梁瑞

摘 要：針對目前多點位甲醛檢測價格高且耗時長的問題，設計了甲醛檢測機器人。該機器人可實現房間內各角落甲醛濃度自動檢測與監(jiān)控，定點多，檢測時間快，靈敏度高。STC89C52單片機根據E18-D80NK-N紅外檢測模塊采集的實時障礙信息控制L293D電機實現機器人行進。同時，利用ZE08甲醛模組檢測室內甲醛氣體濃度并顯示，當甲醛氣體濃度超限時報警。

關鍵詞：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;甲醛檢測

Abstract：In view of the high price and long time of multi-point formaldehyde detection， a formaldehyde detection robot was designed. The robot can realize the automatic detection and monitoring of formaldehyde concentration in all corners of the room. It has the advantages of many fixed-point ctection， fast detection time and high sensitivity. The STC89C52 MCU controls the L293D motor to realize robot travel according to the real-time obstacle information collected by the E18-D80NK-N infrared detection module. At the same time， the ZE08 formaldehyde module is used to detect the indoor formaldehyde gas concentration and display and alarm when the formaldehyde gas concentration exceeds the limit.

Key words：STC89C52;E18-D80NK-N;ZE08;formaldehyde detection

0 引言

隨著人工智能時代的到來，智能機器人出現在各行各業(yè)中。甲醛是室內裝修重要污染源之一，很多人選擇甲醛檢測機構或購買甲醛測試儀對新居進行檢測[1-2]。然而這兩種方式存在一些問題。首先，甲醛檢測機構按檢測點個數收費，檢測點少不能準確反映整個空間甲醛濃度，檢測點多則價格高。其次，檢測機構普遍采用抽取各點位空氣再到實驗室與化學試劑做實驗的方法進行檢測，每個點位需逐個測量，多點位測量耗時長。第三，當新居密閉時間或溫度變化時，甲醛濃度隨之變化，隨時進行檢測顯得費時費力。而甲醛檢測儀雖然移動方便，但用戶往往只購買一臺，多點檢測時需要逐一測試，因此耗時長。

本文基于STC89C52單片機設計了甲醛檢測機器人。當開啟機器人開關，該機器人自動開始檢測室內甲醛濃度且具有避障功能，同時，可通過液晶顯示甲醛濃度值并在甲醛濃度超限時啟動報警。使用者無需一直守候該機器人，只需根據報警查看結果即可[3]。

1 設計方案

本設計采用STC89C52單片機作為主控芯片，甲醛檢測機器人裝載的紅外檢測模塊實現對前方障礙物的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，單片機根據輸入數據對甲醛檢測機器人通過電機驅動進行智能控制，實現避障功能。同時，ZE08甲醛模組對當前位置甲醛氣體濃度采樣，通過單片機處理后顯示甲醛濃度，當超過限值時報警，等待用戶通過按鍵復位。整體系統(tǒng)設計框圖，如圖1所示。

2.1 避障系統(tǒng)設計

避障系統(tǒng)是甲醛檢測機器人的核心。本設計中，采用STC89C52作為主控單元，當甲醛檢測機器人前行時，紅外傳感器E18-D80NK-N立刻將檢測到的障礙信息發(fā)送至單片機處理，單片機判斷正確行駛方向后將結果發(fā)送至電機驅動芯片L293D驅動電機，從而避開障礙物[4]。電源模塊采用兩支18650可充電鋰電池供電，兩支電池串聯起的電壓約8 V左右，完全可以帶動整個系統(tǒng)，而單片機為5 V供電，因此，L293D與單片機共用一個電源接入單片機時需使用7805穩(wěn)壓，7805穩(wěn)壓模塊可提供穩(wěn)定的5 V電壓。避障系統(tǒng)硬件設計框圖，如圖2所示。

E18-D80NK-N是一種集發(fā)射和接收于一體的光電傳感器，發(fā)射光經過調制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調輸出，該傳感器不僅能檢測障礙物還能檢測障礙物的間距[5]。由于一般障礙物都在機器人行駛方向前方，因此在智能機器人兩端45度處安裝兩個E18-D80NK-N紅外傳感器，好比機器人的雙眼，能準確檢測出障礙物以及機器人與障礙物之間相對距離。該傳感器電氣結構為三根引線，分別為VCC、GND和OUT，OUT輸出加一個1K左右的上拉電阻連接到單片機IO口即可[6-7]。

甲醛檢測機器人行進方向的改變通過電機驅動芯片L293D實現。L293D是一種微型電機驅動集成電路芯片，支持VCC4.5-36 V，最大輸出電流為1A，它只適合小型發(fā)動機，不適合大型工業(yè)應用，對于本設計中的甲醛檢測機器人足以帶動[8-9]。其輸入引腳IN1與IN2分別連接P36引腳和P35引腳。L293D外圍電路原理圖，如圖3所示。

2.2 甲醛檢測系統(tǒng)設計

甲醛檢測系統(tǒng)除共用避障系統(tǒng)單片機控制模塊外還包括四個模塊，分別為傳感器模塊、顯示模塊、報警模塊和按鍵模塊。甲醛傳感器將采集到的模擬信號轉換為數字信號送至單片機，顯示模塊顯示甲醛濃度值，當該值高于設定的界限值時，報警器報警。其中，單片機具有兩個按鍵開關實現報警門限值的設置[10-11]。

甲醛檢測傳感器采用ZE08甲醛模組，ZE08-CH2O型電化學甲醛模組是一個通用型、小型化模組。利用電化學原理對空氣中存在的CH2O進行探測，具有良好的選擇性和穩(wěn)定性[12]。甲醛模組與單片機之間的數據交換是單向的，只需要甲醛模組向單片機發(fā)送數據即可。因此，將甲醛模組的數據輸出引腳連接單片機的數據輸入引腳。本設計中P30連接模組第6引腳，上拉330的電阻[13]。

數碼管顯示模塊可準確有效的顯示出有害氣體濃度和報警門限值，數碼管使用LCD1062[14-15]。該數碼管能夠同時顯示32個字符，通過設計所需要的電壓對其所要顯示的區(qū)域進行控制，加電時可顯示圖像，其數字式接口便于與單片機直接相連。本設計中需要注意其VO端接3K上拉電阻。

按鍵設置模塊使用2個按鍵與單片機連接，可設置報警門限值。當甲醛氣體濃度高于設定的界限值時，驅動蜂鳴器報警[16]。甲醛檢測模塊電路原理圖，如圖4所示。

3 軟件設計

避障系統(tǒng)運行邏輯是軟件設計的核心。當前方無障礙物時，小車前進;當前方有障礙物時，小車向左行駛;當前方與左方均有障礙物時，小車向右行駛;當前方、左方和右方均檢測到障礙物時，機器人后退。重復以上檢測流程，實現甲醛檢測機器人避障系統(tǒng)功能。避障系統(tǒng)運行邏輯圖，如圖5所示。

甲醛檢測模塊軟件設計主要為數據處理，在沒有中斷產生時一直執(zhí)行顯示、按鍵處理及檢測是否超限程序;當有中斷產生的時候執(zhí)行中斷服務程序。其中超限程序為判斷檢測值是否超出限值，當超出限值時開始報警。流程如圖6所示。

4 系統(tǒng)測試

當前方出現障礙物時，甲醛檢測機器人先選擇左方行進;當前方與左方出現障礙物時，甲醛檢測機器人選擇向右行進;當遇到90度拐角處時，甲醛檢測機器人選擇后退。實物如圖7所示。

利用甲醛檢測儀檢測兩處測試場地甲醛濃度分別為0.063 mg/M3和0.064 mg/M3，相同地點使用本系統(tǒng)進行甲醛檢測結果分別為0.065 mg/M3和0.067 mg/M3，誤差在允許范圍內。設置甲醛檢測限值為0.100 mg/M3，當在90度拐角處利用可燃物釋放甲醛氣體，測得甲醛濃度為0.225 mg/M3，此時，甲醛檢測機器人報警。測試結果如表1所示。因此，本設計滿足甲醛檢測機器人的設計要求。

5 總結

本文提出了基于STC89C52單片機甲醛檢測機器人的設計方法。主要闡述了避障系統(tǒng)和甲醛檢測系統(tǒng)兩部分，其中避障系統(tǒng)硬件設計核心包括單片機最小系統(tǒng)設計、紅外傳感器E18-D80NK-N電路設計和L293D電機驅動模塊電路設計;甲醛檢測系統(tǒng)硬件包括傳感器、顯示、報警和按鍵四個模塊。軟件設計主要為避障系統(tǒng)運行邏輯設計和單片機對傳感器采集數據的處理。經測試，本設計具有自動檢測室內甲醛濃度，設置甲醛濃度上限值，顯示檢測結果且超限報警的功能。整個系統(tǒng)性能穩(wěn)定，感應靈敏，價格低廉，應用前景廣泛。

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（收稿日期：2019.03.20）