基于MSP430的智能掃地機器人設計

申雙琴

摘 ?要：智能掃地機器人的研究與實現(xiàn)旨在通過科技改變?nèi)藗兊娜粘Ｉ?。文章設計了一種基于MSP430的用于室內(nèi)的智能掃地機器人，對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，避障模塊、紅外遙控等各部分的工作原理及硬件電路進行了分析，結(jié)合避障、控制方法等程序軟件，實現(xiàn)室內(nèi)智能清掃。

關鍵詞：掃地機器人;單片機;智能;設計

中圖分類號：TP242 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）13-0093-02

Abstract： The research and implementation of intelligent floor sweeping robot aims to change people's daily life through science and technology. In this paper， an intelligent floor sweeping robot for indoor based on MSP430 is designed. The working principle and hardware circuit of the system structure， obstacle avoidance module， infrared remote control and other parts are analyzed， and in combination with the program software such as obstacle avoidance， control method and so on， indoor intelligent cleaning is realized.

Keywords： sweeping robot; single chip microcomputer; intelligence; design

引言

隨著科技進步，生活節(jié)奏加速，智能家居走進人們的日常生活，在一定程度上解放了勞動，節(jié)約了時間，也改善了生活質(zhì)量。智能掃地機器人作為熱銷的一款清潔產(chǎn)品，被越來越多的消費者青睞。文中設計了一款單片機方案的掃地機器人，具有避障、紅外遙控、吸掃、死角及低電量報警等功能。系統(tǒng)以MSP430為微控制器，處理傳感器系統(tǒng)提供的各類環(huán)境信息，以傳感器及電機驅(qū)動為基礎，運算及數(shù)據(jù)處理為核心，實現(xiàn)機器人的智能清掃功能。

1 系統(tǒng)設計

智能掃地機器人利用超聲波作為障礙物探測器，感知周圍環(huán)境，依據(jù)其反饋信號，改變PWM來控制電機旋轉(zhuǎn)從而改變方位，吸掃是利用電機的反轉(zhuǎn)執(zhí)行，在不需要小車自動控制時，可以利用紅外遙感選擇手動控制。系統(tǒng)采用模塊化設計，直流電機及控制電路為驅(qū)動部分，單片機為整個系統(tǒng)的控制核心。系統(tǒng)的硬件部分包括超聲波模塊、紅外接收模塊、電量監(jiān)測模塊、電機驅(qū)動與風機驅(qū)動模塊及報警模塊等。軟件部分包括調(diào)用內(nèi)部定時器A0，定時中斷檢測超聲波模塊傳到單片機的高電平信號，從而計算距離。紅外遙控器發(fā)射一組數(shù)碼，通過接收頭接收，單片機外部中斷并啟動定時器A1判斷電平時間，以此判斷遙控按鍵碼值，調(diào)用內(nèi)部ADC模塊實時監(jiān)測供電電壓，對應指示燈GPIO輸出低電平點亮相應指示燈，調(diào)用定時器B產(chǎn)生PWM控制小車電機正反轉(zhuǎn)與速度?？傮w系統(tǒng)框圖如圖所示。

2 硬件設計

2.1 超聲波避障模塊

超聲波模塊由發(fā)射和接收兩部分組成，用于檢測障礙物的距離。當檢測到障礙物時，使用MSP430高電平啟動模塊Trig引腳，單片機利用I/O口輸出超聲波換能器所需的40K方波信號，利用外部中斷口監(jiān)測超聲波接收電路輸出的返回信號[1]。經(jīng)處理后通過模塊的Echo引腳傳送出高電平，MSP430檢測這段高電平的時間即為超聲波從發(fā)射信號到接收回波信號的時間，從而測算出障礙物的距離。

2.2 紅外遙控模塊

紅外遙控是一種無線、非接觸控制技術，具有抗干擾能力強，低功耗，易實現(xiàn)等優(yōu)點。按下按鍵，遙控器發(fā)出經(jīng)過調(diào)制后的信號，這個信號經(jīng)過紅外模塊接收，輸出解調(diào)后的數(shù)字脈沖，每個按鍵對應不同的脈沖，故通過識別不同的脈沖即能識別不同按鍵。紅外遙控器發(fā)出指令，小車上連接紅外光接收頭HS0038，接收紅外信號頻率為38kHz，周期為26μs。當按下遙控器的設置鍵后，接收裝置接收到遙控器發(fā)出的紅外線控制信號，傳給單片機并對信號解碼后檢查是否為設置信號，然后啟動設置子程序，依次作出判斷確定鍵值，使設置生效，從而達到控制目的[2]。

2.3 電量監(jiān)測模塊

系統(tǒng)采用電池供電，實時監(jiān)控電池電壓，當電池電壓低于6.0V時，通過指示燈與蜂鳴器報警提示，單片機GPIO口能承受的最大電壓3.3V，因此用一個電阻進行分壓。MSP430單片機內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換模塊，這大大簡化了系統(tǒng)的電路設計[3]。電量監(jiān)測電路中采用簡易紅、黃、綠Led作為指示，當電量低于7.2V時紅燈亮，介于7.2V與7.6V時黃燈亮，大于7.6V時綠燈亮，通過3個GPIO口連接Led，分別控制不同狀態(tài)下的指示燈，Led的負極接GPIO口的P3.0～P3.2口，正極接3.3V電壓，同時串入1K的電阻限流，以防因電流過大燒壞燈，亮燈時GPIO低電平使能，電量指示模塊Led原理圖如圖2所示。

2.4 電機與吸塵風機驅(qū)動模塊

移動系統(tǒng)是由兩個伺服電機以及相應驅(qū)動組成的小車，電機帶動兩個后輪，前輪采用隨動輪，加強轉(zhuǎn)彎的靈活性。具有吸掃功能的風機與電機的控制需要PWM控制信號，通過改變控制系統(tǒng)輸出的PWM的占空比達到改變轉(zhuǎn)速的目的，從而實現(xiàn)掃地機的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等功能[4]。然而單片機的驅(qū)動能力較小，不能直接輸出PWM到電機，則需要在芯片與電機之間增加驅(qū)動電路，即H橋。L298N是一款雙H橋電機驅(qū)動芯片，其中每個H橋可以提供2A的電流，功率部分的供電電壓范圍是2.5-48V，邏輯使能部分5V供電。驅(qū)動系統(tǒng)的兩個電機及風機驅(qū)動，可同時選擇使用L298N集成模塊。H橋電機驅(qū)動原理[5]為當Q1與Q4基極高電平管子導通，Q2與Q3基極低電平管子截止，電機正轉(zhuǎn);當Q1與Q4基極低電平管子截止，Q2與Q3基極高電平管子導通電機反轉(zhuǎn)，PWM改變占空比，實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速控制。電路模塊圖如圖3所示。

3 軟件設計

系統(tǒng)的主函數(shù)通過調(diào)用各個模塊，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的功能整合。系統(tǒng)開機后，首先對各硬件模塊進行檢測與初始化，進入循環(huán)判斷紅外接收指令，當接收到手動模式的碼值時，標志位置2，進入手動模式，在遙控模式下運行且不同的遙控指令做出相應動作，否則標志位置1進入自動模式，并判斷距離。時刻檢測周圍環(huán)境，符合安全距離時，開始行進，當測得與障礙物距離小于20cm時，做出避讓，行進過程中吸塵風機保持運行。當距離小于6cm時，判斷為死角，小車停止運行并報警，電量監(jiān)測也同步運行，當電量低于6V即10%，小車停止運行，指示燈示意充電。

4 實驗測試

實驗場地選在一個3*5m2的家居室內(nèi)使用機器人進行功能測試，房間內(nèi)有常用的桌椅及常見垃圾如細小紙屑等進行測試，當掃地機行走靠近時，基本可以將垃圾吸干凈。紅外遙控器的模式切換鍵、暫停鍵、前進鍵、后退鍵、左轉(zhuǎn)鍵及右轉(zhuǎn)鍵都能實時響應實現(xiàn)相對應功能。電量監(jiān)測基本能準確指示電池電量。根據(jù)此次實驗調(diào)試的數(shù)據(jù)顯示，小車在自主運行、避障、遙控控制，電量指示，死角報警上，均無明顯異常，基本實現(xiàn)功能要求。

5 結(jié)束語

本文設計了一款基于MSP430單片機的智能掃地車，集中了自主行走、避障、紅外遙控、吸掃、死角及低電量報警等功能，系統(tǒng)功能齊全，解決了日常生活地面清掃問題，基本上能夠滿足家庭需求，可實踐性強。

參考文獻：

[1]潘元驍.基于Arduino的智能小車自動避障系統(tǒng)設計與研究[D].長安大學，2015.

[2]趙海蘭.基于單片機的紅外遙控智能小車的設計[J].無線互聯(lián)科技，2011：36-38.

[3]石東海，周旭升.單片機數(shù)據(jù)通信技術從入門到精通[D].西安電子科技大學出版社，2002.

[4]孔德平.基于AVR單片機的智能掃地機器人的設計[J].科技創(chuàng)新與應用，2017（16）：81.

[5]魏海明，楊興瑤.實用電子電路500例[D].北京化學工業(yè)出版社，1996，24（3）：25-30.