一種新型太陽能靜音智能剪草機器人的設計

徐狀 翟娟

摘? 要： 剪草機器人廣泛應用于城市綠化，然而傳統充電式剪草機器人在充電時必須停止作業，并且機器人所消耗的電能以及帶來的噪聲干擾不可忽視。為此設計出一種新型的剪草機器人，以STC89C52單片機作為機器人的控制核心，采用太陽能供電，實現節能。為了減小作業時的噪聲，采用多個低速直流電機驅動新型往復式旋轉剪草刀頭，提高剪草機器人環境友好性。該剪草機器人在作業時具有自動避障功能，可實現無人化作業。

關鍵詞： 太陽能; 往復式旋轉剪草刀頭; 環境友好性; 自動避障

中圖分類號：TP391? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1006-8228（2019）04-36-04

Abstract： The mowing robot is widely used in urban greening. However， the traditional rechargeable mowing robot must stop working when charging， and the power consumed by the robot and the noise disturbance cannot be ignored. A new type of mowing robot is designed，which the STC89C52 microcontroller is used as the control core of the robot， and the solar energy is used to supply power to realize energy saving. In order to reduce the noise during the operation， several low-speed DC motors are used to drive a new type reciprocated rotating blade to improve the environmental friendliness of the mowing robot. The mowing robot has the function of automatic obstacle avoidance when operating， and can realize the intelligent unmanned operation.

Key words： solar energy; reciprocated rotating blade; environmental friendliness; automatic obstacle avoidance

0 引言

伴隨社會的不斷進步和經濟的快速發展，人們對生活質量，特別是居住環境的要求越來越高，因此城市的綠化問題變得非常重要。草坪建設是城市綠化最基礎也是最重要的環節，如城市園林綠化、足球場、高爾夫球場等均離不開高質量的草坪建設。作為草坪建設與維護的關鍵設備，剪草機在實際中的應用越來越廣泛，但目前廣泛使用的剪草機普遍存在如下問題：①以燃油作為動力源，該方案不僅會給環境帶來一定危害，同時與如今提倡的最大限度地使用可再生能源的趨勢背道而馳;②以市電作為動力源，該方案充電過程中必須中斷作業，一定程度上限制了剪草機的工作效率;③傳統驅動方案和剪草刀頭的噪音大，環境友好性較差;④剪草過程中需專門的操作人員，經濟性較差。針對目前剪草機方案普遍存在的上述缺點，本文設計了一種新型太陽能靜音智能剪草機器人，以STC89C52單片機作為機器人的控制核心，可再生能源太陽能[1]作為動力源，并且采用多個低速直流電機驅動新型往復式旋轉刀頭的方案，此外，機器人采用HC-SR04超聲波傳感法和紅外線探測法結合微控制器實現了剪草機器人的自動避障[2-3]，可實現無人作業，最后搭建了實驗樣機，結果表明該方案可顯著提高剪草機器人的環境友好性和經濟性。

1 總體設計原理

該系統（如圖1）主要利用太陽能電池板采集能量，經蓄電池保護電路后對蓄電池充電，穩壓濾波后對機器人供電，STC89C52芯片負責傳感器的狀態，并發出指令控制電機驅動模塊。隨后驅動輪電機、刀頭電機啟動開始巡線前進，開始剪草工作。其中智能規避模塊使用HR-SR04超聲波傳感法進行測距和紅外探測法進行物質識別相結合的方式來實現，該模塊在單片機的控制指令下，對前方的路況進行檢查，并將檢測信息反饋給STC89C52單片機，經單片機處理分析后，反饋正確的控制指令，通過控制前轉向輪，后驅動輪調整機器人的運行的方向，達到剪草機器人避障循跡的目的。剪草完畢后，蜂鳴器指示燈報警，機器人回收。

2 系統的硬件設計

太陽能靜音智能剪草機器人以STC89C52單片機為控制核心，主要電路包括主控模塊、電機驅動模塊、智能規避模塊、電源模塊等。

2.1 主控模塊

采用STC89C52單片機[5-7]為整個系統的主控單元，來實現對機器人的控制，使機器人能夠智能運行。

STC89C52芯片以經典的MCS-51為核心，但在芯片的功能上做了較多的改進。在單芯片上，擁有8 位CPU和在系統可編程Flash，使得STC89C52為眾多嵌入式控制應用系統提供靈活、有效的解決方案。STC89C52主要功能、性能參數：

⑴ 8051單片機增強型，6時鐘/機器周期和12時鐘/機器周期可以任意選擇，指令代碼完全兼容經典8051。

⑵ 工作電壓為5 5V～3 3V/3 8V～2 0V。

⑶ 工作頻率范圍為0～40MHz，相當于普通8051的0～80MHz，實際工作頻率可達48MHz。