基于单片机甲醛检测机器人的设计

梁瑞

摘 要：针对目前多点位甲醛检测价格高且耗时长的问题，设计了甲醛检测机器人。该机器人可实现房间内各角落甲醛浓度自动检测与监控，定点多，检测时间快，灵敏度高。STC89C52单片机根据E18-D80NK-N紅外检测模块采集的实时障碍信息控制L293D电机实现机器人行进。同时，利用ZE08甲醛模组检测室内甲醛气体浓度并显示，当甲醛气体浓度超限时报警。

关键词：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;甲醛检测

Abstract：In view of the high price and long time of multi-point formaldehyde detection， a formaldehyde detection robot was designed. The robot can realize the automatic detection and monitoring of formaldehyde concentration in all corners of the room. It has the advantages of many fixed-point ctection， fast detection time and high sensitivity. The STC89C52 MCU controls the L293D motor to realize robot travel according to the real-time obstacle information collected by the E18-D80NK-N infrared detection module. At the same time， the ZE08 formaldehyde module is used to detect the indoor formaldehyde gas concentration and display and alarm when the formaldehyde gas concentration exceeds the limit.

Key words：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;formaldehyde detection

0 引言

随着人工智能时代的到来，智能机器人出现在各行各业中。甲醛是室内装修重要污染源之一，很多人选择甲醛检测机构或购买甲醛测试仪对新居进行检测[1-2]。然而这两种方式存在一些问题。首先，甲醛检测机构按检测点个数收费，检测点少不能准确反映整个空间甲醛浓度，检测点多则价格高。其次，检测机构普遍采用抽取各点位空气再到实验室与化学试剂做实验的方法进行检测，每个点位需逐个测量，多点位测量耗时长。第三，当新居密闭时间或温度变化时，甲醛浓度随之变化，随时进行检测显得费时费力。而甲醛检测仪虽然移动方便，但用户往往只购买一台，多点检测时需要逐一测试，因此耗时长。

本文基于STC89C52单片机设计了甲醛检测机器人。当开启机器人开关，该机器人自动开始检测室内甲醛浓度且具有避障功能，同时，可通过液晶显示甲醛浓度值并在甲醛浓度超限时启动报警。使用者无需一直守候该机器人，只需根据报警查看结果即可[3]。

1 设计方案

本设计采用STC89C52单片机作为主控芯片，甲醛检测机器人装载的红外检测模块实现对前方障碍物的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，单片机根据输入数据对甲醛检测机器人通过电机驱动进行智能控制，实现避障功能。同时，ZE08甲醛模组对当前位置甲醛气体浓度采样，通过单片机处理后显示甲醛浓度，当超过限值时报警，等待用户通过按键复位。整体系统设计框图，如图1所示。

2.1 避障系统设计

避障系统是甲醛检测机器人的核心。本设计中，采用STC89C52作为主控单元，当甲醛检测机器人前行时，红外传感器E18-D80NK-N立刻将检测到的障碍信息发送至单片机处理，单片机判断正确行驶方向后将结果发送至电机驱动芯片L293D驱动电机，从而避开障碍物[4]。电源模块采用两支18650可充电锂电池供电，两支电池串联起的电压约8 V左右，完全可以带动整个系统，而单片机为5 V供电，因此，L293D与单片机共用一个电源接入单片机时需使用7805稳压，7805稳压模块可提供稳定的5 V电压。避障系统硬件设计框图，如图2所示。

E18-D80NK-N是一种集发射和接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出，该传感器不仅能检测障碍物还能检测障碍物的间距[5]。由于一般障碍物都在机器人行驶方向前方，因此在智能机器人两端45度处安装两个E18-D80NK-N红外传感器，好比机器人的双眼，能准确检测出障碍物以及机器人与障碍物之间相对距离。该传感器电气结构为三根引线，分别为VCC、GND和OUT，OUT输出加一个1K左右的上拉电阻连接到单片机IO口即可[6-7]。

甲醛检测机器人行进方向的改变通过电机驱动芯片L293D实现。L293D是一种微型电机驱动集成电路芯片，支持VCC4.5-36 V，最大输出电流为1A，它只适合小型发动机，不适合大型工业应用，对于本设计中的甲醛检测机器人足以带动[8-9]。其输入引脚IN1与IN2分别连接P36引脚和P35引脚。L293D外围电路原理图，如图3所示。

2.2 甲醛检测系统设计

甲醛检测系统除共用避障系统单片机控制模块外还包括四个模块，分别为传感器模块、显示模块、报警模块和按键模块。甲醛传感器将采集到的模拟信号转换为数字信号送至单片机，显示模块显示甲醛浓度值，当该值高于设定的界限值时，报警器报警。其中，单片机具有两个按键开关实现报警门限值的设置[10-11]。

甲醛检测传感器采用ZE08甲醛模组，ZE08-CH2O型电化学甲醛模组是一个通用型、小型化模组。利用电化学原理对空气中存在的CH2O进行探测，具有良好的选择性和稳定性[12]。甲醛模组与单片机之间的数据交换是单向的，只需要甲醛模组向单片机发送数据即可。因此，将甲醛模组的数据输出引脚连接单片机的数据输入引脚。本设计中P30连接模组第6引脚，上拉330的电阻[13]。

数码管显示模块可准确有效的显示出有害气体浓度和报警门限值，数码管使用LCD1062[14-15]。该数码管能够同时显示32个字符，通过设计所需要的电压对其所要显示的区域进行控制，加电时可显示图像，其数字式接口便于与单片机直接相连。本设计中需要注意其VO端接3K上拉电阻。

按键设置模块使用2个按键与单片机连接，可设置报警门限值。当甲醛气体浓度高于设定的界限值时，驱动蜂鸣器报警[16]。甲醛检测模块电路原理图，如图4所示。

3 软件设计

避障系统运行逻辑是软件设计的核心。当前方无障碍物时，小车前进;当前方有障碍物时，小车向左行驶;当前方与左方均有障碍物时，小车向右行驶;当前方、左方和右方均检测到障碍物时，机器人后退。重复以上检测流程，实现甲醛检测机器人避障系统功能。避障系统运行逻辑图，如图5所示。

甲醛检测模块软件设计主要为数据处理，在没有中断产生时一直执行显示、按键处理及检测是否超限程序;当有中断产生的时候执行中断服务程序。其中超限程序为判断检测值是否超出限值，当超出限值时开始报警。流程如图6所示。

4 系统测试

当前方出现障碍物时，甲醛检测机器人先选择左方行进;当前方与左方出现障碍物时，甲醛检测机器人选择向右行进;当遇到90度拐角处时，甲醛检测机器人选择后退。实物如图7所示。

利用甲醛检测仪检测两处测试场地甲醛浓度分别为0.063 mg/M3和0.064 mg/M3，相同地点使用本系统进行甲醛检测结果分别为0.065 mg/M3和0.067 mg/M3，误差在允许范围内。设置甲醛检测限值为0.100 mg/M3，当在90度拐角处利用可燃物释放甲醛气体，测得甲醛浓度为0.225 mg/M3，此時，甲醛检测机器人报警。测试结果如表1所示。因此，本设计满足甲醛检测机器人的设计要求。

5 总结

本文提出了基于STC89C52单片机甲醛检测机器人的设计方法。主要阐述了避障系统和甲醛检测系统两部分，其中避障系统硬件设计核心包括单片机最小系统设计、红外传感器E18-D80NK-N电路设计和L293D电机驱动模块电路设计;甲醛检测系统硬件包括传感器、显示、报警和按键四个模块。软件设计主要为避障系统运行逻辑设计和单片机对传感器采集数据的处理。经测试，本设计具有自动检测室内甲醛浓度，设置甲醛浓度上限值，显示检测结果且超限报警的功能。整个系统性能稳定，感应灵敏，价格低廉，应用前景广泛。

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（收稿日期：2019.03.20）