基于STC15的智能清潔機器人設計

唐琳　何世超

摘 要：針對目前繁瑣的家庭日常清潔問題，提出了以STC15F2K60S2單片機為核心控制器，輔以電源模塊、驅動模塊、傳感器模塊設計，研究設計一臺智能地面清潔機器人。完成并經測試后，樣機可實現自動識別工作環境，自動清掃紙屑和灰塵等功能，達到智能清掃機器人設計要求。

關鍵詞：智能清潔；掃地機器人

隨著科學技術的進步和社會發展，特別是受生活節奏的加快和工作壓力的增大影響，人們希望更多地從繁瑣的家庭日常清潔事務中解脫出來。伴著越來越多智能家電如雨后春筍般地涌現，智能地面清潔機器人也逐漸進入我們的家庭，構建智能化生活。

智能地面清潔機器人是一款能對較為平整的地面進行清潔的機器人，具有自動識別工作環境、自行清掃、吸塵及拖地等功能。本文主要從電源模塊、電機驅動模塊、傳感器模塊等方面，來闡述智能清潔機器人的設計與實現。

1 總體設計

智能地面清潔機器人是一款將掃地、洗塵、拖地集于一體的多功能型智能清潔機器人，它不僅僅只是將人們從繁瑣的家庭日常清潔工作中解放出來，更是我們構建智能家居生活的重要組成部分。該機器人具有自動避開障礙物、實時顯示使用電量、擁有多途徑多方式的打掃方式、自我保護、智能防撞防跌落等功能。比如當我們選擇采用刷掃方式時，智能清潔機器人可自行將地面上的所有雜物吸納進入其所攜帶的垃圾收納盒，從而完成地面清潔工作。

智能清潔機器人的外形是采用扁平式的圓柱形，這樣的設計可以大大提高它的工作環境適應性，避免在工作中出現被卡死、被架空等現象。它的內部則由電源模塊、電機驅動模塊、控制模塊、傳感器模塊以及清掃模塊構成，其總體設計原理如圖1所示。

由圖1可知，STC15F2K60S2單片機作為智能清潔機器人的核心處理器，它通過傳感器模塊來識別工作環境，收集和處理傳感器返回的數據，進而控制各電機的運行來實現全方位無死角清掃和實現主動避障及防跌落等功能。為了更好地了解智能清潔機器人的工作原理，將對其構成的主要模塊做以下分析和介紹。

1.1 電源模塊

各個模塊所需要的電壓大小各不相同，同時考慮到實用性，本設計中將選用可充電18650鋰電池作為提供電壓給各個模塊的總電源。由于各個模塊的穩定電壓有所不同，故利用LM2940-5和LM2575或LM2596-5對總電源進行穩壓處理后才分別給各模塊供電。具體的供電方式有以下三種：

①采用穩壓芯片LM2940進行穩壓，使其輸出5V電壓，給主控模塊供電。

②采用穩壓芯片LM2575或LM2596-5進行穩壓，使其輸出5V電壓，給傳感器模塊供電。

③采用開關型穩壓芯片LM2596進行穩壓，以可調輸出電壓方式使其輸出7.2V電壓，給驅動模塊供電。

1.2 驅動模塊

電機驅動電路由半橋驅動芯片IR2104S和MOS管IR7843共同搭建設計而成，為直流減速電機提供驅動動力。主控模塊可以通過PWM調節占空比的方式來控制直流減速電機，達到控制機器人的運動前進、后退、左轉、右轉的目的。電機驅動電路如圖2所示。

1.3 傳感器模塊

傳感器部分包括兩個模塊：紅外傳感器模塊和超聲波模塊。這個兩個模塊的主要作用是采集機器人周圍環境的數據信息，并將此信息傳至STC15F2K60S2單片機進行處理，從而發出相應控制指令，用以控制電機的正轉、反轉、加速減速以及啟動停止。

超聲波模塊的主要作用是識別前端障礙物和計算距離，實現避障功能。即當前進方向有障礙物阻擋，超聲波模塊向主控模塊發送信號，主控模塊根據收到的數據覺得采用哪種處理方式。而紅外線模塊的作用則是用于識別機身兩側障礙物和識別機身前端的底盤下方懸崖。當智能清潔機器人在工作中行至至懸崖或處于懸空狀態時，紅外線模塊將采集到相應的數據，反饋給主控模塊進行險情處理。

2 結語

通過對電源模塊、驅動模塊、傳感器模塊等功能模塊的分析與研究，實現了各功能模塊的設計要求，完成了智能清潔機器人的設計。這個設計可以使得機器人按照我們設定的處理方式進行智能清掃工作，工作過程中可以自動感知和自主避開障礙物，自動完成清除雜物、吸塵、拖地等功能，達到設計要求。

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