基于STC15的智能清洁机器人设计

唐琳　何世超

摘 要：针对目前繁琐的家庭日常清洁问题，提出了以STC15F2K60S2单片机为核心控制器，辅以电源模块、驱动模块、传感器模块设计，研究设计一台智能地面清洁机器人。完成并经测试后，样机可实现自动识别工作环境，自动清扫纸屑和灰尘等功能，达到智能清扫机器人设计要求。

关键词：智能清洁；扫地机器人

随着科学技术的进步和社会发展，特别是受生活节奏的加快和工作压力的增大影响，人们希望更多地从繁琐的家庭日常清洁事务中解脱出来。伴着越来越多智能家电如雨后春笋般地涌现，智能地面清洁机器人也逐渐进入我们的家庭，构建智能化生活。

智能地面清洁机器人是一款能对较为平整的地面进行清洁的机器人，具有自动识别工作环境、自行清扫、吸尘及拖地等功能。本文主要从电源模块、电机驱动模块、传感器模块等方面，来阐述智能清洁机器人的设计与实现。

1 总体设计

智能地面清洁机器人是一款将扫地、洗尘、拖地集于一体的多功能型智能清洁机器人，它不仅仅只是将人们从繁琐的家庭日常清洁工作中解放出来，更是我们构建智能家居生活的重要组成部分。该机器人具有自动避开障碍物、实时显示使用电量、拥有多途径多方式的打扫方式、自我保护、智能防撞防跌落等功能。比如當我们选择采用刷扫方式时，智能清洁机器人可自行将地面上的所有杂物吸纳进入其所携带的垃圾收纳盒，从而完成地面清洁工作。

智能清洁机器人的外形是采用扁平式的圆柱形，这样的设计可以大大提高它的工作环境适应性，避免在工作中出现被卡死、被架空等现象。它的内部则由电源模块、电机驱动模块、控制模块、传感器模块以及清扫模块构成，其总体设计原理如图1所示。

由图1可知，STC15F2K60S2单片机作为智能清洁机器人的核心处理器，它通过传感器模块来识别工作环境，收集和处理传感器返回的数据，进而控制各电机的运行来实现全方位无死角清扫和实现主动避障及防跌落等功能。为了更好地了解智能清洁机器人的工作原理，将对其构成的主要模块做以下分析和介绍。

1.1 电源模块

各个模块所需要的电压大小各不相同，同时考虑到实用性，本设计中将选用可充电18650锂电池作为提供电压给各个模块的总电源。由于各个模块的稳定电压有所不同，故利用LM2940-5和LM2575或LM2596-5对总电源进行稳压处理后才分别给各模块供电。具体的供电方式有以下三种：

①采用稳压芯片LM2940进行稳压，使其输出5V电压，给主控模块供电。

②采用稳压芯片LM2575或LM2596-5进行稳压，使其输出5V电压，给传感器模块供电。

③采用开关型稳压芯片LM2596进行稳压，以可调输出电压方式使其输出7.2V电压，给驱动模块供电。

1.2 驱动模块

电机驱动电路由半桥驱动芯片IR2104S和MOS管IR7843共同搭建设计而成，为直流减速电机提供驱动动力。主控模块可以通过PWM调节占空比的方式来控制直流减速电机，达到控制机器人的运动前进、后退、左转、右转的目的。电机驱动电路如图2所示。

1.3 傳感器模块

传感器部分包括两个模块：红外传感器模块和超声波模块。这个两个模块的主要作用是采集机器人周围环境的数据信息，并将此信息传至STC15F2K60S2单片机进行处理，从而发出相应控制指令，用以控制电机的正转、反转、加速减速以及启动停止。

超声波模块的主要作用是识别前端障碍物和计算距离，实现避障功能。即当前进方向有障碍物阻挡，超声波模块向主控模块发送信号，主控模块根据收到的数据觉得采用哪种处理方式。而红外线模块的作用则是用于识别机身两侧障碍物和识别机身前端的底盘下方悬崖。当智能清洁机器人在工作中行至至悬崖或处于悬空状态时，红外线模块将采集到相应的数据，反馈给主控模块进行险情处理。

2 结语

通过对电源模块、驱动模块、传感器模块等功能模块的分析与研究，实现了各功能模块的设计要求，完成了智能清洁机器人的设计。这个设计可以使得机器人按照我们设定的处理方式进行智能清扫工作，工作过程中可以自动感知和自主避开障碍物，自动完成清除杂物、吸尘、拖地等功能，达到设计要求。

参考文献：

[1] 刘平.STC15单片机实战指南（C语言版）.北京：清华大学出版社，2016.

[2] 张志勇.现代传感器原理及应用.北京：电子工业出版社，2014.1

[3] 余伶俐.导航机器人传感器融合、异常诊断及任务规划方法.北京：电子工业出版社，2015.

[4] 郭彤颖，张辉.机器人传感器及其信息融合技术.北京：化学工业出版社，2017.