尋軌式語音播報(bào)送餐機(jī)器人系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

1 設(shè)計(jì)方案

方案采用STC12C5A60S2單片機(jī)作為主控制器，步進(jìn)電機(jī)作為動(dòng)力，人體紅外傳感器避障，TCRT5000傳感器尋跡，語音芯片則用來播報(bào)機(jī)器人服務(wù)過程中的日常用語。系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一個(gè)電源開關(guān)、一個(gè)模式開關(guān)、8個(gè)餐桌按鍵盤、一個(gè)返回鍵。系統(tǒng)由模式開關(guān)來選擇“送餐”或是“收盤”，并依靠尋找黑線來實(shí)行餐桌定位，使用紅外探頭完成尋軌。機(jī)器人正前方安裝有人體紅外傳感器，用來檢測前方人體障礙物。中間設(shè)計(jì)成垃圾回收桶，可回收垃圾。左側(cè)設(shè)有小盤可放擦手毛巾，托盤上安裝壓力傳感器，當(dāng)送餐到客人面前，語音提示客人點(diǎn)餐已到，客人取走點(diǎn)餐，壓力傳感器檢測到?jīng)]有壓力之后，語音提示并原路返回，若是“收盤模式”，則按返回鍵返回。系統(tǒng)硬件框圖如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 主控芯片

主控芯片使用STC12C5A60S2單片機(jī)，該單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單機(jī)器周期單片機(jī)，具有高速、低功耗、超強(qiáng)抗干擾的特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度要快8～12倍、內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路、2路PWM。

2.2 紅外循跡探頭傳感器

循跡探頭采用TCRT5000傳感器，其靈敏度高，一只發(fā)送、一只接收。TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來，或被反射回來但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏三極管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài);被檢測物體出現(xiàn)在檢測范圍內(nèi)時(shí)，紅外線被反射回來且強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。具體實(shí)現(xiàn)電路如圖2所示。

紅外探頭一共有8個(gè)，分布如圖3所示。其中探頭3、4、6、7為主探頭，用來尋軌;探頭5、8為輔助探頭，用來修正軌道;探頭1、2為計(jì)數(shù)探頭，用來計(jì)數(shù)餐桌號(hào)。底盤灰色部分為軌道。

系統(tǒng)設(shè)定8個(gè)餐桌，也可能擴(kuò)展多個(gè)，位置布局如圖4所示。

2.3 步進(jìn)電機(jī)的選用

步進(jìn)電機(jī)選用美蓓亞42步進(jìn)電機(jī)，相電阻為2 Ω，步距角為1.8°。6 V試電，短路電流達(dá)到了1.9 A，靜力矩約2.8 kg。采用LMD18200T驅(qū)動(dòng)器，速度適合中等速度偏向高速，而且力量不錯(cuò)，發(fā)熱也不大。

LMD18200T是NS推出的專用于直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的H橋組件，應(yīng)用電路原理圖如圖5所示，內(nèi)部集成了4個(gè)DM0S管，組成一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的H型驅(qū)動(dòng)橋。通過充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開關(guān)管提供柵極控制電壓，充電泵電路由一個(gè)300 kHz左右的工作頻率控制?？稍谝_1、11外接電容形成第二個(gè)充電泵電路，外接電容越大，向開關(guān)管柵極輸入的電容充電速度越快，電壓上升的時(shí)間越短，工作頻率越高。

引腳2、10接直流電機(jī)電樞，正轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向從引腳2到引腳10;反轉(zhuǎn)時(shí)電流的方向從引腳10到引腳2。電流檢測輸出引腳8可以接一個(gè)對地電阻，通過電阻來輸出過流情況。內(nèi)部保護(hù)電路設(shè)置的過電流閾值為10 A，當(dāng)超過該值時(shí)會(huì)自動(dòng)封鎖輸出，并周期性地自動(dòng)恢復(fù)輸出。如果過電流持續(xù)時(shí)間較長，過熱保護(hù)將關(guān)閉整個(gè)輸出。

2.4 壓力傳感器的選用

電阻應(yīng)變式壓力傳感器能夠承受5 kg的重量，滿足一份點(diǎn)餐的重量。傳感器配合HX711AD模塊使用，HX711AD模塊具有兩路模擬通道輸入，內(nèi)部集成128倍增益可編程放大器，是一款高精度、低成本的采樣前端模塊。圖6為壓力傳感器安裝方式。

與同類型芯片相比，HX711AD芯片集成了包括穩(wěn)壓電源、片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器等同類型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應(yīng)速度快、抗干擾性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡單，所有控制信號(hào)由引腳驅(qū)動(dòng)，無需對芯片內(nèi)部的寄存器編程。

如圖7所示，輸入電路配置為提供橋壓的電橋式傳感器模式，通過HX711AD模塊的數(shù)字量送到MCU，當(dāng)送餐到目的地后，客人端走托盤，系統(tǒng)檢測壓力傳感器壓力為0，觸發(fā)CPU 10 s倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)器人播音“拜拜”，并原路返回。

2.5 人體紅外檢測模塊

選用迷你型人體紅外檢測模塊，主要檢測送餐機(jī)器人正前方有無人員(障礙物)，調(diào)整感應(yīng)距離為0.5 m，若前方0.5 m處檢測到人體紅外光，則觸發(fā)模塊信號(hào)送到MCU處理，MCU發(fā)送指令操控送餐機(jī)器人停止前行，并觸發(fā)語音芯片發(fā)出“您好，服務(wù)員正在送餐中，請讓一下路”的提示。

2.6 語音播報(bào)IC的選用

語音播報(bào)使用MXH040語音芯片。MXH040語音芯片可編程一次性燒錄語音，語音長度可達(dá)40 s(采樣率為6kHz)，最多可存放700個(gè)語音文件，最多可加載63段地址的語音，具有按鍵控制模式、一線串口控制模式以及兩線串口控制模式等。在本設(shè)計(jì)中主要采用按鍵控制模式，并通過單片機(jī)P2 I/O口來觸發(fā)語音播報(bào)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)使用以下幾個(gè)語句：“您好，服務(wù)員正在送餐中。請讓一下路”，“您好，您的點(diǎn)餐已到，請慢慢享用”，“拜拜”，“您好，送餐已經(jīng)回來，請準(zhǔn)備下一次送餐”。硬件電路如圖8所示。

2. 7 3×3按鍵矩陣

按鍵矩陣采用3x 3矩陣方式，通過兩個(gè)三輸入的與非門單片機(jī)中斷口連接，電路原理圖如圖9所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

啟動(dòng)后，選擇送餐或收盤模式，系統(tǒng)進(jìn)入按鍵掃描狀態(tài)，當(dāng)服務(wù)員放好點(diǎn)餐端盤后，按下目的地餐桌號(hào)，系統(tǒng)若檢測到奇數(shù)餐桌號(hào)，則啟動(dòng)奇數(shù)餐桌號(hào)計(jì)數(shù)器并禁止偶數(shù)餐桌號(hào)計(jì)數(shù)器;若檢測到偶數(shù)餐桌號(hào)，則啟動(dòng)偶數(shù)餐桌號(hào)計(jì)數(shù)器并禁止偶餐桌號(hào)計(jì)數(shù)器，并把目的地餐桌號(hào)賦值給變量count，機(jī)器人開始尋軌行走。當(dāng)探頭1或2檢測到分支路口時(shí)，計(jì)數(shù)器加1，直至計(jì)數(shù)器加至變量count的值，機(jī)器人才向相應(yīng)的方向轉(zhuǎn)彎行走。當(dāng)探頭3或4同時(shí)檢測到信號(hào)時(shí)，機(jī)器人停止行走，若是“送餐”模式，則客人取走端盤，系統(tǒng)等待10 s后原路返回。若是收盤模式，則按返回鍵，機(jī)器人原路返回。軟件流程圖如圖10所示。

3.1 紅外尋軌

3、4、6、7為紅外尋軌探頭，探頭5、8用來修正軌道。紅外反射外傳感器端口定義與尋軌程序設(shè)計(jì)如下：

3.2 步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)

步進(jìn)電機(jī)作為機(jī)器人的動(dòng)力，主要通過單片機(jī)產(chǎn)生的PWM脈沖來調(diào)速。LMD18200邏輯真值表如表1所列。

因?yàn)槭褂?個(gè)驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，需要兩個(gè)LMD18200模塊，步進(jìn)電機(jī)使能端位定義、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、停止子程序設(shè)計(jì)略——編者注。

3.3 按鍵掃描程序設(shè)計(jì)

按鍵使用3×3矩陣中斷掃描，S1～S8分別對應(yīng)1號(hào)～8號(hào)餐桌的路徑，S9為備用返回鍵。單片機(jī)的P1口用于鍵盤的連接，鍵盤中的行、列線分別連接到按鍵開關(guān)的兩端，通過鍵盤處理程序確定有無按鍵按下，判斷哪一個(gè)按鍵按下，還要消除按鍵在閉合或斷開時(shí)的抖動(dòng)。兩個(gè)并行口中，一個(gè)使按鍵逐行動(dòng)態(tài)接地，另一個(gè)并行口輸入按鍵狀態(tài)，以此確定閉合鍵的位置。程序設(shè)計(jì)如下：

3.4 奇偶餐桌號(hào)計(jì)數(shù)

使用STC12C5A60S2單片機(jī)里的兩個(gè)計(jì)數(shù)器：T0、T1。其中，T0用來計(jì)奇號(hào)數(shù)餐桌號(hào)，T1用來計(jì)偶號(hào)數(shù)餐桌號(hào)。當(dāng)按下奇號(hào)數(shù)餐桌號(hào)時(shí)，T0開始工作，T1禁止計(jì)數(shù)。當(dāng)送餐機(jī)器人走到1號(hào)餐桌分支路口時(shí)，TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，并被黑線軌跡吸收，發(fā)射出的紅外線沒有被反射回來，這時(shí)計(jì)數(shù)器自動(dòng)加1，直至加到與工作人員按下的按鍵號(hào)count值一致時(shí)，送餐機(jī)器人才向奇數(shù)餐桌側(cè)轉(zhuǎn)彎，并前行到該號(hào)餐桌。

當(dāng)紅外探頭3、4檢測到有信號(hào)時(shí)，小車停止。同樣，當(dāng)按下偶數(shù)餐桌號(hào)時(shí)，T1開始工作，T0禁止計(jì)數(shù)。程序設(shè)計(jì)如下：

結(jié)語

根據(jù)程序測試，選擇模式后，按下按鍵，尋軌式語音播報(bào)送餐機(jī)器人能夠沿著黑線行走，遇到前方有人時(shí)，機(jī)器人停止行走并語音提示前方行人讓路;遇到奇偶餐桌號(hào)時(shí)，可自動(dòng)識(shí)別并計(jì)數(shù)，直至行走到按鍵按下的餐桌號(hào);達(dá)到目的地后，機(jī)器人停止，語音提示客人點(diǎn)餐已到，待客人拿走端盤，托盤壓力傳感器壓力為0，觸發(fā)主控器10 s倒計(jì)時(shí)，倒計(jì)時(shí)結(jié)束后機(jī)器人原路返回，若是“收盤模式”，則按返回鍵機(jī)器人原路返回。通過測試，尋軌式語音播報(bào)送餐機(jī)器人的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了預(yù)期的功能。