、摘 要
在过去的几十年里，由于移动机器人在危险环境、农业、家庭任务和医疗应用中的潜在应用，研究人员一直专注于移动机器人的自主操作。本文介绍了教育机器人bot2基于模糊逻辑的自主导航控制器的设计过程和实现步骤。
此设计的吸尘避障机器人配备了前保险杠和直流电机内置编码器和电流传感器。硬件以启动按钮、OLED液晶屏幕、led定时指示灯、风扇、红外避障传感器、STC89C52单片机，旨在研发一款智能的扫地、吸尘、避障小车。该系统由多个传感器采集环境信息后传输到单片机进行处理分析。利用STC89C52单片机对各个感应模块进行集成运算，以实现相应的反应。利用红外避障传感器，实时监测周围环境是否存在障碍物，一旦发现，即刻向单片机反馈并发出相应的躲避指示。

关键词:红外避障；教育机器人；单片机

ABSTRACT
Over the past few decades, researchers have focused on the autonomous operation of mobile robots due to their potential applications in hazardous environments, agriculture, home tasks, and medical applications. This paper introduces the design process and implementation steps of the autonomous navigation controller based on fuzzy logic of the educational robot bot2.
The vacuum and obstacle avoidance robot of this design is equipped with a front bumper and DC motor, built-in encoder and current sensor. The hardware is based on the start button, OLED LCD screen, LED timing indicator, fan, infrared obstacle avoidance sensor, STC89C52 single-chip microcomputer, aiming to develop an intelligent sweeping, vacuuming, obstacle avoidance trolley. The system collects environmental information from multiple sensors and transmits it to a single-chip microcomputer for processing and analysis. The STC89C52 microcontroller is used to integrate the calculation of each induction module to achieve the corresponding reaction. The infrared obstacle avoidance sensor is used to monitor whether there are obstacles in the surrounding environment in real time, and once found, it immediately feedback to the single-chip microcomputer and issue corresponding avoidance instructions.

Keywords: Infrared obstacle avoidance; educational robots; Microcontroller

目 录

第1章 绪论 1
1.1 研究目的及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 主要研究内容 2
第2章 系统的总体结构 3
2.1设计方案 3
2.2 功能需求分析 3
2.2.1 技术路线 3
2.2.2 预期结果 3
2.3 总体方案设计 4
2.4 单片机型号选择 4
第3章 系统的硬件部分设计 5
3.1 系统的总体设计 5
3.2 系统的主要功能模块设计 7
3.2.1 OLED液晶显示屏模块设计 7
3.2.2 L298N电机驱动模块设计 8
3.2.3 继电器控制模块设计 9
3.2.4 红外避障传感器模块设计 10
第4章 系统的软件设计 12
4.1 软件的主要流程 12
4.2 OLED液晶显示屏模块软件设计 14
4.3 L298N电机驱动模块软件设计 15
4.4 继电器模块软件设计 16
4.5 红外避障传感器模块软件设计 17
第5章 系统测试 18
5.1 系统实物图 18
5.2 测试原理 20
第6章 总结与展望 24
6.1 总结 24
6.2 展望 24
参考文献 25
致谢 27
附录 28

第1章绪论
1.1研究目的及意义
当今社会电子科技发展日新月异，人们日常生活水平提高的同时，在智能家居方面的应用也越来越多[1]。随着科技的不断发展，扫地机器人已经不再仅仅是一个简单的清扫工具了。如今，越来越多的家庭开始采用扫地机器人来完成清洁任务，这一趋势愈发明显。但是在使用过程中存在避障问题，并且这种避障能力也对其产生了较大的影响，路线规划有问题而在桌椅板凳下无脑乱撞，对清扫效率产生影响[2]。在智能科技飞速发展的今天，“智能化避障技术”已是大势所趋，而这也将给我们带来全新的生活方式和工作环境。到现在来看，扫地机器人所采用或正在采用的避障技术主要包括单目视觉避障、双目视觉避障和3D TOF避障，这些技术都有各自的特性以及相互之间的差异[4]。在小车行进过程中通过超声波传感器实现避障，之后再通过直流电机来改变机器人前进方向，带动小刷子进行垃圾清理。实现了自动清扫地面垃圾的功能。超声波传感器增加了扫地机器人的灵活性。后期对系统进行了调试并且达到了预期效果，该设计适用于家庭内部，实用价值高[5]。
当前第一就是效率，效率的提高是扫地机器人在不断提高但不能根决的事情，扫地机器人的清洁效率提高了几十倍乃至几百倍，而一台大扫地车效率完全可以抵过几十个清洁人员的效率[6]。但将来一定会不断上升的，不知道什么时候会达到极限。在能源上，由人力向机械动力的转变是一个巨大的发展，电机和发动机在解放人的脚的同时，也提出了一些新课题。目前常用的扫地机器人主要采用电力驱动的电动扫地小车，另一种是燃油驱动的扫地车[7]。电动扫地车环保静音，但是续航能力差。最重要的是目前技术避障能力差。
1.2国内外研究现状
2021年，苗玉刚，何玉辉，李云的《自动折叠式太阳能板的设计》一书：为了解决现有太阳能板无法自动折叠清洗、易受到恶劣天气的影响的问题而研发设计的[8]。智能家居远程控制技术能够提升家居信息化管理与人工智能化程度，因此研究有关智能家居远程控制系统的设计方法有广阔应用价值[10]。
2021年，曾颖琳、董欣、倪鹏、郭斌等人发表了《基于Arduino的智能避障小车设计》一文，文中提及避障功能为无人驾驶提供了研究依据[12]。为了更深入地掌握小车的避障功能，我们运用Arduino核心控制芯片和超声波避障传感器，精心设计了一款智能避障小车，并通过研发避障算法，成功实现了小车的自动避障。介绍了系统硬件电路设计及软件设计过程。经过实验测试，该小车已被证明具备避障的基本功能，这一发现对于实际应用具有重要的意义。
2021年Li Jinze;Liu Qinrui;Dong Hui;Wu Maowei于英国皇家物理学会期刊发表的《An Intelligent Obstacle Avoidance Method in Unmanned Driving》中提到提出了一种无人驾驶智能避障方法[13]。该方法首先建立了无人驾驶避障问题的简化模型，并从运动学、物理、可行驶区域和临界碰撞等方面对汽车进行约束。然后列出方程，并使用直接配置法对方程进行离散。这个问题变成了一个非线性规划问题[14]。
相对于国外对扫地机器人的研究发展，我国在这一领域的起步较为缓慢，直到2002年，才有一批扫地机器人进入我国市场。现如今，通过在现有技术基础上引入新元素，我们成功地实现了对扫地机器人的独立研发和销售[15]。我们对于扫地机器人也有着非常悠久的研究历史，目前也得到了迅速的发展。
综合国内外发展情况不难看出，现在国内外已经逐渐适应了智能化现代化的生活家居设备，本系统的优势在于可以设置扫地小车工作时间，小车遇障碍物会自动避障[16]。并能够实现检测后不需要人为干预，自动进行操作。节省了大量人力资源，方便人们生活。
1.3主要研究内容
本系统主要设计一个智能扫地吸尘避障小车设计。系统主要包括启动按钮、工作定时器、led定时指示灯、风扇、红外避障传感器、核心单片机。led定时指示灯，工作时长不同显示颜色不同；小车进入工作时间单片机控制风扇打开；红外避障传感器能够检测识别障碍物体，单片机控制小车避障；方便人们居家生活，实现智能生活化。

第2章系统的总体结构
2.1 设计方案
硬件以启动按钮、OLED液晶屏幕、led定时指示灯、风扇、红外避障传感器、STC89C52单片机，旨在研发一款智能的扫地、吸尘风扇、避障小车。该系统由多个传感器采集环境信息后传输到单片机进行处理分析。利用STC89C52单片机对各个感应模块进行集成运算，以实现相应的反应。利用红外避障传感器，实时监测周围环境是否存在障碍物，一旦发现，即刻向单片机反馈并发出相应的躲避指示。
2.2 功能需求分析
2.2.1 技术路线
（1）硬件部分需要STC89C52单片机、OLED液晶屏幕、led定时指示灯、除尘风扇、红外避障传感器、继电器；
（2）软件平台程序用keil5；
（3）画原理图用AD；
（4）编程语言用C语言；
2.2.2 预期结果
（1）设置好工作时长，OLED屏幕显示工作状态；
（2）设置好工作时长，led定时指示灯显示对应灯光；
（3）设置的工作时长不同，led定时指示灯显示的亮度不同；
（4）可设置led定时指示灯不同颜色的对应时间；
（5）当小车遇到障碍物时能够通过红外避障识别并避障；
2.3 总体方案设计
第一步：知识准备阶段，深入研究课题设计，理解其涉及的内容，能够熟练掌握相关知识；
第二步：明确系统的各个模块并梳理它们之间的关系，搜集相关的软硬件数据；
第三步：进行课题规划，明确系统的组成结构，勾勒出整体系统的框架并在此基础上提出原理框图；
第四步：运用软件实现硬件电路部分的设计，并绘制出各个部分的电路图，将系统部件通过接口电路集成在一起，并绘制出电路图；
第五步：在系统控制的过程中完成软件设计并绘制出主流程图；
第六步：进行仿真模拟，以验证系统是否能够实现所需的功能并对相关论文进行归纳整理；
2.4 单片机型号选择
STC89C52单片机被选为主控制芯片的首选。STC单片机之所以被选用，是因为它能够在不需要对硬件进行任何改动的情况下，实现成本的降低和性能的提升，同时也能够直接使用原有程序。目前市场上已有很多型号不同的小型单片机，但大多体积较大，成本较高，不利于用户购买和应用。STC公司推崇选择LQFP44小型封装单片机，以实现产品尺寸的缩小、重量的减轻以及功耗的降低并且系统中配备了在线编程可擦除技术。

图2-1 STC89C52单片机最小系统原理图

第3章系统的硬件部分设计
3.1 系统的总体设计
本系统主要设计一个智能扫地吸尘避障小车设计。系统主要包括启动按钮、OLED液晶屏幕、led定时指示灯、除尘风扇、红外避障传感器、核心单片机。led定时指示灯，工作时长不同显示颜色不同；小车进入工作时间单片机控制风扇打开；红外避障传感器能够检测识别障碍物体，单片机控制小车避障；方便人们居家生活，实现智慧与生活的无缝衔接。
STC89C52微控制器为基础的智能扫地吸尘避障小车，可实现智能扫地、吸尘、避障等功能，具有自主避障和智能控制功能。这款小车的智能主要体现在其能够自动感知环境并做出相应的决策，使其能够高效地清洁室内空间。
首先，智能扫地吸尘避障小车中负责控制小车运行和实现智能化功能的硬件模块为控制模块。一般而言，主控芯片、传感器以及电机驱动模块等构成了控制模块的核心。主控芯片是控制模块的核心部分，它可以通过编写程序实现对小车的控制和管理。传感器则用于监测小车周围环境的变化，如光线、温度、湿度、距离等参数，从而让小车实现智能化的任务。STC89C52单片机是智能扫地吸尘避障小车的核心控制器。根据系统功能的需要，选择OLED液晶显示屏模块，电机驱动模块，继电器控制模块，红外避障传感器模块等关键器件进行设计。小车与周围环境的互动得以实现，这得益于红外避障传感器，使其测量前方障碍物与小车之间的距离。依据机器人运行过程需要控制电机转动方向，使其能够前进或后退。电路设计和编写代码：通过控制模块设计一个适用于智能扫地吸尘避障小车的电路和代码。主要包括电机控制、传感器采集、算法设计等方面。电机控制部分需要根据小车的功能和运行状态，编写相应的电机控制代码，实现电机正转、反转和停止等运动操作，从而实现避障。
通过对系统的布设和完善，最终完成的智能扫地吸尘避障车预期有如下成果：
（1）设置好工作时长，OLED液晶屏幕显示工作状态；
（2）设置好工作时长，led定时指示灯显示对应灯光；
（3）设置的工作时长不同，led定时指示灯显示的亮度不同；
（4）可设置led定时指示灯不同颜色的对应时间；
（5）当小车遇到障碍物时能够通过红外避障识别并避障；
总体原理图如下所示：

图3-1 系统的总体原理图

3.2 系统的主要功能模块设计
3.2.1 OLED液晶显示屏模块设计
OLED是一种具有有机发光特性的二极管。OLED因其具备自主发光、无需背光源、对比度高和适用于广泛温度范围等卓越特性，被视为下一代平面显示器的新兴应用技术[19]。
LCD的背光需求普遍存在，而OLED液晶显示屏因其自发光的特性而无需背光。为了达到更佳的OLED液晶显示屏显示效果，需要采用更为精细的显示方式。现在的市场上有许多不同类型的显示器，它们在性能和价格方面各有优势。尽管OLED液晶显示屏的尺寸难以实现大规模生产，但其高分辨率的特性却是毋庸置疑的。由于使用了有机材料，所以具有优异的耐光性和耐化学性。具备如下特：
（1）0.96寸OLED提供了三种可供选择的颜色，分别为黄蓝、白色和蓝色；白色是屏幕中间的蓝色部分为白色。在屏幕的上部，有一部分呈现出明亮的黄光，而在下部，则有3/4的区域呈现出蓝色；白色为白色或无色，可以通过改变色温来控制亮度的大小。此外，该区域所呈现的色彩是固定的，且其颜色和展示区域均不可更改；当白色的光芒闪耀时，它呈现出一种纯粹的黑底白字，这就是白色；黑底蓝字所代表的颜色为纯粹的蓝色，即蓝色。
（2）分辨率128×64
（3）提供多种接口形式；OLED裸屏总共种接口包括：6800、8080两种并行接口方式、3线或4线的串行SPI接口方式、IIC接口方式。
（4）中景园电子的本屏开发了两种演示板接口，分别为七针的SPI/IIC兼容模块和四针的IIC模块，以满足不同用户的需求。这两个模块皆可轻松使用，无需繁琐操作；其基本原理图如下：

图3-2 OLED液晶显示屏基本原理图

3.2.2 L298N电机驱动模块设计
本设计方案旨在设计一款基于单片机的智能扫地吸尘避障小车的L298N电机驱动模块，为小车电机提供了多种功能的控制。
设计思路：L298N是一种双H桥电机驱动模块，旋转方向和速度可以通过控制输入信号的电平高低来实现，这是电机驱动模块的一种高级控制方式。本系统单片机对电机进行调速控制，通过检测转速信号来调节电动机运行速度，并可根据需要设置不同频率的工作模式。设计流程：将L298N驱动模块与单片机实现无缝连接，实现硬件互联。将L298N的使能引脚（ENA和ENB）与单片机的IO口相连，同时将单片机的其他IO口与L298N的控制引脚（IN1、IN2、IN3和IN4）相连，最后将电机的正负极分别与L298N的输出引脚（OUT1、OUT2、OUT3和OUT4）相连。在单片机上编写控制程序，通过调节ENA和ENB引脚的电平高低，实现对电机转动方向和速度的精准控制。当需要对电机进行调速时，只需改变其中一个或多个引脚即可实现，因此可以降低控制系统的复杂度，提高系统的可靠性。通过操纵IN1、IN2、IN3和IN4的引脚，实现对左侧电机和右侧电机旋转方向的精准控制。实现基本运动功能：根据设计需求，在控制程序中编写相应的代码，实现小车的基本运动功能。通过操纵ENA和ENB引脚的PWM信号，从而实现对小车速度的精准掌控。该方案已经在实验室中得到了应用，并取得良好的效果。对L298N电机驱动模块进行全面的测试和精细的优化，以确保电机能够完美地实现预期的旋转效果，并进行必要的优化和调整，以提高驱动效果和稳定性。整合到整个小车设计中：将L298N电机驱动模块整合到整个基于单片机的智能扫地吸尘避障小车设计中，与其他模块进行连接和协调，实现小车的完整功能。借助上述设计步骤，我们得以构建一款基于单片机的智能扫地吸尘避障小车，其驱动模块采用L298N电机，从而实现对电机的精准控制，进而实现小车正转、反转和停止等基本运动功能。这样的设计方案可以提高小车的灵活性和可控性，使其能够有效地清扫地面并避免障碍物。
采用L298N电机，通过输入I/O芯片，实现对电机的正反转和停止操作，从而改变芯片控制端的电平同时，还能实现对转速的测量，并将测量到的数据实时地传送给单片机。
其原理图如下：

图3-3 L298N电机驱动原理图
3.2.3 继电器控制模块设计
继电器是一种电控制器件。继电器在自动化控制电路中扮演着多重角色，包括但不限于自动调节、安全保护和转换电路等功能，同时也是控制系统和被控制系统的重要组成部分。这种新设计的传感器采用了新颖独特的双端口结构。当处于断开状态时，线会自动断开。当线处于闭合状态时，它们相互连接，从而形成了一条导通的通道。所以我们可以通过继电器来进行控制。比如控制电源，控制温度等等。在许多常见的场景中，继电器扮演着小电流控制大电流的角色，从而驱动电路，启动电机，风扇等，这些都是常见的实例。
其原理图如下：

图3-4 继电器控制原理图

3.2.4 红外避障传感器模块设计
利用红外线技术，红外避障传感器模块可实现对小车前方障碍物的探测。当小车将要与障碍物相撞时，传感器会向单片机发出信号，使小车能够及时采取措施规避危险，减少损失。在智能扫地吸尘避障小车的设计中，红外避障传感器模块扮演着至关重要的角色，为小车实现避障功能提供了有力的支持。本文对红外避障传感器的结构进行了详细的分析。一般而言，红外避障传感器模块的构成要素包括红外发射器和红外接收器，二者相互协作以实现避障功能。红外发射器发射一定频率的光照射目标物体上，目标物通过反射面反射回发射器后，再经过光电转换装置将能量传递给处理器。通过分析红外探测器接收到的信息来计算出该物体与目标之间距离。通过检测红外信号的强度，可以推断是否存在障碍物，并据此采取相应的措施。该电路是一种简单而又实用的红外避障传感器系统。在基于单片机的智能扫地吸尘避障小车设计中，将红外避障传感器模块嵌入小车前方。当探测到障碍物时，红外避障传感器模块会向单片机发出一条信号，单片机根据接收到的信号来判断障碍物的距离和位置，进而控制小车采取相应的避障动作，如停止、后退或改变方向等。设计注意事项：安装位置：红外避障传感器模块应该被安装在小车的前方，使其能够有效地探测到前方的障碍物。探测范围：根据设计需求选择合适的红外避障传感器模块，确保其探测范围和探测距离能够满足实际应用的要求。数据处理：单片机需要对接收到的红外传感器信号进行适当的处理和分析，以判断障碍物的距离和位置，并根据需要控制小车的动作。灵敏度调节：红外避障传感器模块具备高度的灵敏度调节能力，可根据具体情况进行智能调整，以满足各种环境下的避障需求。为了满足这一要求，在设计中引入了红外避障传感器技术，并结合单片机的控制，使其与机器人相结合。借助红外避障传感器模块，基于单片机的智能扫地吸尘避障小车得以实现前方障碍物的探测和规避，从而提升了小车的安全性和避障能力，进而实现了自动清扫地面的目标。
红外避障传感器是一种光电传感器，它融合了发射和接收两种功能于一身，实现了高效的避障检测。它能在不破坏目标信息情况下实现对环境中障碍物位置和方向的准确判断。可根据实际需求灵活调整检测范围。本文介绍了利用红外探测器设计的一款用于工业自动化生产设备中的新型红外避障传感器。其上有光电开关，光电开关也称光电传感器。它可以将物体发出的红外信号转换成电信号，再通过控制电路对该信息进行分析处理并产生相应控制信号。PLC可编程控制器单片机、非门电路、电子计数器和小型继电器等产品，均可与传感器相互配合，以实现更高效的功能。该系统由红外探测器、红外信号发生器、发射器和接收器四部分组成。在目标检测过程中，发射器精准对准并持续发射红外线光束，而接收器则将反射回来的光能量转化为电流并传输至后续的集成电路中，经过集成电路的处理和放大器的放大，最终输出给目标[23]。其原理图如下所示：

图3-5 红外避障传感器原理图
第4章系统的软件设计
4.1 软件的主要流程
该系统的软件模块主要涵盖了前进、扫地、吸尘和避障等多个方面的设计。在程序开始运行后，首先需要进行初始化，以完成继电器控制电路的导通。接着，小车前进并进行扫地吸尘，当红外避障传感器检测到障碍物时，系统会自动改变运动路线，最终完成吸尘任务。
智能扫地吸尘避障小车的软件设计涵盖了传感器数据采集、避障算法和驱动控制等多个模块，这些模块共同构成了该系统的核心组成部分。系统由感知模块、运动模块、决策处理模块组成。小车的自主移动、避障和清扫功能，得益于这些模块的协同作用，得以实现。其中传感器数据采集是整个系统设计的基础。首先，环境信息的获取是由传感器数据获取模块所负责的。根据需要可以采用不同类型的传感器采集到相应的信号。小车通常搭载多种感知器，包括红外探测器、超声波探测器和地面触控器等，以实现多种感知功能。其次，基于上述三种传感器数据采集得到的信息进行处理，并根据不同区域选择相应的控制策略，完成对目标物体的识别与定位。该模块运用传感器数据进行读取，以获取周围环境的障碍物、地面状态以及边界等信息。其次，控制模块对采集到的各种信息进行分析处理，得到相应的控制指令以实现对小车的控制。随着传感器数据的收集，避障算法模块得以确定小车的行进方向。当环境中存在障碍时，会影响到机器人行走过程中的稳定性和安全性。根据传感器所提供的距离和障碍物位置信息，避障算法能够推算出安全的路径，并根据此选择最为适宜的行动方案。常见的避障算法包括基于反射光强度的障碍物检测、路径规划和避障决策等。驱动控制模块负责控制电机和吸尘风扇等设备的运行。通过与STC89C52控制器的GPIO口连接，该模块能够根据避障算法的输出，控制电机的转向和速度，使小车能够在避开障碍物的同时自主移动。此外，驱动控制模块还控制吸尘风扇的开启和关闭，以便进行地面清扫。
在软件的主要流程中，传感器数据获取模块不断获取环境信息，并将数据传递给避障算法模块。避障算法模块根据传感器数据计算出安全路径，并将结果传递给驱动控制模块。驱动控制模块根据算法输出控制电机和吸尘风扇的运行。同时，根据用户的选择，灵活调整各个模块的工作模式和参数，以达到最佳的用户体验和操作效果。本文详细介绍了该控制系统的设计思想、总体结构以及各功能模块的实现过程。以下所呈现的是系统的主要程序流程图。

图4-1 系统总体原理图
4.2 OLED液晶显示屏模块软件设计
当单片机初始化成功，继电器使线路导通后系统运行。OLED液晶显示屏随即显示“开始除尘”，随后小车正常工作，当小车检测到障碍物后显示屏随机显示“正在更改线路进行避障”，最后当除尘工作完成后小车停止运行，屏幕显示“除尘结束”。其流程图如下所示：

图4-2 OLED液晶屏幕工作原理图

4.3 L298N电机驱动模块软件设计
当单片机初始化完成后，继电器控制电路导通。随后L298N电机驱动模块开始运行，小车随即开始运动。当红外避障传感器检查测出前方障碍物后，L298N电机驱动模块控制小车换方向运动进行避障。其工作流程图如下所示：

图4-3 L298N驱动电路模块工作流程图

4.4 继电器模块软件设计
当单片机初始化完成后，各个传感器开始工作。继电器用于模拟小车的吸尘模块，传感器开始工作时继电器也开始工作。流程图如下所示。