基于51单片机的扫地小车，扫地机器人设计。 有原理图，程序代码，原文。 可做实物。 主要功能有寻迹避障，来回清扫功能，往返清扫功能。

基于 51 单片机的扫地小车嵌入式控制框架——功能全景解析

1. 引言

在资源受限的 8 位 MCU 场景下，如何用最少的硬件、最精简的代码，同时完成“环境感知-路径决策-执行机构-人机交互”闭环，是低成本机器人永恒的话题。本文以一套 51 内核扫地小车固件为样本，从系统视角拆解其设计思想、数据流、时序、异常策略与可演进方向，帮助读者在“零原理图”情况下即可复刻、移植或二次开发。

1. 系统总览

2.1 硬件拓扑

• 运动层：双直流电机差速驱动，四路 NMOS 全桥，正反转可控。
• 感知层：四路地面灰度传感器（寻迹）+ 一路 HC-SR04 超声波（避障）。
• 交互层：1602 字符 LCD、有源蜂鸣器、侧键开关。
• 计算层：AT89C52 主频 12 MHz，片上 Timer0/1、外部中断、GPIO 5 V 容忍。

2.2 软件架构

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│ 1. 板级支持包(BSP) │ ← 定时器、GPIO、LCD 原始驱动

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│ 2. 传感器抽象层 │ ← 超声波时序、灰度采样、滤波

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│ 3. 行为决策引擎 │ ← 有限状态机，输入“线偏差+障碍物”，输出“运动向量”

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│ 4. 运动执行层 │ ← 差速 PID、软启动、紧急刹车

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│ 5. 用户接口 │ ← LCD 页面调度、声光提示、低功耗休眠

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1. 核心数据流

(1) 上电 → 自检（LCD 欢迎页、蜂鸣器短鸣）

(2) 主循环 20 ms 节拍：

  a. 发射超声波 → 等待回波 → 计算距离 L

  b. 读取 P1 口灰度状态 → 得到 5 bit 线码（4 路线+1 位障碍）

  c. 决策引擎：

    if L < 阈值 → 进入“障避”子状态机（左转 45°、后退、重试）

    else → 根据线码查表输出差速向量

基于51单片机的扫地小车，扫地机器人设计。 有原理图，程序代码，原文。 可做实物。 主要功能有寻迹避障，来回清扫功能，往返清扫功能。

  d. 更新 LCD（距离、当前行为字符串）、设置电机 PWM（软切换）

(3) 空闲时进入 IDLE 模式，定时器 1 中断唤醒，平均功耗 < 25 mA。

1. 行为决策有限状态机（FSM）

状态编码 3 bit，共 8 态：

S0 直线巡航

S1 左缓弯

S2 右缓弯

S3 左急弯

S4 右急弯

S5 障碍规避中

S6 脱轨倒车

S7 安全停止

触发事件：

• 线码变化（高 4 bit）
• 距离中断标志（echo 超时或 < 20 cm）
• 脱轨超时计数器（连续 300 ms 无线码）

状态迁移原则：

1) 障碍优先级最高，任何状态下 L < 阈值立即进入 S5；

2) 同侧持续 3 周期以上才允许从缓弯→急弯，防止抖动；

3) 脱离线码 0.3 s 自动倒车 5 cm，再重新寻迹；

4) 电池电压检测（未在代码中体现，可扩展 ADC 通道）低于 6.2 V 进入 S7 并声光报警。

1. 时序与中断模型

Timer0：13 位计数器，仅用于超声波 echo 宽度测量，溢出中断置位 flags。

Timer1：50 ms 周期中断，做两件事：

• 软 PWM：中断内计数 0-19，产生 0/1 占空比，实现电机无级调速；
• 看门狗：连续 10 次未收到有效线码，触发“脱轨”事件。

外部中断 INT0：预留为电池电压比较器输出，低电平触发紧急停机。

1. 异常与容错策略

• 超声波回波丢失：超时 30 ms 强制 flags=1，距离寄存器置 500 cm，避免误判为 0 cm。
• 电机堵转：通过电流采样电阻+比较器（硬件）拉低 P3.2，触发 INT0，固件立即切断 PWM。
• LCD 通信异常：每帧写指令后读忙标志，连续 3 次失败自动降速 50% 时序重试。
• ESD 群脉冲：所有输入口均 10 kΩ 下拉+100 nF 电容，状态机定期“喂狗”复位。

1. 低功耗与可量产化思考

• 电机驱动采用 20 kHz 以上 PWM，避开人耳可闻噪声；
• 待机时关闭 Timer0、LCD 背光，IO 设为输入上拉，整机电流 < 3 mA；
• 软件保留 ISP 入口，P1.0/P1.1 上电时拉低可进入 BootLoader，方便产线烧录；
• 关键参数（超声波阈值、倒车距离、PID 系数）统一放到 code 区 const 表，支持外部 EEPROM 覆盖，实现“免编译”调校。

1. 二次开发路线图

Step1：把灰度传感器换成 6 路，线码扩到 8 bit，查表法升级为“三点二次拟合”，可跑 1 cm 曲率弯道。

Step2：增加陀螺仪（MPU6050 I²C），利用 Timer2 软件模拟 I²C，实现 90° 精准旋转与房间分区。

Step3：将决策层搬到 PC 端 Python，通过 2.4 G 无线模块实时下发音速图，实现 SLAM 可视化。

Step4：移植到 32 位 MCU（如 GD32F103），保留原 HAL 接口，老代码 1 小时内即可编译通过。

1. 结语

这套 51 内核工程用最“原始”的外设拼出了一套可闭环的扫地原型：无操作系统、无动态内存、代码总量不足 4 KB，却完成了感知、决策、执行、交互全链路。它像一面镜子，把“功能最小可用”折射得淋漓尽致：当硬件资源被压缩到极致，软件就必须在“确定性时序”“状态机”“查表法”中寻找生存空间。理解这一点，再迁移到更强大的平台，你就能在复刻与创新的天平上，找到属于自己的支点。