多功能扫地机器人的设计及制作

唐益协 周亮 魏泽宇 吴智辉 董清

摘要：随着机器人技术的进步，人们追求高品质生活，期待拥有可以清洁家庭卫生的机器人，使用超声波、环境监测模块实现避障和环境检测，手机APP对机器人控制，边刷和吸尘电机进行清洁，STC单片机对信息进行处理的机器人将使生活更加方便。

关键词：STC15系列单片机；APP控制；WIFI连接；室内环境检测

1 多功能扫地机器人的设计目的

随着物联网的发展，收入的提高，人们追求高质量的生活环境，为了代替人力更好的清洁，多功能扫地机器人应运而生。

2 多功能扫地机器人的系统构架

3 多功能扫地机器人的硬件设计

3.1 处理芯片

本机器人采用STC15W4K58S4单片机作为核心控制芯片，数据存储器大小：4KB；高速且比传统8051快7～12倍也比STC早期的1T系列单片的速度快20倍，拥有低功耗模式。无需外部复位和外部晶振的单片机，内部有高精度R/C时钟，内置硬件看门狗，成本低，前景好。

3.2 边刷电机

在本项目中，扫地机器人是通过CR120边刷电机来实现第一次清扫，边刷电机是一种带有清洁刷的利用电动机带动刷子旋转运动的，将电能转化为机械能的电机，因此用它来实现清扫。

3.3 吸尘器电机

在本项目中运用最常见的串励电机，一种应用非常广泛的电机，它的优点是转速高、起动力矩大、体积小、重量轻、不易堵转、适用电压范围广，可利用调压来调速来实现吸尘功能。

3.4 行走电机

行走电机采用差动结构，利用单片机产生的PWM波进而通过L298P芯片驱动两个减速电机运转，行走电机主要是通过控制PWM的占空比来实现加速减速。

3.5 WIFI模块

WIFI模块使用的是ESP8266，它是一款超低功耗的UARTWIFI传输模块，体积小，稳定性好，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到WIFI无线网络上，从而使设备和APP之间进行通信。

3.6 超声波模块

超声波模块：采用HCSR04具有精度强体积小的优点，用于检测障碍物距离和角度。运用非径向排列的避障方法，此模块分辨率高达0.3cm，功耗低。模块可提供2cm400cm的非接触式距离感测功能， 测距精度可达高到 3mm。

基本工作原理为：

（1）采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信呈。

（2）模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回。

（3）有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。

3.7 环境监测显示模块

为了让机器人更加智能，在清洁的基础上添加了温湿度和环境质量监测模块，此模块我们选择DHT11数字温湿度和MQ135环境检测传感器。DHT11可以对温度和湿度进行测量，而MQ135可以对室内的CO、笨、硫、甲醛等有害气体进行检测，且传感器的稳定性强、信号传输距离长、能耗低。通过单片机获取DHT11和MQ135测得的环境数据，将其显示在LCD1602液晶屏上。

4 软件设计

4.1 APP的设计

通过JAVA语言设计一款轻便的WIFI小车APP，APP与ESP8266WIFI模块之间使用TCP/IP协议进行数据通信，从而控制小车前进、后退、左转、右转和调速等。

4.2 PWM控制算法

原理：通过控制单片机输出的2路PWM波（A路：左边 B路：右边）的占空比来实现对小车的加速减速停车等动作。

当小车前方没有障碍物时，PWM波占空比最大，小车沿直线全速前进。

当小車左前方有障碍物时，B路PWM波占空比减小，相应的右轮减速，使小车向右转。

当小车右前方有障碍物时，A路PWM波占空比减小，相应的左轮减速，使小车向左转。

当小车正前方有障碍物时，优先向左转，A路PWM波占空比减小，小车向左转。

5 结语

多功能扫地机器人是集清洁、自动避障、环境监测、APP控制等功能于一体的智能清洁机器人。将科技融入生活，使生活便捷。

参考文献：

[1]李友全编著.51单片机轻松入门—基于STC15W4K系列.北京航空航天大学出版社.

[2]殷志坚，刘玉莹，詹华群，等.电子技能训练[M].中南大学出版社.

[3]张屹，蔡木生.Java核心编程技术.大连理工出版社.

[4]STC15W4K官方使用手册，HCSR04超声波使用手册，WIFI模块官方使用文件，MQ135模块手册.DOI：10.19392/j.cnki.16717341.201819012