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