杨欣茹，房开拓，谢莲花，赖家恩
（宿迁学院机电工程学院，江苏 宿迁 223800）
中国有句古话：“一屋不扫何以扫天下”。随着时代的发展，更便于人们的智能家居顺应时代产生，智能家居是时代发展的产物，是住户想享受优质的居住环境、便捷的生活家居管理等智能化住宅所特有的生活方式。随着科技的日新月异，扫地机器人进入了人们的日常生活，扫地机器人的研究和应用也引起了人们的广泛关注。同时从人们的需求上来讲，扫地机器人作为家庭服务型机器人是目前市面上销量持续受到人们欢迎的一款服务机器人，因而无论是从理论技术层面还是市场前景，扫地机器人都是一大研究热点。故而我们团队利用扫地机器人的重点特性，制作了简易型的机器人并进行调试。
本智能扫地机器人控制系统硬件主要是以单片机STC89C52控制模块，硬件部分主要是由电机驱动模块、红外避障模块、电源模块、蜂鸣器、风扇模块和LED模块组成，软件设计部分通过主程序以及代码的编写实现避障。见图1。
图1 系统结构图
2.1 STC89C52单片机（见图2）
图2 STC89C52单片机图
STC89C52单片机作为该避障小车的核心控制模块，用于实现模拟信号的输出和转换。STC89C52单片机是一种功耗低，性能高的CMOS8位微控制器，在电源提供5V的电压下支持80MHz晶振，且内部有512B的RAM数据存储器，具有8 k字节系统可编程Flash存储器。本次设计中特地加入电容，主要是为了两点：
一是为了使模拟信号和电压的输出更加稳定。
二是能够储存能量，同时在直流的电路当中电容一般都会进行阻断直流，所以电容它在电路起着一个阻断直流的作用。
2.2 红外避障模块
在该模块利用红外探测法。该方法由红外发射电路和红外接收电路组成。红外探测法即运用不同的物体发射出的红外光是由特定波段原理。因为红外光是属于可见光之外的，所以我们常用这些物体反射的特定红外光波段来实现检测前方是否有障碍物，本次实验采用的是将红外光的辐射转化为电能，进而转化成电信号，通过单片机传输，采用高低电平，来实现检测信号。见图3。
图3 红外接收原理图
2.3 电机驱动模块
电机驱动模块主要通过单片机发送的PWM信号改变直流电动机的转速，以此来控制扫地机器人运转起来的速度。本模块采用L293D电机驱动模块，是一款双桥驱动芯片，可同时驱动2路直流电机，输出电流可达600 mA[8]。L293D主要接受PWM信号，控制电机运转和停止。以控制电机的一段为例，当使能端EN1为1，输入端IN1为0时，电机正转；
使能脚EN1为1，输入端IN2为0时，电机反转。所以驱动模块L293D驱动2台直流电机，实现小车的前进，后退，左转，右转各个方向的移动。见图4。
图4 电机驱动模块
2.4 风扇驱动模块
关于避障扫地机器人的设计中，我们利用风扇来简易代替清扫的功能。由于单片机无法直接驱动振动风扇，故而选择三极管来实现对风扇的控制，电阻为限流电阻，起限流作用，以保护三极管。当单片机的相关控制引脚为高电平时，三极管导通，风扇正常工作；
否则，风扇不转动，驱动电路如图5所示。
图5 风扇、蜂鸣器原理图
2.5 蜂鸣器驱动模块
本次设计中还加入了蜂鸣器模块，与风扇驱动有着相同的地方，都通过三极管来实现模块的运作，蜂鸣器用来提示工作开始或完成，当三级管接受高电平导通时，会发出“滴”的一声，示意工作开始或完成。
2.6 LED模块
市面上的机器人通常具有定时及清扫时间设定的模式，我们所设计的扫地机器人通过LED来设定判断清扫的时间，并通过LED模块来简单的起到定时效果。通过单片机传输高低电平，在LED驱动电源产生PWM驱动信号后，进一步通过周期数值控制将模拟信号转化为数字信号，输出与数字信号相符的电压保护值和电流保护值[4]，具体见图6、图7。
图6 LED系统设计图
图7 LED驱动模块原理图
3.1 路径规划软件设计
开始，首先标记开始位置，按下开关，小车开始行驶，当右边的红外传感器检测到障碍物时，小车将进行左转，同理若红外传感器检测到左侧有障碍物时，小车进行右转，若两侧都检测到障碍物时，小车停止或者前进。关于软件的流程图如图8所示。
图8 软件流程图
通过初步完成设计、安装焊接，现进行调试校准工作以使检测系统能够正常进行检测。
首先将场地清空，确保有足够的空间让小车行驶，其次确保无障碍物的存在，测试小车的前进或者后退功能。在小车的前进与后退无失误或问题后。在小车的左侧放置障碍物，若小车右转，则红外探头正常。若小车无法正常转换，则开始逐步检查相关的模块。首先查看硬件模块是否有问题，查看单片机的焊接是否有问题，如果将单片机最小系统焊接好调试无误后，再逐一焊接其他模块，依次编写实现该模块简单功能的程序进行调试，最后将所有调试无误的硬件集成，由于硬件各模块已经能够实现基本功能，故后期软件和硬件一起工作时，一般可归结于软件问题，则进行软件设计的调试，确保小车能够正常运行。
本次设计的红外避障扫地机器人根据软件设计的路径规划算法控制小车的运动轨迹，执行时通过红外避障不断地检测周围是否存有障碍物。按照论证调试方案，在扫地机器人的电路的研究和控制流程的设计后，经过调试，系统各部分的模块的运转正常运行。但是很显眼本次的设计中扫地机器人的智能化程度远远不足。但我相信随着科技的不断发展，时代的不断前进，智能扫地机的前景会更广阔。
本次课题通过调试小车后发现该系统具有操作简单、成本较低、安全可靠和精准度高等优点并且基本功能符合当下智能家居生活的基本要求。同时选择的单片机易操作，综合功能方面没有明显缺陷，但是仍然有存在有待完善的方面，后续要持续对其研究，增加其更多实用功能。通过本课题的设计，对单片机及传感器的相关知识有了更全面、更深层次的理解，还掌握了直流驱动电路及PWM调速电路的原理。
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