 基于Keil的C語言程序設(shè)計(jì)

3 系統(tǒng)電路

智能小車電路如圖8所示。

圖8 智能小車電路設(shè)計(jì)

4 結(jié) 語

本次設(shè)計(jì)的清掃機(jī)器人以STC89C52作為控制中樞，芯片編寫程序簡單，系統(tǒng)兼容性好，價(jià)格低廉，抗干擾能力強(qiáng)。智能清掃小車采用了軟硬件相結(jié)合的方式，使實(shí)驗(yàn)功能更加豐富。測驗(yàn)結(jié)果證明，該設(shè)備基本能實(shí)現(xiàn)所有預(yù)期效果，滿足小車進(jìn)行智能清掃的需求。