尋軌式語(yǔ)音播報送餐機器人系統的軟硬件設計

1 設計方案

方案采用STC12C5A60S2單片機作為主控制器，步進(jìn)電機作為動(dòng)力，人體紅外傳感器避障，TCRT5000傳感器尋跡，語(yǔ)音芯片則用來(lái)播報機器人服務(wù)過(guò)程中的日常用語(yǔ)。系統設計了一個(gè)電源開(kāi)關(guān)、一個(gè)模式開(kāi)關(guān)、8個(gè)餐桌按鍵盤(pán)、一個(gè)返回鍵。系統由模式開(kāi)關(guān)來(lái)選擇“送餐”或是“收盤(pán)”，并依靠尋找黑線(xiàn)來(lái)實(shí)行餐桌定位，使用紅外探頭完成尋軌。機器人正前方安裝有人體紅外傳感器，用來(lái)檢測前方人體障礙物。中間設計成垃圾回收桶，可回收垃圾。左側設有小盤(pán)可放擦手毛巾，托盤(pán)上安裝壓力傳感器，當送餐到客人面前，語(yǔ)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(yǔ)音提示并原路返回，若是“收盤(pán)模式”，則按返回鍵返回。系統硬件框圖如圖1所示。

2 硬件設計

2.1 主控芯片

主控芯片使用STC12C5A60S2單片機，該單片機是宏晶科技生產(chǎn)的單機器周期單片機，具有高速、低功耗、超強抗干擾的特點(diǎn)，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度要快8～12倍、內部集成MAX810專(zhuān)用復位電路、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(xiàn)，當發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)，或被反射回來(lái)但強度不夠大時(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);被檢測物體出現在檢測范圍內時(shí)，紅外線(xiàn)被反射回來(lái)且強度足夠大，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(lái)尋軌;探頭5、8為輔助探頭，用來(lái)修正軌道;探頭1、2為計數探頭，用來(lái)計數餐桌號。底盤(pán)灰色部分為軌道。

系統設定8個(gè)餐桌，也可能擴展多個(gè)，位置布局如圖4所示。

2.3 步進(jìn)電機的選用

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

LMD18200T是NS推出的專(zhuān)用于直流電動(dòng)機驅動(dòng)的H橋組件，應用電路原理圖如圖5所示，內部集成了4個(gè)DM0S管，組成一個(gè)標準的H型驅動(dòng)橋。通過(guò)充電泵電路為上橋臂的2個(gè)開(kāi)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(kāi)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接直流電機電樞，正轉時(shí)電流的方向從引腳2到引腳10;反轉時(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(guò)電阻來(lái)輸出過(guò)流情況。內部保護電路設置的過(guò)電流閾值為10 A，當超過(guò)該值時(shí)會(huì )自動(dòng)封鎖輸出，并周期性地自動(dòng)恢復輸出。如果過(guò)電流持續時(shí)間較長(cháng)，過(guò)熱保護將關(guān)閉整個(gè)輸出。

2.4 壓力傳感器的選用

電阻應變式壓力傳感器能夠承受5 kg的重量，滿(mǎn)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(lèi)型芯片相比，HX711AD芯片集成了包括穩壓電源、片內時(shí)鐘振蕩器等同類(lèi)型芯片所需要的外圍電路，具有集成度高、響應速度快、抗干擾性強等優(yōu)點(diǎn)。該芯片與后端MCU芯片的接口和編程非常簡(jiǎn)單，所有控制信號由引腳驅動(dòng)，無(wú)需對芯片內部的寄存器編程。

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(guò)HX711AD模塊的數字量送到MCU，當送餐到目的地后，客人端走托盤(pán)，系統檢測壓力傳感器壓力為0，觸發(fā)CPU 10 s倒計時(shí)，倒計時(shí)結束后機器人播音“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，主要檢測送餐機器人正前方有無(wú)人員(障礙物)，調整感應距離為0.5 m，若前方0.5 m處檢測到人體紅外光，則觸發(fā)模塊信號送到MCU處理，MCU發(fā)送指令操控送餐機器人停止前行，并觸發(fā)語(yǔ)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(yǔ)音播報IC的選用

語(yǔ)音播報使用MXH040語(yǔ)音芯片。MXH040語(yǔ)音芯片可編程一次性燒錄語(yǔ)音，語(yǔ)音長(cháng)度可達40 s(采樣率為6kHz)，最多可存放700個(gè)語(yǔ)音文件，最多可加載63段地址的語(yǔ)音，具有按鍵控制模式、一線(xiàn)串口控制模式以及兩線(xiàn)串口控制模式等。在本設計中主要采用按鍵控制模式，并通過(guò)單片機P2 I/O口來(lái)觸發(fā)語(yǔ)音播報。系統設計使用以下幾個(gè)語(yǔ)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(lái)，請準備下一次送餐”。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(guò)兩個(gè)三輸入的與非門(mén)單片機中斷口連接，電路原理圖如圖9所示。

3 軟件設計

啟動(dòng)后，選擇送餐或收盤(pán)模式，系統進(jìn)入按鍵掃描狀態(tài)，當服務(wù)員放好點(diǎn)餐端盤(pán)后，按下目的地餐桌號，系統若檢測到奇數餐桌號，則啟動(dòng)奇數餐桌號計數器并禁止偶數餐桌號計數器;若檢測到偶數餐桌號，則啟動(dòng)偶數餐桌號計數器并禁止偶餐桌號計數器，并把目的地餐桌號賦值給變量count，機器人開(kāi)始尋軌行走。當探頭1或2檢測到分支路口時(shí)，計數器加1，直至計數器加至變量count的值，機器人才向相應的方向轉彎行走。當探頭3或4同時(shí)檢測到信號時(shí)，機器人停止行走，若是“送餐”模式，則客人取走端盤(pán)，系統等待10 s后原路返回。若是收盤(pán)模式，則按返回鍵，機器人原路返回。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(lái)修正軌道。紅外反射外傳感器端口定義與尋軌程序設計如下：

3.2 步進(jìn)電機驅動(dòng)

步進(jìn)電機作為機器人的動(dòng)力，主要通過(guò)單片機產(chǎn)生的PWM脈沖來(lái)調速。LMD18200邏輯真值表如表1所列。

因為使用4個(gè)驅動(dòng)步進(jìn)電機，需要兩個(gè)LMD18200模塊，步進(jìn)電機使能端位定義、左轉、右轉、前進(jìn)、停止子程序設計略——編者注。

3.3 按鍵掃描程序設計

按鍵使用3×3矩陣中斷掃描，S1～S8分別對應1號～8號餐桌的路徑，S9為備用返回鍵。單片機的P1口用于鍵盤(pán)的連接，鍵盤(pán)中的行、列線(xiàn)分別連接到按鍵開(kāi)關(guān)的兩端，通過(guò)鍵盤(pán)處理程序確定有無(wú)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(kāi)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。程序設計如下：

3.4 奇偶餐桌號計數

使用STC12C5A60S2單片機里的兩個(gè)計數器：T0、T1。其中，T0用來(lái)計奇號數餐桌號，T1用來(lái)計偶號數餐桌號。當按下奇號數餐桌號時(shí)，T0開(kāi)始工作，T1禁止計數。當送餐機器人走到1號餐桌分支路口時(shí)，TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，并被黑線(xiàn)軌跡吸收，發(fā)射出的紅外線(xiàn)沒(méi)有被反射回來(lái)，這時(shí)計數器自動(dòng)加1，直至加到與工作人員按下的按鍵號count值一致時(shí)，送餐機器人才向奇數餐桌側轉彎，并前行到該號餐桌。

當紅外探頭3、4檢測到有信號時(shí)，小車(chē)停止。同樣，當按下偶數餐桌號時(shí)，T1開(kāi)始工作，T0禁止計數。程序設計如下：

結語(yǔ)

根據程序測試，選擇模式后，按下按鍵，尋軌式語(yǔ)音播報送餐機器人能夠沿著(zhù)黑線(xiàn)行走，遇到前方有人時(shí)，機器人停止行走并語(yǔ)音提示前方行人讓路;遇到奇偶餐桌號時(shí)，可自動(dòng)識別并計數，直至行走到按鍵按下的餐桌號;達到目的地后，機器人停止，語(yǔ)音提示客人點(diǎn)餐已到，待客人拿走端盤(pán)，托盤(pán)壓力傳感器壓力為0，觸發(fā)主控器10 s倒計時(shí)，倒計時(shí)結束后機器人原路返回，若是“收盤(pán)模式”，則按返回鍵機器人原路返回。通過(guò)測試，尋軌式語(yǔ)音播報送餐機器人的設計實(shí)現了預期的功能。