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