基于STC89c52電腦鼠的設計與實現

周杰

摘要： 采用 STC89c52作為電腦鼠的控制核心，紅外發射LED和紅外一體化接收頭HS0038構成傳感器模塊完成迷宮路徑掃描，單片機控制左右334線AB相伺服電機實現電腦鼠，前進一格，后退一格，左轉90°，右轉90°的動作，根據設置的迷宮出口坐標，能夠完成對整個迷宮的搜索，并找到最佳行走路徑。

關鍵詞：STC89c52；傳感器；電機；迷宮

中圖分類號：TP311 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2018）02-0138-03

1 概述

電腦鼠[1-2]是一種機電一體化裝置，是由單片機、傳感器、機電運動部件組成的一種能在迷宮行走的小型機器人。本文設計和完成了一種基于STC89c52簡易電腦鼠，電腦鼠可以在不同大小的迷宮[3][4]中自動記憶和選擇路徑，完成前進一格，后退一格，左轉90°，右轉90°的動作，并可以采用相應的算法，快速完成對整個迷宮路徑的搜索，進而找到最佳的走出迷宮的路線。

2 硬件設計

電腦鼠是指由車體、輪子、和驅動軟件構成。車體是由STC89c52（相當于人體的大腦部分）、傳感器模塊（完成迷宮障礙物的掃描）、電機模塊（完成相應的機械動作）和定時計數器模塊（完成電腦鼠的動作修正），組成的一個綜合的系統。

電腦鼠的基本構成如圖1所示：

2.1 電源模塊

STC89c52單片機的工作電壓為3.3v-5.5v，故可以采用電腦鼠采用單節鋰離子電池供電。

TP4054是一款完整的單節鋰離子電池充電器，TP4054可以適用于USB電源，如圖所示當充電完成，輸入電壓USB電源被拿掉時，可以自動進入低電流狀態。CHNG漏極開路狀態輸出，BAT充電電流輸出。

電腦鼠的電源模塊電路如圖2所示：

2.2 電機模塊

STC89c52的I/O口電流輸出能力有限，需要將單片機I/O口弱電流放大到足以驅動電機的電流。通過L9110電機驅動芯片，驅動左右兩個334線AB相伺服電機，通過L9110驅動芯片上IA、IB輸入的邏輯值的組合，可以控制AB相伺服電機停止，正轉和反轉。

P2.0、P2.1、P2.2、P2.3口是單片機的輸出口，Left motor1、Left motor2、Right motor1、Right motor2是左右兩個電機驅動電路控制引腳，Left motor和Right motor 3腳是電機光電碼盤A相脈沖輸出，連接到單片機的定時/計數器外部計數引腳，通過脈沖計數，可以完成電腦鼠左轉90°，右轉90°等操作。

電腦鼠電機模塊電路如圖3所示：

2.3 傳感器組設計

電腦鼠設計有5組傳感器。這5組傳感器分別安裝于電腦鼠的右前、右、左、左前、前、5個不同的方向。采用74HC138譯碼器將單片機的3位二進制編碼譯碼為8位控制線，采用分時檢測傳感器，使單片機能夠控制5組傳感器的工作。

傳感器電路由紅外發射LED和紅外一體化接收頭HS0038構成，紅外LED由載波發生器產生的CLOCK信號驅動產生38KHz紅外調制光。RP1為可調電阻，通過調節RP1來調節紅外LED發光強度，從而調整傳感器組檢測迷宮墻障礙物的距離。Sensor1用于控制該組傳感器是否工作，連接到3-8譯碼選擇電路。紅外調制光經障礙物反射由HS0038紅外一體化接收頭接收，進行放大濾波、解調等處理后輸出，單片機通過識別P2.5口的電平高低來判斷傳感器前面是否有障礙物。

單片機傳感器模塊電路如圖4所示：

3 軟件設計

3.1 構建迷宮

按照IEEE要求，迷宮大小為16*16的單元格組成，單元格格大小為18*18cm，電腦鼠PCB底盤大小為迷宮格一半8*8cm左右，現在模擬現場環境，將迷宮設置為8*8，單元格如圖5所示，起點坐標為（1，1），終點坐標為（8，8）。

3.2 電腦鼠軟件設計

電腦鼠是一個小型智能行走裝置，保證其可靠性取決于硬件和軟件設計，在電腦鼠的軟件設計可以分為兩個部分：走迷宮算法部分和底層驅動部分。

3.2.1 搜索迷宮算法程序

假設我們將電腦鼠放在起點坐標（1，1），按下啟動鍵，然后根據設定的終點坐標（8，8），通過到達終點服務程序找到終點，如果到達終點，蜂鳴器發出尖銳的報警聲，表明找到了終點坐標。搜索迷宮算法的主流程圖如圖6所示。

在主程序運行過程中，要調用中斷服務程序，即到達終點中斷服務程序如圖7所示，由于電腦鼠自身沒有思維能力，只能根據程序規則運行，電腦鼠到達終點服務程序，就是根據設定的終點坐標，采用一定的規則進行迷宮的搜索。常用的搜索法則有：

1） 右手規則：當電腦鼠走到迷宮的某一單元格時，電腦鼠的傳感器開始工作，電腦鼠掃描迷宮格擋板信息，優先檢測右方迷宮格是否可行，其次前方，最后才是左方。

2） 左手規則：左手法則與右手法則類似，當電腦鼠走到迷宮的某一單元格時，電腦鼠的傳感器開始工作，電腦鼠掃描迷宮格擋板信息，優先檢測左方方迷宮格是否可行，其次前方，最后才是右方。

3） 中右規則：優先檢測前方迷宮格是否可行，其次右方，最后才是左方。

4） 中左規則：優先檢測前方迷宮格是否可行，其次左方，最后才是右方。

5） 向心法則[7]：是右手法則，左手法則，中右規則，中左規則的結合，盡可能的朝著距離終點最近的方向前進。

本文采用向心手法則進行迷宮搜索。如圖7所示：電腦鼠根據向心法則[7]掃描坐標進行前進，當到達下一個迷宮格時，用當前迷宮格的坐標與終點坐標進行比較，如果是終點，就發出報警聲，如果不是就繼續查找，判斷當前坐標是否走過，如果走過則返回上一個分叉路口，如果沒有走過則采用向心法則搜索路徑，直到找到終點坐標為止[1][6]記錄下行走路徑，就找到了，迷宮的最短路徑。

3.2.2 底層驅動程序

底層驅動程序主要完成，電腦鼠的基本操作：左轉90°，右轉90°。當電腦鼠需要轉彎時，停在當前坐標，做原地90°旋轉，然后前進。如果是左轉，Left Motor反轉，Right Motor正轉。如果是右轉，Left Motor正轉，Right Motor反轉。

對于擋板信息的獲取，調用5路傳感器，掃描單元格前左右信息，如果有擋板，則該方向返回1，如果沒有擋板返回0。

如圖9所示，當電腦鼠到達某一點時，應該處于該單元格的中心，它距離擋板的距離允許在S±2cm，如果掃描到的距離大于該范圍，則認為有擋板返回1。當電腦鼠在行進過程中還可以通過S±2cm對電腦鼠進行姿態糾正。

4 結束語

本文給出了基于STC89c52電腦鼠的硬件設計方案以及軟件設計思路，電源模塊、電機模塊、傳感器模塊、硬件穩定設計簡單，且價格低廉。由于采用了模塊化設計思想，具有思路可移植性，可擴展性強等特點。

參考文獻：

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[2] 周立功.IEEE電腦鼠開發指南[M].廣州：廣州致遠電子有限公司，2008.

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[5] 方建軍， 何廣平.智能機器人[ M] .北京：化學工業出版社，2004.

[6] 鄧美清. 基于 STC12C56 單片機的電腦鼠設計與實現[J].科協論壇， 2011 （8） ：78-78.

[7] 賀少波.基于向心法則的電腦鼠走迷宮算法設計與優化[J].計算機系統應用計算機系統應用 ， 2012 ， 21 （9） ：79-82.endprint