1 绪论

1.1 研究背景

随着科学技术的不断发展和人们生活水平的不断提高，先进科技已经以一种无可抵挡之势走进千家万户，而智能家居产品也以前所未有的速度在普通家庭出现，智能家居产品目击目击目击目击益增多，扫地机器人使人们从繁琐的打扫地面卫生中解放出来，深受消费者欢迎。现在的扫地机器人越来越先进，拥有的功能越来越多，有路径规划，自动回充，虚拟墙，app遥控等，这类产品都是采用高性能处理器和控制芯片，结构复杂，成本高，不适宜初学者和电子爱好者理解与掌握其工作原理。单片机是电子信息类专业重要的技术基础课，广泛应用于工业控制、智能仪表、消费电子等领域。stc89c52单片机属于经典的51单片机，结构简单、指令系统完善、有成熟的开发工具、成本低，常用于高校教学和电子设计竞赛中常用的控制芯片。通过基于stc89c52单片机的项目开发，可帮助学习者掌握单片机的工作原理、接口技术、程序设计方法，为后续学习更复杂的嵌入式系统打下基础。鉴于扫地机器人产品先进且成本高，初学者不易理解其工作原理，单片机课程设计要求所设计项目具有相对明确的功能和结构，成本低，易于控制。

因此本设计选择stc89c52单片机为核心控制芯片，通过连接红外避障传感器模块、直流电机驱动模块、风扇驱动电路，设计一款功能明确、结构简单、成本低的小型清扫机器人系统，既可以作为智能清扫机器人的简易版本，又可以作为单片机课程设计的案例，具有实用性和教学参考价值。

1.2 系统功能概述

系统由stc89c52单片机、2个红外避障模块、2个按键、风扇驱动模块、l298n电机驱动模块和电池盒供电构成。系统工作流程如下:按下启动键后，小车开始向前行驶；当左侧的红外避障模块接收到障碍物反射回来的红外线时，小车右转，当右侧的红外避障模块接收到障碍物反射回来的红外线时，小车左转，在小车转向时，风扇驱动模块驱动风扇转动进行吸尘；按下停止按键后，小车停止行驶，风扇停止转动。单片机控制各模块协同工作，实现自动避障吸尘清扫的目的。

1.3 主要研究内容

本论文的主要内容如下:系统总体方案设计，确定了系统的功能需求以及实现方式，系统硬件模块和软件模块的划分；接着进行了硬件电路设计，包括stc89c52单片机最小系统电路、按键电路、红外避障传感器接口电路、风扇驱动电路、l298n电机驱动电路的设计与实现；然后进行了软件程序设计，在keil开发环境下使用c语言编写了主程序及相关子程序模块，实现了避障判断、电机控制和风扇启停等功能；最后进行了系统调试与功能验证，对系统功能进行测试，看是否满足设计要求，对测试结果进行分析。

第二章 系统总体设计

2.1 系统功能要求

要求该系统具备自动避障、吸尘的功能，是一个迷你型的扫地机器人。上电后待机；启动键，小车开始工作，进行避障；小车运行，左右两只红外避障器不断检测前方是否有障碍物；kp1左侧传感器检测到障碍物，系统判断左侧有障碍，小车向右转弯；kp2右侧传感器检测到障碍物，系统判断右侧有障碍，小车向左转弯；小车转弯同时启动风机电机开始吸尘；停止键，小车停止，风扇停转；快速响应，运行稳定，功耗低。

2.2 系统组成结构

根据功能要求，本系统由以下几个部分组成：

（1）控制核心模块：采用STC89C52单片机，负责接收输入信号、进行逻辑判断、输出控制信号。单片机最小系统包括复位电路、时钟电路和电源电路，确保单片机能够正常工作。

（2）输入模块：包括2路红外避障传感器和2路按键。红外避障传感器用于检测前方是否有障碍物，输出数字信号给单片机；按键用于输入启动和停止指令，实现人机交互。

（3）输出模块：包括L298N电机驱动模块和BD681风扇驱动模块。电机驱动模块控制两个直流电机的正转、反转和停止，实现小车的前进、左转和右转；风扇驱动模块控制吸尘风扇的启停。

（4）电源模块：由电池盒供电，为单片机、传感器、驱动模块等提供稳定的工作电压。各模块的工作电压均为5V，便于统一供电。

系统框图如图2-1所示，清晰地展示了各模块之间的连接关系和信号流向。

图2-1 系统框图

2.3 系统工作流程

初始化程序: 开机后单片机初始化，包括初始化io口、定时器等，然后单片机进入等待状态。按键检测程序: 单片机循环检测启动键和停止键，若启动键被按下，则进入运行程序；若停止键被按下，则单片机进入停止程序。运行程序: 单片机反复检测两个红外避障接收器的输出电平，根据输入信号控制小车前进后退以及风扇的转动。若左侧接收器检测到障碍物，则反向驱动电机使小车右转并启动风扇；若右侧接收器检测到障碍物，则反向驱动电机使小车左转并启动风扇；若两个接收器都没有检测到障碍物，则正向驱动电机使小车前进并关闭风扇。停止程序: 反向驱动电机使小车停止运动，风扇停止转动。单片机回到等待状态，等待下次启动。

第三章 硬件系统设计

3.1 STC89C52单片机核心电路设计

stc89c52rc是stc专门为需要低功耗、高性能cmos8位微控制器，系统可编程flash存贮器。stc89c52是具有传统mcs-51兼容性的低功耗，高性能cmos8位单片机。在单芯片上，包括了8位cpu，8k字节可编程flash快擦写存储器，是传统51不具备的。stc89c52在单芯片上把具有8位cpu和在系统可编程flash存贮器结合在一起，为众多嵌入式控制应用系统提供了高灵活，高经济性的解决方案。

stc89c52主要特征: 8k字节flash程序存储器 512字节ram数据存储器 32位i/o口线 看门狗定时器 内置4kb eeprom max810复位电路 3个16位定时器计数器 4个外部中断 一个7向量4级中断结构 全双工串行口。stc89c52允许逻辑操作和掉电运行。stc89c52通过内部振荡器在0hz和高于fosc12t周期内部逻辑操作。stc89c52支持2种软件可选节电模式: 空闲模式: cpu停机，而ram和定时器计数器pwm，串行口及中断系统仍旧工作。掉电保护方式: ram保存，振荡器停止振荡，单片机一切停止工作，直到下一个中断或硬件复位。stc89c52最高运作频率35m，6t12t可选。

stc89c52的特点: 8k字节的程序空间；512字节的数据空间；内置4k字节eeprom；可以通过串口直接下载程序。主要参数: 增强型8051单片机，6或12clock唯机器周期，指令与传统8051指令代码兼容，工作电压范围5.5v~3.3v，工作频率0~40mhz，通用io口32个，上电后p1p2p3口是准双向口，弱上拉，p0口是漏极开路输出，具有ispiap功能，可以通过串口直接下载用户程序，16位定时器计数器共有3个，外部中断4路。工作温度范围: -40~+85℃。

STC89C52单片机相关引脚说明如下：VCC为供电电压引脚，GND为接地引脚；P3.0为RXD串行输入口，P3.1为TXD串行输出口；P3.2为/INT0外部中断0，P3.3为/INT1外部中断1；P3.4为T0记时器0外部输入，P3.5为T1记时器1外部输入；P3.6为/WR外部数据存储器写选通，P3.7为/RD外部数据存储器读选通；RST为复位输入引脚，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为地址锁存允许输出；/PSEN为外部程序存储器的选通信号；/EA/VPP为外部程序存储器允许引脚；XTAL1和XTAL2为晶振输入输出引脚。单片机引脚图如图3-1所示。

图3-1 STC89C52单片机引脚图

stc89c52单片机的最小系统由三部分组成，复位电路、时钟电路、电源电路，只要有了这三部分，单片机就可以工作了。复位电路由按键s1、电解电容ec1、电阻r1组成，具有手动按键复位和上电自动复位，系统上电复位按键接口采集到两个高端信号后进行手动复位；当系统检测到的电压由低电平上升到高电平的一段时间后，系统通过电阻与接地之间形成一条通路，自动把高电平进行拉低，实现上电自动复位。时钟电路由振荡器y1、瓷片电容c1和c2，我们有了需要单片机自动发出系统时间，让控制芯片正常工作。给控制芯片正常工作的时钟信号，一般把这种工作方式称为"拍"，为了让控制系统能正常工作，提高工作能力，采用11.0592mhz晶振和30pf的电容进行组合，电容帮助晶振起振，满足数字控制器正常工作。单片机最小系统原理图如图3-2所示。

图3-2 单片机最小系统原理图

3.2 按键电路设计

轻触按键与按键产品 　　轻触按键是按键的一种。一般可以把它当作电子开关，轻轻一压，开关接通，松开即断开。其主要原理就是轻触按键内的金属弹片受力弹动而达到接通与断开。在系统中，轻触按键是系统的输入，是人机交互的枢纽。 按键电路原理 　　按键的一端接地，另一端接单片机的io口，然后在io口和vcc之间接上一个上拉电阻。当按键没有按下时，单片机的io口通过上拉电阻连接到vcc，因此单片机接到的输入信号为高电平；当按键按下时，io口通过按键接地，因此单片机接到的输入信号为低电平。单片机是通过检测io口的电平来判断按键是否被按下的。 软件去抖动 　　由于按键在按下和释放时都存在机械抖动，因此电平会在短时间内变化数次，如果不进行处理单片机就会误判为按键多次动作。软件去抖动最简单的方法就是，在检测到电平变化后，延时20ms左右再重新检测，如果此时还是有效电平，则确认按键动作。

本系统设计了两个按键：一个用于启动系统，一个用于停止系统。按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平，进而实现对系统的手动输入。按键电路原理图如图3-3所示。

图3-3 按键电路原理图

3.3 BD681风扇驱动电路设计

散热风扇其原理是: ①电能转化为电磁能；②电磁能转化为机械能；③机械能转化为动能，使风扇叶片旋转。

风扇工作电流比较大，一般在100ma以上，而单片机io口的驱动能力较弱，标准51的io口的驱动能力只有几毫安，直接用单片机驱动风扇是不行的，必须加电流放大电路才能驱动风扇。

本系统采用bd681达林顿三极管来驱动风扇。达林顿三极管是用两个三极管复合而成，有极大的电流放大倍数，可用小的基极电流控制大的集电极电流。电路连接如图所示:风扇的一端连接vcc，另一端连接三极管的集电极；三极管的发射极接地；三极管的基极通过一个限流电阻连接到单片机的控制口。

当单片机的控制口输出高电平时，三极管基极得到正向偏置电流后导通，风扇的电流形成回路，风扇开始转动。当单片机的控制口输出低电平时，三极管基极无偏置电流，三极管截止，风扇停止转动。电阻r为限流电阻，其作用是:限制基极电流，保护三极管。若单片机控制口为高电平时，没有限流电阻，过大的基极电流会把三极管烧毁。限流电阻把基极电流限制在一定范围内，保证三极管可靠工作。

这种驱动电路结构简单、成本低廉、可靠性高，适用于开关控制方式的直流风扇驱动。风扇驱动电路原理图如图3-4所示。

图3-4 风扇驱动电路原理图

3.4 E18-D80NK红外避障传感器模块设计

E18-D80NK-N发射和接收合一的光电传感器，发射光经调制发出，接收头解调接收反射回来的光输出。因为采用调制解的工作方式，所以能避免干扰可见光，提高抗干扰能力。由于透镜的应用，使传感器的光线更加集中，距离更远，最长能检测80厘米处的物体。但由于是利用红外光特性，不同颜色的物体反射红外光的系数不同，因此能检测的最大距离也不同，白色反射系数最大，检测距离最远，黑色吸收红外光最多，检测距离最短。

检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部电位器旋钮调节。顺时针调节电位器，检测距离延长；逆时针调节电位器，检测距离缩短。用户可以根据要求设定合适检测距离。传感器探测距离远，受可见光干扰小、价格便宜、容易装配、使用方便，被广泛应用在机器人检测障碍避障、流水线计件等场合。

模块参数说明如下：工作电压5VDC，工作电流10-15mA，驱动电流100mA，感应距离3-80CM可调，响应时间小于2ms，检测物体包括透明或不透明体，工作环境温度-25℃～+55℃，外壳材料为塑料。输出类型为NPN常开型，即正常情况下输出高电平，当检测到前方有遮挡物时输出低电平。

模块接口说明如下：棕色线为电源正极，外接5V电压；蓝色线为电源负极，外接GND；黑色线为信号输出线，数字量输出接口，输出0和1电平信号。这种三线制接口设计简单明了，便于与单片机连接。E18红外避障传感器模块接口原理图如图3-5所示。