油煙管道清潔機器人的設(shè)計

濮陽縣職業(yè)技術(shù)學(xué)校 王蓮進

1 清潔機器人的總體設(shè)計

1.1 總體設(shè)計方案

控制芯片是油煙管道清潔機器人的核心，用軟件的方式來代替復(fù)雜的硬件電路設(shè)計，減低設(shè)計的困難程度，更方便簡單地實現(xiàn)各種功能，并且可以很好地完成初始設(shè)計的要求。整體設(shè)計方案的系統(tǒng)框圖如圖1所示，包括單片機STC89C52、驅(qū)動模塊、檢測模塊、信號接收模塊、電源模塊、沖洗模塊組成。

圖1 清潔機器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理

STC89C52單片機是系統(tǒng)實現(xiàn)智能功能的核心。通過燒錄進單片機的程序，根據(jù)信號接收模塊傳入的信息，自動控制油煙管道清潔機器人實現(xiàn)各種設(shè)計功能。驅(qū)動模塊主要由L298N芯片組成。用于驅(qū)動行走電機。行走電機主要控制四個車輪轉(zhuǎn)速以實現(xiàn)油煙管道清潔機器人的運動。信號接收模塊主要由紅外轉(zhuǎn)彎傳感器左右各一個，紅外防墜傳感器一個和紅外碰撞傳感器前方和左右各一個組成。這些傳感器用于控制機器人的行走方向，實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎和防墜落功能。電源模塊采用充電電池給提供的7.2V電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的可供微控制器，傳感器和其他模塊使用的5V電壓。沖洗模塊采用電磁閥控制沖洗直流電機工作。由單片機控制電磁閥的開閉。沖洗直流電機控制沖洗高壓水槍負責(zé)沖洗油煙管道里的油煙。

1.2 檢測和監(jiān)測模塊的設(shè)計

監(jiān)測模塊的攝像頭是放置在后方，拍攝后方的情況，檢測模塊的攝像頭是布置在前方，用于拍攝前方油煙管道的情況。工作過程為：先設(shè)置單片機使單片機和攝像頭頻率相同，實現(xiàn)單片機與攝像頭同步，然后單片機在指定時間向攝像頭發(fā)射特點指令，控制攝像頭拍攝，上傳數(shù)據(jù)給zigbee無線通信模塊，最后再由無線通信模塊把數(shù)據(jù)傳送給上位機，通過上位機顯示拍攝畫面。如圖2所示為檢測和監(jiān)測模塊系統(tǒng)設(shè)計框圖。

圖2 檢測和監(jiān)測模塊系統(tǒng)框圖

2 清潔機器人的硬件設(shè)計

2.1 電源模塊的設(shè)計

本設(shè)計采用LM7805CV穩(wěn)壓芯片作為穩(wěn)壓電源的核心設(shè)計。LM7805CV穩(wěn)壓芯片可以輸出穩(wěn)定的5V電壓，其輸出電流可以達到1.5A，因為內(nèi)含限流保護電路，所以可以防止負載短路燒毀器件。電路原理圖如圖3所示。

2.2 驅(qū)動模塊的設(shè)計

圖4是模塊設(shè)計的電路原理圖，有L298N驅(qū)動電路和保護電路兩部分。用于驅(qū)動直流電機正反轉(zhuǎn)和調(diào)速。

圖3 5V穩(wěn)壓電源模塊

2.3 保護電路部分的介紹

由于輸出端口連接到電機線圈，這將產(chǎn)生反電動勢，這將對L298N造成沖擊，這很容易造成損壞，特別是當(dāng)有正電壓或負電大于電源電壓時生成，更有可能損壞L298N。兩根二極管1N4007添加到根線以進行保護。保護原理是：當(dāng)產(chǎn)生的反電動勢為正且超過電源+0.7V時，下二極管導(dǎo)通，因此它被限制在+0.7V的電壓，并且不會產(chǎn)生超過+0.7V的電壓值。當(dāng)產(chǎn)生的反電動勢為負且低于-0.7V時，上二極管導(dǎo)通，其限制為-0.7V且不低于-0.7V。這可以保護L298N芯片免受損壞。

圖4 驅(qū)動模塊電路圖

圖5 紅外傳感器電路

清潔機構(gòu)的清潔機構(gòu)由直流電機驅(qū)動。因為不需要控制速度，所以不需要經(jīng)常停止。因此直接將直流電機與電源連接，只要一上電就直接一直工作。

2.4 避障模塊的設(shè)計

紅外傳感器具有很強的適應(yīng)性，對光線很敏感，精度很高。通過發(fā)射紅外線，檢測反射回來的紅外線強度來判斷前方障礙物的距離。有效檢測距離為2～30cm，工作電壓為3.3V～5V。其紅外傳感器電路原理圖如圖5所示。

其工作原理如下：當(dāng)上電后，電源指示燈亮，紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，反射回來的紅外線被紅外接收二極管接收，紅外接收二極管根據(jù)接收的紅外線強度來改變導(dǎo)通程度。當(dāng)返回的紅外線強度足夠時，使紅外接收二極管導(dǎo)通程度大，導(dǎo)致LM393正輸入端的電壓大，通過和VR1電阻設(shè)置的電壓比較，高時使電壓比較器LM393導(dǎo)通輸出低電壓，開關(guān)指示燈亮。

3 清潔機器人軟件設(shè)計及調(diào)試

3.1 行走電機控制程序

由直流電機驅(qū)動油煙管道清潔機器人的四個輪子。通過差速的方法來實現(xiàn)變向與轉(zhuǎn)彎。在這個油煙管道清潔機器人的設(shè)計中，是通過單片機向L298N驅(qū)動電路輸入信號間接控制直流電機的運行狀態(tài)。如表1所示為L298N控制其中一個直流電機運行的真值表。

表1 L298N控制電機的真值表

其中，“1”為高電平輸入；“0”為低電平輸入。當(dāng)使能端口ENA輸入為0時，不管IN1和IN2這兩個控制端口輸入為何值時電機都不能轉(zhuǎn)。在使能端口輸入為1時，當(dāng)L298N芯片兩個控制端口（IN1和IN2）同時輸入為高電平或低電平時，電機也不能旋轉(zhuǎn)。只有在使能端口輸入為1，同時一個控制端口輸入高電平而另一個控制端口為低電平時旋轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1為1，IN2為0時直流電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)IN1為0，IN2為1時直流電動機反轉(zhuǎn)。

要使機器人轉(zhuǎn)彎，就要使一邊的電機停止，另一邊的電機正轉(zhuǎn)，差速轉(zhuǎn)彎。右轉(zhuǎn)程序如下：

3.2 電機轉(zhuǎn)速控制

油煙管道中的清潔工作不需要很高的速度，對于行走和轉(zhuǎn)彎也需要不同的速度。所以需要使用PWM調(diào)速方法來改變速度。這里只用一個定時器就可以產(chǎn)生多組不同的PWM波的方法。產(chǎn)生PWM波的原理為：把波形的一個周期平分為N份，其中t份為高電平，（N-t）份為低電平。具體產(chǎn)生兩個PWM波的方法，把一個周期T分為10份，其中每份的時間間隔為一次定時器的時間t。為了產(chǎn)生PWM1的占空比為30%，PWM2的占空比為50%。所以PWM1是前3次定時器時間為高電平，后7次定時器為低電平，達成一個周期，然后如此循環(huán)下去，就產(chǎn)生了占空比為30%的PWM波形。PWM2是前5次定時器為高電平，后5次定時器為低電平，一個周期也是10次定時器。同理也可以在生成其他更多的PWM波。

3.3 行走和轉(zhuǎn)彎流程

因為是在油煙管道中行走，管道很狹窄，清潔機器人的體積已經(jīng)占了很大的空間，所以機器人在管道中行走的空間很小，只能讓機器人不斷地前進，過程中通過小幅度的轉(zhuǎn)彎來保證機器人始終保持在管道中間，當(dāng)遇到管道轉(zhuǎn)彎時原地大幅度轉(zhuǎn)彎來達到轉(zhuǎn)彎的效果。

上電開始自動行走，當(dāng)左碰撞紅外傳感器檢測到了信號時，說明機器人離管道左側(cè)靠的太近，所以機器人自動向右小幅度轉(zhuǎn)彎。同理當(dāng)右碰撞紅外傳感器檢測到了信號時，機器人左小轉(zhuǎn)。當(dāng)機器人走到轉(zhuǎn)角處時，前紅外檢測傳感器檢測到信號，同時右轉(zhuǎn)紅外傳感器沒有檢測到信號，機器人速度降低自動右轉(zhuǎn)彎。同理當(dāng)前紅外檢測傳感器檢測到信號，同時左轉(zhuǎn)紅外傳感器沒有檢測到信號，機器人速度降低自動左轉(zhuǎn)彎。機器人正在行走時，如果當(dāng)走的油煙管道盡頭時，盡頭檢測傳感器檢測不到信號，這時機器人蜂鳴器報警，同時機器人停止前進。沒有到盡頭時則正常前進。當(dāng)機器人走到死角時，前方不能前進同時左右也沒有路口時，機器人啟動報警同時停止前進。

3.4 仿真調(diào)試

按照設(shè)計好的電路圖，用Proteus軟件進行行走程序的仿真調(diào)試。由于仿真軟件中沒有電機，蜂鳴器和紅外傳感器這些元器件。所以用開關(guān)來代替紅外傳感器，用二極管來看輸出，如圖6為直行運行時產(chǎn)生的PWM波形。從波形可以看出達到了設(shè)計時要求的占空比。

圖6 PWM波形圖

結(jié)論：本設(shè)計采用了STC89C52單片機作為油煙管道清潔機器人核心控制芯片，使用了直流電機和差速轉(zhuǎn)向的原理，蜂鳴器報警及紅外傳感器，使得油煙管道清潔機器人制作成本相對較低，功能基本準確實現(xiàn)。