摘要

目前，各式各样的服务机器人越来越多应用于人们的生活中，从事着与人们生活息息相关的服务工作，极大地提高和改善了人们的生活质量。室内智能扫地机器人就是在这种背景下诞生的一种家庭服务机器人。室内智能扫地机器人的路径规划采用区域充满的规划方法，目标是在设定区域内寻找一条从始点到终点且经过所有可达点的连续路径。根据建立的扫地机器人平台，提出清扫机器人随机运动路径规划算法。机器人利用其上安装的红外传感器，当遇到障碍物时，启动障碍物应对策略，通过计算机软件仿真和在房间环境中进行实验验证了该算法的有效性。

关键词：扫地机器人单片机环境识别路径规划

智能扫地机传感器系统

传感器系统是扫地机的感觉器官,负责采集环境障碍物和自身状态的信息，是扫地机的重要组成部分，由多传感器及相关信号处理电路组成。在非结构化环境下，传感器系统为扫地机的正常工作发挥着无可替代的作用。扫地机传感器系统的性能越好，自动避障和路径规划方案就越容易实现，控制系统的程序就更容易编写和执行，扫地机系统的整体性能也就越好。

红外光电传感器具有探测视角小、方向性好、信号处理简单和反映速度快等优点，但是其受环境影响较大，当探测头被灰尘等污染后，其探测性能将大大下降。红外光电传感器是各种光电检测系统中实现光电转换的关键元件，它是把光信号（红外、可见及紫外光辐射）转变成为电信号的器件。红外光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。红外光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，它的探测距离比较近，从几个毫米到几十厘米不等。因此,光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。

扫地机传感器系统的主要任务是提供工作环境下的障碍物信息，以实现扫地机的自主避障。由此可见，传感器的选择直接关系到清扫机自动避障策略的选择和执行质量。

一、硬件方案

硬件构成：51单片机+L293D电机驱动+按键+蜂鸣器+LED指示灯+红外传感器+稳压电路

二、设计功能

单片机型号：STC89C52/51、AT89C52/51、AT89S52/51 都可通用。

1、通过按键可以启动停止；

2、还有一个按键可以调节工作定时时间；

3、led定时指示灯，红色15分钟，绿色30分钟，黄色60分钟（时间可以更改）；

4、一个小风扇模拟吸尘。

三、实物图

驱动系统

电机的运动系统结构如图5，它决定了机器人的运动空间，采用轮式结构。其中左右轮为主动轮，需要用可调速的电机控制，前面的转向轮为从动轮，便于机器人的转向。

直流电动机具有良好的线性调速特性、简单的控制性能、较高的效率、优良的动态特性，所以一直占据着调速控制的统治地位。虽然近年不断受到其他电动机如交流变频电动机、步进电动机的挑战，但直流电动机仍然是许多调速控制电动机的最优选择，在生产、生活中仍有着广泛的应用。

采用广泛应用的脉宽调制技术控制电动机电枢的电压。所谓 PWM 控制技术，就是通过控制半导体开关器件的导通与关断，把直流电压变成电压脉冲序列并通过控制电压脉冲宽度或周期以达到变压的目的。

产生PWM信号常用的 4 种方法如下：

1.分立电子元件组成的PWM信号发生器。这种方式是用分立的逻辑电子元件组成信号电路，是较早采用的方法，可靠性、可调性较差；

2.软件模拟式。利用单片机的一个I/O引脚，通过软件对该引脚输出高低电平来模拟PWM波，该方法占用CPU的时间较多，控制软件较复杂；

3.专用PWM集成电路。采用专用的 PWM 集成电路芯片，该方法功能强，但增加了调速系统的成本开销；

4.单片机的PWM口。新一代的许多单片机具有PWM调速功能。通过单片机的初始化设置，使其自动发生脉冲波，只有在改变脉冲宽度时才进行干预，

该方法控制直流电动机转速简单、可靠。所以使用单片机的PWM口作为电机的PWM调速控制。

无刷直流电动机简称BLDC，学名是无换向器电机或无整流子电机，是一种新型的无级变速电机。它具有直流电机良好的调速特性，但由于没有换向器，因而可做成无接触式，具有结构简单，制造方便，不需要经常性维护等优点，是一种理想的变速电机。

选用的轮子驱动电机即为无刷直流电机，其工作电压是10~15V，最大工作电流0.84A，正常工作电流0.4A，有专门的换向控制引脚，高低电平控制正反转。该电机可以由PWM信号直接驱动，允许的脉宽调制脉冲信号输入参数为：允许输入PWM的频率最大为 50kHz；高电平的输入电压范围为2.0V~5.0V；低电平的输入电压为 0V~1.0V；输入开路电压为 4.5V~5V。

单片机模块设计

单片微型计算机是随着微型计算机的发展而产生和发展的。自从1975 年美国德克萨斯仪器公司的第一台单片微型计算机（简称单片机）TMS-1000 问世以来，迄今为止，单片机技术已成为计算机技术的一个独特分支，单片机的应用领域也越来越广泛，特别是在工业控制中经常遇到对某些物理量进行定时采样与控制的问题，在仪器仪表智能化中也扮演着极其重要的角色。

如果将8位单片机的推出作为起点，那么单片机的发展历史大致可以分为以下几个阶段：

第一阶段（1976—1978）：单片机的探索阶段。以Intel公司的MCS-48为代表。MCS-48的推出是在工控领域的探索，参与这一探索的公司还有Motorola、Zilog等。都取得了满意的效果。这就是SCM的诞生年代，“单片机”一词即由此而来。

第二阶段（1978—1982）：单片机的完善阶段。Intel公司在MCS-48基础上推出了完善的、典型的单片机系列MCS-51。它在以下几个方面奠定了典型的通用总线型单片机体系结构。

（1）完善的外部总线。MCS-51设置了经典的8位单片机的总线结构，包括8位数据总线、16位地址总线、控制总线及具有多机通信功能的串行通信接口。

（2）CPU外围功能单元的集中管理模式。

（3）体现工控特性的地址空间及位操作方式。

（4）指令系统趋于丰富和完善，并且增加了许多突出控制功能的指令。

第三阶段（1982—1990）：8位单片机的巩固发展及16位单片机的推出阶段，也是单片机向微控制器发展的阶段。Intel公司推出的MCS-96系列单片机，将一些用于测控系统的模数转换器、程序运行监视器、脉宽调制器等纳入片中，体现了单片机的微控制器特征。

第四阶段（1990—）：微控制器的全面发展阶段。随着单片机在各个领域全面、深入地发展和应用，出现了高速、大寻址范围、强运算能力的8位/16位/32位通用型单片机，以及小型廉价的专用型单片机。

单片机是在集成电路芯片上集成了各种元件的微型计算机，这些元件包括中央处理器CPU、数据存储器RAM、程序存储器ROM、定时/计数器、中断系统、时钟部件的集成和I/O接口电路。由于单片机具有体积小、价格低、可靠性高、开发应用方便等特点，因此在现代电子技术和工业领域应用较为广泛，在智能仪表中单片机是应用最多、最活跃的领域之一。在控制领域中,现如今人们更注意计算机的底成本、小体积、运行的可靠性和控制的灵活性。在各类仪器、仪表中引入单片机，使仪器仪表智能化，提高测试的自动化程度和精度，提高计算机的运算速度，简化仪器仪表的硬件结构，提高其性能价格比。

单片机引脚介绍

单片机主要特点：

（1）有优异的性能价格比。

（2）集成度高、体积小、有很高的可靠性。单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性和抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合在恶劣环境下工作。

（3）控制功能强。为了满足工业控制的要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

（4）低功耗、低电压，便于生产便携式产品。

（5）外部总线增加了I2C（Inter-Integrated Circuit）及SPI(Serial Peripheral Interface)等串行总线方式，进一步缩小了体积，简化了结构。

（6）单片机的系统扩展和系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

优异的性能价格比。

1）集成度高、体积小、有很高的可靠性。

单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。

此外，程序多采取固化形式也可以提高可靠性。

2）控制功能强。

为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中均有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次的微机。

单片机的系统扩展、系统配置较典型、规范，容易构成各种规模的应用系统。

VCC：STC89C52电源正端输入，接+5V。

GND：电源地端。

XTAL1: 单芯片系统时钟的反相放大器输入端。

XTAL2：系统时钟的反相放大器输出端，一般在设计上只要在 XTAL1 和 XTAL2 上接上一只石英振荡晶体系统就可以动作了，此外可以在两引脚与地之间加入一 20PF 的小电容，可以使系统更稳定，避免噪声干扰而死机。

RESET：STC89C52的重置引脚，高电平动作，当要对晶片重置时，只要对此引脚电平提升至高电平并保持两个机器周期以上的时间，AT89S51便能完成系统重置的各项动作，使得内部特殊功能寄存器之内容均被设成已知状态，并且至地址0000H处开始读入程序代码而执行程序。

EA/Vpp："EA"为英文"External Access"的缩写，表示存取外部程序代码之意，低电平动作，也就是说当此引脚接低电平后，系统会取用外部的程序代码（存于外部EPROM中）来执行程序。因此在8031及8032中，EA引脚必须接低电平，因为其内部无程序存储器空间。如果是使用 8751 内部程序空间时，此引脚要接成高电平。此外，在将程序代码烧录至8751内部EPROM时，可以利用此引脚来输入21V的烧录高压（Vpp）。

ALE/PROG：ALE是英文"Address Latch Enable"的缩写，表示地址锁存器启用信号。STC89C52可以利用这支引脚来触发外部的8位锁存器（如74LS373），将端口0的地址总线（A0～A7）锁进锁存器中，因为STC89C52是以多工的方式送出地址及数据。平时在程序执行时ALE引脚的输出频率约是系统工作频率的1/6，因此可以用来驱动其他周边晶片的时基输入。此外在烧录8751程序代码时，此引脚会被当成程序规划的特殊功能来使用。

PSEN：此为"Program Store Enable"的缩写，其意为程序储存启用，当8051被设成为读取外部程序代码工作模式时（EA=0），会送出此信号以便取得程序代码，通常这支脚是接到EPROM的OE脚。STC89C52可以利用PSEN及RD引脚分别启用存在外部的RAM与EPROM，使得数据存储器与程序存储器可以合并在一起而共用64K的定址范围。

PORT0（P0.0～P0.7）：端口0是一个8位宽的开路汲极（Open Drain）双向输出入端口，共有8个位，P0.0表示位0，P0.1表示位1，依此类推。其他三个I/O端口（P1、P2、P3）则不具有此电路组态，而是内部有一提升电路，P0在当做I/O用时可以推动8个LS的TTL负载。

PORT2（P2.0～P2.7）：端口2是具有内部提升电路的双向I/O端口，每一个引脚可以推动4个LS的TTL负载，若将端口2的输出设为高电平时，此端口便能当成输入端口来使用。P2除了当做一般I/O端口使用外，若是在STC89C52扩充外接程序存储器或数据存储器时，也提供地址总线的高字节A8～A15，这个时候P2便不能当做I/O来使用了。

PORT1（P1.0～P1.7）：端口1也是具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个LS TTL负载，同样地若将端口1的输出设为高电平，便是由此端口来输入数据。如果是使用8052或是8032的话，P1.0又当做定时器2的外部脉冲输入脚，而P1.1可以有T2EX功能，可以做外部中断输入的触发脚位。

PORT3（P3.0～P3.7）：端口3也具有内部提升电路的双向I/O端口，其输出缓冲器可以推动4个TTL负载，同时还多工具有其他的额外特殊功能，包括串行通信、外部中断控制、计时计数控制及外部数据存储器内容的读取或写入控制等功能。

其引脚分配如下：

P3.0：RXD，串行通信输入。

P3.1：TXD，串行通信输出。

P3.2：INT0，外部中断0输入。

P3.3：INT1，外部中断1输入。

P3.4：T0，计时计数器0输入。

P3.5：T1，计时计数器1输入。

P3.6：WR：外部数据存储器的写入信号。

P3.7：RD，外部数据存储器的读取信号。

RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。

ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。

PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。

EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。

四、原理图

在本设计做的过程中，硬件和软件方面都遇到了许多问题，但是相比于软件，在硬件方面还是比较快解决的方面，因为硬件是比较容易检查出来错误的，软件比较晦涩难懂，还是有一定难度。
在硬件调试问题上，首先焊接好了元器件实物板后，先用万用表测量这个工业板子的电源方面，电源方面是最重要的问题，应该是特别需要检查的地方，以防止电源的短路和正负极的错误。然后在仔细检查电路的连接是否有问题，或者有没有虚焊或者没有焊接到的地方，然后核对一下元器件的安装是否有问题，安装上去是否符合规定，由于已经是大学四年都是做过了很多实训过来了，对于这些还是游刃有余的，但是在上机调试后还是发现了很多的问题。

五、PCB图

六、Proteus仿真

七、程序源码

Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统，与汇编相比，C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、链接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（μVision）将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程，那么Keil几乎就是你的不二之选，即使不使用C语言而仅用汇编语言编程，其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。