多功能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)及制作

唐益協(xié) 周亮 魏澤宇 吳智輝 董清

摘要：隨著機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)步，人們追求高品質(zhì)生活，期待擁有可以清潔家庭衛(wèi)生的機(jī)器人，使用超聲波、環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)避障和環(huán)境檢測(cè)，手機(jī)APP對(duì)機(jī)器人控制，邊刷和吸塵電機(jī)進(jìn)行清潔，STC單片機(jī)對(duì)信息進(jìn)行處理的機(jī)器人將使生活更加方便。

關(guān)鍵詞：STC15系列單片機(jī)；APP控制；WIFI連接；室內(nèi)環(huán)境檢測(cè)

1 多功能掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)目的

隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，收入的提高，人們追求高質(zhì)量的生活環(huán)境，為了代替人力更好的清潔，多功能掃地機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。

2 多功能掃地機(jī)器人的系統(tǒng)構(gòu)架

3 多功能掃地機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

3.1 處理芯片

本機(jī)器人采用STC15W4K58S4單片機(jī)作為核心控制芯片，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器大?。?KB；高速且比傳統(tǒng)8051快7～12倍也比STC早期的1T系列單片的速度快20倍，擁有低功耗模式。無(wú)需外部復(fù)位和外部晶振的單片機(jī)，內(nèi)部有高精度R/C時(shí)鐘，內(nèi)置硬件看門(mén)狗，成本低，前景好。

3.2 邊刷電機(jī)

在本項(xiàng)目中，掃地機(jī)器人是通過(guò)CR120邊刷電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)第一次清掃，邊刷電機(jī)是一種帶有清潔刷的利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)刷子旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的電機(jī)，因此用它來(lái)實(shí)現(xiàn)清掃。

3.3 吸塵器電機(jī)

在本項(xiàng)目中運(yùn)用最常見(jiàn)的串勵(lì)電機(jī)，一種應(yīng)用非常廣泛的電機(jī)，它的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)速高、起動(dòng)力矩大、體積小、重量輕、不易堵轉(zhuǎn)、適用電壓范圍廣，可利用調(diào)壓來(lái)調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)吸塵功能。

3.4 行走電機(jī)

行走電機(jī)采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM波進(jìn)而通過(guò)L298P芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，行走電機(jī)主要是通過(guò)控制PWM的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)加速減速。

3.5 WIFI模塊

WIFI模塊使用的是ESP8266，它是一款超低功耗的UARTWIFI傳輸模塊，體積小，穩(wěn)定性好，專為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)計(jì)，可將用戶的物理設(shè)備連接到WIFI無(wú)線網(wǎng)絡(luò)上，從而使設(shè)備和APP之間進(jìn)行通信。

3.6 超聲波模塊

超聲波模塊：采用HCSR04具有精度強(qiáng)體積小的優(yōu)點(diǎn)，用于檢測(cè)障礙物距離和角度。運(yùn)用非徑向排列的避障方法，此模塊分辨率高達(dá)0.3cm，功耗低。模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測(cè)功能， 測(cè)距精度可達(dá)高到 3mm。

基本工作原理為：

（1）采用 IO 口 TRIG 觸發(fā)測(cè)距，給最少 10us 的高電平信呈。

（2）模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。

（3）有信號(hào)返回，通過(guò) IO 口 ECHO 輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測(cè)試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340M/S））/2。

3.7 環(huán)境監(jiān)測(cè)顯示模塊

為了讓機(jī)器人更加智能，在清潔的基礎(chǔ)上添加了溫濕度和環(huán)境質(zhì)量監(jiān)測(cè)模塊，此模塊我們選擇DHT11數(shù)字溫濕度和MQ135環(huán)境檢測(cè)傳感器。DHT11可以對(duì)溫度和濕度進(jìn)行測(cè)量，而MQ135可以對(duì)室內(nèi)的CO、笨、硫、甲醛等有害氣體進(jìn)行檢測(cè)，且傳感器的穩(wěn)定性強(qiáng)、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、能耗低。通過(guò)單片機(jī)獲取DHT11和MQ135測(cè)得的環(huán)境數(shù)據(jù)，將其顯示在LCD1602液晶屏上。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 APP的設(shè)計(jì)

通過(guò)JAVA語(yǔ)言設(shè)計(jì)一款輕便的WIFI小車(chē)APP，APP與ESP8266WIFI模塊之間使用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，從而控制小車(chē)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)和調(diào)速等。

4.2 PWM控制算法

原理：通過(guò)控制單片機(jī)輸出的2路PWM波（A路：左邊 B路：右邊）的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)的加速減速停車(chē)等動(dòng)作。

當(dāng)小車(chē)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，PWM波占空比最大，小車(chē)沿直線全速前進(jìn)。

當(dāng)小車(chē)左前方有障礙物時(shí)，B路PWM波占空比減小，相應(yīng)的右輪減速，使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。

當(dāng)小車(chē)右前方有障礙物時(shí)，A路PWM波占空比減小，相應(yīng)的左輪減速，使小車(chē)向左轉(zhuǎn)。

當(dāng)小車(chē)正前方有障礙物時(shí)，優(yōu)先向左轉(zhuǎn)，A路PWM波占空比減小，小車(chē)向左轉(zhuǎn)。

5 結(jié)語(yǔ)

多功能掃地機(jī)器人是集清潔、自動(dòng)避障、環(huán)境監(jiān)測(cè)、APP控制等功能于一體的智能清潔機(jī)器人。將科技融入生活，使生活便捷。

參考文獻(xiàn)：

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