寻轨式语音播报送餐机器人系统的软硬件设计

 1 设计方案

方案采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器，步进电机作为动力，人体红外传感器避障，TCRT5000传感器寻迹，语音芯片则用来播报机器人服务过程中的日常用语。系统设计了一个电源开关、一个模式开关、8个餐桌按键盘、一个返回键。系统由模式开关来选择“送餐”或是“收盘”，并依靠寻找黑线来实行餐桌定位，使用红外探头完成寻轨。机器人正前方安装有人体红外传感器，用来检测前方人体障碍物。中间设计成垃圾回收桶，可回收垃圾。左侧设有小盘可放擦手毛巾，托盘上安装压力传感器，当送餐到客人面前，语音提示客人点餐已到，客人取走点餐，压力传感器检测到没有压力之后，语音提示并原路返回，若是“收盘模式”，则按返回键返回。系统硬件框图如图1所示。

2 硬件设计

2.1 主控芯片

主控芯片使用STC12C5A60S2单片机，该单片机是宏晶科技生产的单机器周期单片机，具有高速、低功耗、超强抗干扰的特点，指令代码完全兼容传统8051，但速度要快8～12倍、内部集成MAX810专用复位电路、2路PWM。

2.2 红外循迹探头传感器

循迹探头采用TCRT5000传感器，其灵敏度高，一只发送、一只接收。TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来，或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态;被检测物体出现在检测范围内时，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。具体实现电路如图2所示。

红外探头一共有8个，分布如图3所示。其中探头3、4、6、7为主探头，用来寻轨;探头5、8为辅助探头，用来修正轨道;探头1、2为计数探头，用来计数餐桌号。底盘灰色部分为轨道。

系统设定8个餐桌，也可能扩展多个，位置布局如图4所示。

2.3 步进电机的选用

步进电机选用美蓓亚42步进电机，相电阻为2 Ω，步距角为1.8°。6 V试电，短路电流达到了1.9 A，静力矩约2.8 kg。采用LMD18200T驱动器，速度适合中等速度偏向高速，而且力量不错，发热也不大。

LMD18200T是NS推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，应用电路原理图如图5所示，内部集成了4个DM0S管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300 kHz左右的工作频率控制。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率越高。

引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向从引脚2到引脚10;反转时电流的方向从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10 A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性地自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。

2.4 压力传感器的选用

电阻应变式压力传感器能够承受5 kg的重量，满足一份点餐的重量。传感器配合HX711AD模块使用，HX711AD模块具有两路模拟通道输入，内部集成128倍增益可编程放大器，是一款高精度、低成本的采样前端模块。图6为压力传感器安装方式。

与同类型芯片相比，HX711AD芯片集成了包括稳压电源、片内时钟振荡器等同类型芯片所需要的外围电路，具有集成度高、响应速度快、抗干扰性强等优点。该芯片与后端MCU芯片的接口和编程非常简单，所有控制信号由引脚驱动，无需对芯片内部的寄存器编程。

如图7所示，输入电路配置为提供桥压的电桥式传感器模式，通过HX711AD模块的数字量送到MCU，当送餐到目的地后，客人端走托盘，系统检测压力传感器压力为0，触发CPU 10 s倒计时，倒计时结束后机器人播音“拜拜”，并原路返回。

2.5 人体红外检测模块

选用迷你型人体红外检测模块，主要检测送餐机器人正前方有无人员(障碍物)，调整感应距离为0.5 m，若前方0.5 m处检测到人体红外光，则触发模块信号送到MCU处理，MCU发送指令操控送餐机器人停止前行，并触发语音芯片发出“您好，服务员正在送餐中，请让一下路”的提示。

2.6 语音播报IC的选用

语音播报使用MXH040语音芯片。MXH040语音芯片可编程一次性烧录语音，语音长度可达40 s(采样率为6kHz)，最多可存放700个语音文件，最多可加载63段地址的语音，具有按键控制模式、一线串口控制模式以及两线串口控制模式等。在本设计中主要采用按键控制模式，并通过单片机P2 I/O口来触发语音播报。系统设计使用以下几个语句：“您好，服务员正在送餐中。请让一下路”，“您好，您的点餐已到，请慢慢享用”，“拜拜”，“您好，送餐已经回来，请准备下一次送餐”。硬件电路如图8所示。

2. 7 3×3按键矩阵

按键矩阵采用3x 3矩阵方式，通过两个三输入的与非门单片机中断口连接，电路原理图如图9所示。

3 软件设计

启动后，选择送餐或收盘模式，系统进入按键扫描状态，当服务员放好点餐端盘后，按下目的地餐桌号，系统若检测到奇数餐桌号，则启动奇数餐桌号计数器并禁止偶数餐桌号计数器;若检测到偶数餐桌号，则启动偶数餐桌号计数器并禁止偶餐桌号计数器，并把目的地餐桌号赋值给变量count，机器人开始寻轨行走。当探头1或2检测到分支路口时，计数器加1，直至计数器加至变量count的值，机器人才向相应的方向转弯行走。当探头3或4同时检测到信号时，机器人停止行走，若是“送餐”模式，则客人取走端盘，系统等待10 s后原路返回。若是收盘模式，则按返回键，机器人原路返回。软件流程图如图10所示。

3.1 红外寻轨

3、4、6、7为红外寻轨探头，探头5、8用来修正轨道。红外反射外传感器端口定义与寻轨程序设计如下：

3.2 步进电机驱动

步进电机作为机器人的动力，主要通过单片机产生的PWM脉冲来调速。LMD18200逻辑真值表如表1所列。

因为使用4个驱动步进电机，需要两个LMD18200模块，步进电机使能端位定义、左转、右转、前进、停止子程序设计略——编者注。

3.3 按键扫描程序设计

按键使用3×3矩阵中断扫描，S1～S8分别对应1号～8号餐桌的路径，S9为备用返回键。单片机的P1口用于键盘的连接，键盘中的行、列线分别连接到按键开关的两端，通过键盘处理程序确定有无按键按下，判断哪一个按键按下，还要消除按键在闭合或断开时的抖动。两个并行口中，一个使按键逐行动态接地，另一个并行口输入按键状态，以此确定闭合键的位置。程序设计如下：

3.4 奇偶餐桌号计数

使用STC12C5A60S2单片机里的两个计数器：T0、T1。其中，T0用来计奇号数餐桌号，T1用来计偶号数餐桌号。当按下奇号数餐桌号时，T0开始工作，T1禁止计数。当送餐机器人走到1号餐桌分支路口时，TCRT5000传感器的红外发射二极管不断发射红外线，并被黑线轨迹吸收，发射出的红外线没有被反射回来，这时计数器自动加1，直至加到与工作人员按下的按键号count值一致时，送餐机器人才向奇数餐桌侧转弯，并前行到该号餐桌。

当红外探头3、4检测到有信号时，小车停止。同样，当按下偶数餐桌号时，T1开始工作，T0禁止计数。程序设计如下：

结语

根据程序测试，选择模式后，按下按键，寻轨式语音播报送餐机器人能够沿着黑线行走，遇到前方有人时，机器人停止行走并语音提示前方行人让路;遇到奇偶餐桌号时，可自动识别并计数，直至行走到按键按下的餐桌号;达到目的地后，机器人停止，语音提示客人点餐已到，待客人拿走端盘，托盘压力传感器压力为0，触发主控器10 s倒计时，倒计时结束后机器人原路返回，若是“收盘模式”，则按返回键机器人原路返回。通过测试，寻轨式语音播报送餐机器人的设计实现了预期的功能。