多功能掃地機器人的設計及制作

唐益協 周亮 魏澤宇 吳智輝 董清

摘要：隨著機器人技術的進步，人們追求高品質生活，期待擁有可以清潔家庭衛生的機器人，使用超聲波、環境監測模塊實現避障和環境檢測，手機APP對機器人控制，邊刷和吸塵電機進行清潔，STC單片機對信息進行處理的機器人將使生活更加方便。

關鍵詞：STC15系列單片機；APP控制；WIFI連接；室內環境檢測

1 多功能掃地機器人的設計目的

隨著物聯網的發展，收入的提高，人們追求高質量的生活環境，為了代替人力更好的清潔，多功能掃地機器人應運而生。

2 多功能掃地機器人的系統構架

3 多功能掃地機器人的硬件設計

3.1 處理芯片

本機器人采用STC15W4K58S4單片機作為核心控制芯片，數據存儲器大小：4KB；高速且比傳統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。無需外部復位和外部晶振的單片機，內部有高精度R/C時鐘，內置硬件看門狗，成本低，前景好。

3.2 邊刷電機

在本項目中，掃地機器人是通過CR120邊刷電機來實現第一次清掃，邊刷電機是一種帶有清潔刷的利用電動機帶動刷子旋轉運動的，將電能轉化為機械能的電機，因此用它來實現清掃。

3.3 吸塵器電機

在本項目中運用最常見的串勵電機，一種應用非常廣泛的電機，它的優點是轉速高、起動力矩大、體積小、重量輕、不易堵轉、適用電壓范圍廣，可利用調壓來調速來實現吸塵功能。

3.4 行走電機

行走電機采用差動結構，利用單片機產生的PWM波進而通過L298P芯片驅動兩個減速電機運轉，行走電機主要是通過控制PWM的占空比來實現加速減速。

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，穩定性好，專為移動設備和物聯網應用設計，可將用戶的物理設備連接到WIFI無線網絡上，從而使設備和APP之間進行通信。

3.6 超聲波模塊

超聲波模塊：采用HCSR04具有精度強體積小的優點，用于檢測障礙物距離和角度。運用非徑向排列的避障方法，此模塊分辨率高達0.3cm，功耗低。模塊可提供2cm400cm的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達高到 3mm。

基本工作原理為：

（1）采用 IO 口 TRIG 觸發測距，給最少 10us 的高電平信呈。

（2）模塊自動發送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回。

（3）有信號返回，通過 IO 口 ECHO 輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間。測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。

3.7 環境監測顯示模塊

為了讓機器人更加智能，在清潔的基礎上添加了溫濕度和環境質量監測模塊，此模塊我們選擇DHT11數字溫濕度和MQ135環境檢測傳感器。DHT11可以對溫度和濕度進行測量，而MQ135可以對室內的CO、笨、硫、甲醛等有害氣體進行檢測，且傳感器的穩定性強、信號傳輸距離長、能耗低。通過單片機獲取DHT11和MQ135測得的環境數據，將其顯示在LCD1602液晶屏上。

4 軟件設計

4.1 APP的設計

通過JAVA語言設計一款輕便的WIFI小車APP，APP與ESP8266WIFI模塊之間使用TCP/IP協議進行數據通信，從而控制小車前進、后退、左轉、右轉和調速等。

4.2 PWM控制算法

原理：通過控制單片機輸出的2路PWM波（A路：左邊 B路：右邊）的占空比來實現對小車的加速減速停車等動作。

當小車前方沒有障礙物時，PWM波占空比最大，小車沿直線全速前進。

當小車左前方有障礙物時，B路PWM波占空比減小，相應的右輪減速，使小車向右轉。

當小車右前方有障礙物時，A路PWM波占空比減小，相應的左輪減速，使小車向左轉。

當小車正前方有障礙物時，優先向左轉，A路PWM波占空比減小，小車向左轉。

5 結語

多功能掃地機器人是集清潔、自動避障、環境監測、APP控制等功能于一體的智能清潔機器人。將科技融入生活，使生活便捷。

參考文獻：

[1]李友全編著.51單片機輕松入門—基于STC15W4K系列.北京航空航天大學出版社.

[2]殷志堅，劉玉瑩，詹華群，等.電子技能訓練[M].中南大學出版社.

[3]張屹，蔡木生.Java核心編程技術.大連理工出版社.

[4]STC15W4K官方使用手冊，HCSR04超聲波使用手冊，WIFI模塊官方使用文件，MQ135模塊手冊.DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201819012