基于51单片机ESP8266控制送餐机器人快递机器人
快递机器人
【摘 要】本装置是快递运输时代与智能机器人替代人工工作时代相结合为理念的产物，利用单片机编程技术结合相关传感器设计的智能快递机器人，该系统装置利用51单片机做核心处理器，外围器件结构上采用C语言编程技术对WIFI模块、红外线检测模块、等传感器进行硬件的辅助控制，软体上的技术包括安卓APP按键设定模块、WIFI模块的TCP连接协议以及电机PWM控制等，最终实现一个智能寻迹、定点派送功能的快递机器人。
【关键词】主控STC89C52单片机；WIFI模块；红外线检测模块；TCP连接
目录
1 引言
1.1 设计的背景和意义
机器人赋予人的概念是替代人工做一些高效率或者难以完成的事，随着物联网时代的发展，目前市场上出现的相关机器人越来越多，比如送餐机器人，洗碗机器人，无人机监控交通机器人等，不管是否具有人的外观形态，能帮助人工完成繁琐而复杂的工作，具有人的替代性，就统称机器人。
但随着目前互联网的发达，各种电商平台的崛起，物流行业也跟着兴旺起来，不管是从小公司还是知名上市大公司，物流分炼的分配大部分都是依靠人工，不仅效率慢而且还会随着外部因素的增加导致分炼错误的事件发生，因为物流的人工运输成本较高，工作质量也随着不同物流公司的管理制度出现不同的服务。尤其是购物节期间，物流物件的增多给人工的工作量带来了很大的压力，尤其是在总部公司的物件地方分炼，要保证精准高效率的分炼配送是相当的有难度，若有一款智能分配物件派送地址并且制定的送货区卸货拉货，岂不是方便快捷高效率很大，于是快递机器人的想法就表现的非常具有意义性，本文的设计理念就是基于该现象提出的做法，相信在今后的市场肯定有广阔应用场景和一席之地。
1.2 功能需求分析
快递机器人的设计概念上，从理想的功能结构上和应用上想象分析，该机器人具备一定的外部信息能力，能自主的判断该物品是从某个地方派送到制定地方，而且在行程的轨道上规规矩矩，不出现瞎走或者走不到制定地点的现象，故该系统装置应当具备以下几点最基本的功能；
1、装置上具有红外线感应寻迹的功能，在指定轨道布线之内，小车能遵循路线的范围行走，不跑偏、不失控，若未在指定的轨道上不做出任何反应原地待命。
2、派送的地址通过手机APP进行信息传输，即具有APP地点配送功能，在APP设置配送的地点，小车走到相应的地点后进行停止卸货，若不小心走到的地点为非配送地点，则继续行走到轨道外，等待人工重新操作。
3、机器人的电池供电具有方便的替换性，当供电电池没电时，工作人员只需将备用电池进行更换即可，省去充电的麻烦。
1.3 本文的主要工作
要整体的实现快递机器人的实验，不仅仅要从理论的分析，还需要实际的设计，包括软件和硬件的设计，将三者结合才能实现本次装置设计的需求，所需要的研究内容如下：
1、对快递机器人的工作原理、结构概念进行深入的研究和设计，提出多种可实行的方案，包括单片机以及相关传感器的选型，分析这几个选型方案的优缺点，选出最佳的设计方案。
2、对选定的传感器和单片机进行理论上的资源分析，包括该器件的控制方式、资源利用以及精度换算等，为后期的硬件设计和软件编写做铺垫。
3、采用相关的原理图绘制工具，对整体电路进行线路绘制，并导入PCB布线布局，再利用外围器件将绘制的原理图进行焊接实物利。
4、对硬件结构焊接完成后，勾勒整体的程序流程图，再采用相关的程序编写软件对主程序、各个子程序进行程序的编写和调试。
2 系统结构设计
2.1 系统框架图
本系统装置主要由四个部分组成：系统电源，传感器信号输入，控制信号输出，主控芯片处理，该系统总体结构框图如图2-1所示。
图2-1 总体结构框图
2.2 系统结构图功能介绍
系统有两路信号输入，一路信号输出，一个电源供电，主要可概括以下几个部分：
装置电源：电源部分是本次设计较为争议的部门之一，电机部分的驱动需要采用7V以上的高压，而系统单片机供电不能超过5V，而且还需要系统的供电方便，本次设计故采用电源稳压或隔离的方式实现，即采用两节18650电池进行串联给电机供电，在进行5V稳压输出给单片机系统的方式。
信号输入：两路的信号输入分别为WIFI地点控制信号和红外线地点识别信号，WIFI信号的输入是让快递机器人接收配送的地点，红外线识别信号为判断相应的地点这两者的信号输入是本次设计的关键点。
信号输出：当系统接收到配送地点时，输出信号驱动小车行走，当走到判定的信号输入点时，控制小车停止行走并卸货，该部分是系统的应用层，比较直观。
主控芯片：处理wifi信号的输入和红外信号的输入，将两者信号进行处理之后在进行信号的输出控制，并包括各个传感器的驱动、定时或者相关的算法计算，是整个系统的心脏，在不同的应用中对主控芯片的处理能力有着很严格的要求。
3 系统硬件设计
3.1 主控单片机
3.1.1 单片机选择与介绍
市场上的单片机种类千奇百态，从低端的一次性烧写芯片到最顶级的高通型号都属于单片机，根据设计的功能需求和硬件设施选择一个适合的单片机处理是非常困难的，不仅要从单片机的价格考虑，更要考虑资源的利用率以及入门难度等，以下几款单片机方案是目前市场上一些常规项目热门的处理器。
方案一：STC89C52RC单片机,该单片机是面对学生入门级和课程教学指定的芯片之一，在新手入门适应上有着不错的优势，芯片资源内部已经将相应的IO口对接好，只需控制管脚的输入输出情况就即可完成控制，并且内部也具备一些应用常规需要的定时器、中断等资源，适用的范围较广，缺点在于该芯片是一个8位的处理器，无法运行高质量高运算的设备需求。
方案二： STM32VET6单片机，该单片机是一款开发级别的控制器，在普通单片机的基础上集成ARM内核，为了方便用户的使用，官方也给该芯片集成了内建库，用户可通过简单的调用库函数实现操作，该芯片最具备的优势在于是一个可高度运算的32位处理器，不仅内部具有常规协议的总线，还能运行一些高度运算的设备，不过价格偏高，在经验能力相对较少的用户来看相对吃力。
本次设计的快递机器人在信号输入的方面只有两个信号，并且不是高运算的控制，加上自身的项目经验较少，方案一的52单片机较为合适，故选择该方案。
STC89C52单片机的关键跟基础版本的51是一样的，烧写方式也是一样，不同点在于52相对比51的程序编写内存增加的4KB的ROM，并且内部多继承了EEPROM掉电保存数据，在40个管脚中，有32个可用的IO口，都可作为数字输入输出，足以应对一些普遍的应用。外加内部具有中断、定时器、串口等资源，也是相当的丰富，如下图所示为该芯片的引脚图。
图3-1 单片机管脚图
3.1.1 单片机最小系统
该单片机最小系统相对简单，除了主控芯片和电源供电外，只需要在外围搭建一个晶振、和两个起振电容即可，该系统中的晶振由单片机可支持的最大频率有关，一般在12MHZ左右，起振电容在15P到30P之间。系统的供电在5V左右，而系统的起振只需大于3V即可，系统中通常会加入一个复位按键，该按键的作用在于当系统运行着繁琐的程序中，若该程序驱动的外围器件初始化是一个相对较久的传感器，而程序运行过程出现BUG如法继续运行的情况下，手动按下复位按钮即可完成系统的重启，无需断电。如下图所示为该单片机最小系统。
图3-2 单片机最小系统
3.2 红外寻迹模块
机器人在行走的路线中，要求上是规范化的运输，要实现小车不出现瞎走、忙走的情况，就需要加入外围传感器充当研究进行使用，在研究市场一些智能机器人的传感器后总结出以下几种辅助方案；
方案一：摄像头采集，摄像头具有采集全局图像的功能，只要在算法上分析路线的概况，即可高效率的自动化控制，常用在高端的控制类设备中，如四轴飞行器、飞思卡尔赛车等，不过摄像头对主控单片机的要求较高，至少需要32位的处理才能带动，较为地低端的处理器无法驱动，对用户的经验和算法能力也较为颇高。
方案二：红外线采集，红外传感器的原理相对简单，只识别黑白线，不同的线输出不同的电位，单片机只需要识别电位的变化即可知道线路的动态，通常采用多个传感器相结合，常用于送餐机器人等一些对资源利用不高和运算速度不快的设备中。
方案三：激光采集，激光传感器的原理相对比与红外传感器较为类似，可看作红外线的升级版，激光的感应距离远，输出的时效性更快，但价格上很高。
快递机器人类似于送餐机器人，都是在固定的区域内配送，考虑到应用的实现性质，红外传感器的方案较为合适。
单个红外传感器是是无法完成寻迹和定点判断的功能，通常最少三个到五个的传感器相结合使用，每个传感器由除电源地外，有一个数字输出的IO口，当传感器感应到黑线或者白线的电平都不一样，单片机通过电平来判断线路的识别，通过三个传感器的判定即可寻迹，外加两个传感器可判定地点的位置，如下图所示为红外模块应用电路图。
图3-3 红外传感器电路图
3.3 电机驱动模块
电机驱动主要应用于一些大电流的传感器件中，如电机，风扇等，驱动的产生主要是由于单片机的IO口输出的驱动能力太小，通常也就10毫安左右，并且随着不同IC的通电，输出带负载能力跟随电压的越低变得越弱，一般只能驱动器件的控制端，为了保证系统电源的方便性，寻找了市场上几种具有稳压双电源的驱动模块也就只有L298N模块。故直接选择该模块进行驱动电机。
L298N具有四路单向，两路双向的控制端口，并且具有12V转5V稳压的输出端口，系统只需要接入大于5V电源给模块供电就能驱动电机，并且稳压出的5V电源可直接给单片机系统的运作供电，简单便捷。如下图所示为是该模块的内部电路图。
图3-4 电机驱动模块内部原理图
3.4 APP无线通信模块部分
手机APP要实现与设备的通信，就需要借助无线的传输技术，通常与手机物联的方式有两种，一种是蓝牙，一种是WIFI，还有一种是NFC， NFC的感应距离较近，远距离的控制明显不合适，一下探讨另外两种物联方案：
方案一；蓝牙通信，蓝牙通信的技术是最早期的通信方式，手机跟音响就是这种通信方式，该通信方式的优点是一对一，当有一个设备进行连接时，其他设备无法进入插手，而蓝牙通信的控制方式简单，只需要采用串口技术即可控制，实现透传功能。
方案二；采用TCP连接技术的WIFI模块通信，WIFI模块的手机APP应用范围较广，透传模式下传输距离更远，可以实现多个手机APP连接共同应用的场景，控制方式也是相对简单，只需要根据协力的规定进行合理的编写程序即可，目前的智能家居大部分都采用这种通信方式。
快递机器人的理念是很多机器人同时运作，wifi的一对多的方案比较合适，明显是选择WIFI方案。
如下图所示是本次选择的ESP8266型号的WIFI模块，该模块的数据连接口跟蓝牙的通信方式一样，采用串口通信方式，数据根据RX和TX两个IO进行连接，由于该模块的工作电压为3.3V左右，系统的电源经过驱动模块稳压后仍然为5V，为了保证模块不会被烧坏，一个稳压二极管的压降是0.7V，采用两个稳压二极管进行稳压。
图3-5 wifi模块电路图
4 软件设计
4.1 主程序流程图
主程序上电后进行各个模块的初始化，包括WIFI模块的初始化、红外线寻迹初始化，进行手机连接方便APP控制，接着手机WIFI连接设备，随后进入配送信息循环检测函数，判断是都收到APP发送的配送地点信息，收到信息后在进行行走，当走在每个每个配送地点时，进行检测是否目标的配送地点，是的话停止行走进行卸货，否则机器人进行游行状态，具体的主程序的流程图，如图4-1所示。
图4-1 主程序流程图
4.2 红外采集流程图
寻迹方式上，采用三个模块进行左中右排列，红外模块的信号传输方式是数字电平，中间的传感器检测到黑线，左右两边的黑线检测到白色时，表示车子在轨道上可以直接行走，当右边的传感器检测到黑线，中间和左边检测到白色时，表示需要右拐，同理左边的检测到需要左转的方式进行控制小车的寻迹。具体的程序流程图如下。
图4-2 红外寻迹流程图
4.3 手机APP设定示意图
APP设定可根据用户的自主设置，只需要将配送的地点与机器人的识别代码一直即可，如配送到厦门的代号为A，若手机APP的信号发送一个字符A的指令，机器人在识别WIFI模块信息接收后的信号如果为A,小车行走在相应的A地点就停止卸货，如下图为手机APP设定的识别区域。
图4-3 手机APP示意图
5 系统调试
5.1 系统硬件调试
本次系统的硬件设计中，由于之前未成有过相关的设计经验，在焊接硬件的过程中问题层出不穷，不是出现短路就是烧毁器件等，好在指导老师的耐心指导解决的大部分的硬件过程中不应当出现的错误。一以下几点是本次设计硬件部分的调试总结。
（1）有些走线表面上眼睛看到的是正常的，没有短路的痕迹，实际上由于焊锡的导电性，线路之间的焊锡渣会出现短接现象，需要用万用表进行每一条线的测量，保证线路的通畅无干扰。
（2）焊接过程中出现了短接现象，比如一整坨的焊锡集中在一起，线路无法区分，导致多条线路的短路，这种现象不要用小刀或者其他工具硬掰，容易导致其他走线的断裂，需要用电烙铁融化短接除，利用吸枪工具对准吸附即可。
（3）电源的不稳定，导致系统的断断续续工作，或者出现与理论值差别很大的现象，这是有可能是电源的杂波比较多，可在电源的输入端加入一个有极性的电容进行滤波。
经过以上的一些列硬件调试，最终完成了硬件无BUG稳定性，保证了硬件系统的运行。
5.2 系统软件调试
本次软件部分的屌丝主要有两个点，一个是寻迹的调试，一个是WIFI传输指令的调试，具体的调试过程如下；
（1）感应黑线的时候，传感器输出的数值波动较大，这是感应距离识别导致的不灵敏，通过程序来检测硬件电路的延时时间，不断一步步的调试做出时间匹配，使得再程序进入等待状态时，通过硬件自身的的反馈进行辅助控制。
（2）wifi的传输指令数据与单片机接收的指令存在解析的误差，在APP上的指令标志建议不要超过三个字节，不然在单片机解析过程容易出现解析错误的现象，一般采用单个字符或者数字进作为控制的指令。
经过WIFI部分和感应黑线的程序一步步微调，小车最终在运行程序上，完美的接收手机发送的信息并且精准的识别地点。
6 总结
本文介绍了快的机器人的制作过程，包括方案的选取，软件和硬件的设计，虽然大致的基本功能都实现，但也存在许多不足之处，比如识别点的匹配效率，在今后能加入二维码的识别自动识别单号的地点在进行对应地点的配送则更加的完美高效率，在今后的物流行业中必定是一种发展趋势，人工的工作量将大大减少。还有一部分就是制作过程中遇到的软件和硬件的技术难题，这些解决的办法不是课程上能学到的，非常的考验一个人的动手能力和解决问题的能力，。
7 致谢
非常感谢学院给我的这一次时间的毕业设计机会，这不仅仅是对自身大学四年本科专业课程的考验，也是为自身今后踏入社会的第一次项目经验，简直是又欣喜又担忧，欣喜的是这是一次真正意义上的考试，担忧的是考试过程遇到的种种困难不知道从何入手，好在我的的指导老师细心的教导，让我从找问题的过程学到解决问题的能力。毕业日期近在眼前，在今后踏入社会的日子里，我会把老师的教诲铭记于心，通过自己的奋斗一步一步走向自己的目标！
[1] 李全利.单片机原理及接口技术［M］.高等教育出版社，2003
[2] 李朝青.单片机原理及接口技术(简明修订版)［M］.北京:北京航空航天大学出版社，1998
[3] 刘风然，田红芳，王侃．基于单片机的移动机器人自动避障控制系统．中国仪器仪 表，2001，（3）:27-29
[4] 朱丹琦．基于机器人避障的多传感器硬件电路[硕士论文]．哈尔滨：哈尔滨工程 大学，2002
[5] 胡盛斌，罗均，龚振邦.移动机器人避障的超声测距系统．机电一体化，2003，（I）： 36-40
[6] 杨争，胡旭东．自主移动机器人基于行为的导航策略及其实现．机器人技术与应用， 2002，
[7] 李珩. Altium Designer 6 电路设计实例与技巧[M]. 北京：国防工业出版社，2008
[8] 沙占友.单片机外围电路设计[M].电子工业出版社，2003
[9] 吕泉.现代传感器原理及应用[M].北京：清华大学出版社，2006
[10] 李春茂.电子技术基础[M].机械工业出版社，2008
[11] 李广弟.单片机基础[M].北京航空航天大学出版社，2001
[12] 王晶、翁显耀、梁业宗.自动寻迹小车的传感器模块设计[J].现代电
子技术，2008,22,（3）：192-194
[13] 张拓、戴亚文.基于AT89S52单片机的智能循迹机器人设计[J].机电工
程基础，2009,1,（3）：13-15
Express robot
【Abstract 】 This device is the product of the idea of combining the express transportation era with the intelligent robot replacing the artificial work era. The intelligent express robot is designed by using the single-chip computer programming technology and related sensors. The system device uses 51 single-chip computer as the core processor, and the peripheral device structure uses C language programming technology to carry out hardware for WiFi module, infrared detection module, and other sensors Auxiliary control, software technology including Android App key setting module, WiFi module TCP connection protocol and motor PWM control, and finally realize an intelligent tracking, fixed-point delivery function express robot。
【Key words 】Main control STC89C52 single chip microcomputer; WiFi module; infrared detection module; TCP connection
附件
智能硬件社区聚焦AI智能硬件技术生态，汇聚嵌入式AI、物联网硬件开发者，打造交流分享平台，同步全国赛事资讯、开展 OPC 核心人才招募，助力技术落地与开发者成长。
更多推荐
3
0- 0
已为社区贡献10条内容
所有评论(0)