基于51單片機的輪式移動機器人控制系統(tǒng)設計

摘 要：控制器是機器人控制系統(tǒng)的核心。該設計采用雙STC89C52RC型單片機控制，系統(tǒng)的處理與反應速度較快，具有運動、避障礙物、自動尋跡等功能。介紹該控制系統(tǒng)的硬件及軟件的設計。

關鍵詞：輪式移動機器人 控制系統(tǒng) 設計

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1007-3973（2013）010-123-02

1 引言

輪式移動機器人是移動機器人的重要分支之一。由于其自身重量輕、承載能力大、驅動和控制相對方便、行走速度快等優(yōu)點，被大量應用于空間探索、農(nóng)業(yè)、工業(yè)、家用服務業(yè)等領域。因此，從現(xiàn)實應用和經(jīng)濟角度考慮，設計和開發(fā)一整套輪式移動機器人的控制系統(tǒng)是必要的。筆者設計和開發(fā)了基于STC89C52RC單片機的控制系統(tǒng)與躲避障礙物、自動尋跡等功能的相關軟件。

2 系統(tǒng)結構

車體將采用三輪式結構，后兩輪獨立且分別由兩個電機驅動，前輪是自由輪。這種結構的特點是車體結構組成簡單、WMR旋轉半徑可以從零到無限大任意設定，轉向靈活。

本系統(tǒng)所采用的STC89C52RC型單片機是宏晶科技推出的新一代、低功率、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051單片機。它的芯片上儲存器大小為8K字節(jié)，可擴展至64K字節(jié)；板子上有三個16位的時間計數(shù)器、一個全雙工的串口、一個用于控制的布爾處理器、看門狗；電壓范圍3.3到5.5V，最高工作頻率可達48MHz。

在本系統(tǒng)控制系統(tǒng)中，控制器需要控制兩個電機、超聲波測距傳感器、尋跡傳感器、LCD顯示器等多個器件。如所有任務由一個控制器完成，將會影響系統(tǒng)的處理與反應速度。因此本設計采用雙52RC單片機控制，單片機U1用于驅動液晶屏LCD工作，單片機U2用于整個系統(tǒng)的控制，它們之間通過I/O口通訊，以實現(xiàn)兩片單片機共同工作的相互協(xié)調控制。系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制器系統(tǒng)CPU U1設計

CPU U1的引腳排列如圖2所示。其中P0.0～P0.7、P2.2～P2.7接12864LCD顯示器；P1.0、P1.3、P1.5接時鐘芯片D131302；P1.6、P1.7接EEPROM AT24C02；P2.0、P2.1接超聲波模塊；P3.0、P3.1是串口數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送端口，P3.2、P3.3、P3.4接按鍵電路；P3.2～P3.7接兩機通訊開關。

其余引腳：RST為復位腳；XTAL1、XTAL2接外部晶振；VCC為電源正極，接+5V電源；GND為電源負極，接地。

3.2 控制系統(tǒng)CPU2設計

CPU U2的引腳排列如圖3所示。P0.0～P0.7為U2的八個傳感器接口；P1.0～P1.7接八個流水燈；P2.0～P2.5接電源驅動芯片L298N，P2.7接蜂鳴器；P3.2、P3.3、P3.4為按鍵電路接口；P3.2～P3.7接兩機通訊開關。

3.3 控制器電源供電模塊設計

電源模塊包括三個部分：電源供電選擇、LCD和藍牙串口電源開關、程序下載轉換開關。電源是由兩個3.6V干電池串聯(lián)組成，接到電源插座的1、2、3端，其中1接負極，2、3接正極。電源插座的第1端口接地，第2端口接電機，第3端口接5V穩(wěn)壓芯片。電源模塊電路圖如圖4所示。

電源供電選擇：5V穩(wěn)壓芯片接到電源供電選擇開關上，開關打上去，選擇電源供電；開關打下去，USB供電。

LCD和藍牙串口電源開關：撥碼器的第1端口接5V穩(wěn)壓芯片，第2端口接LCD，第3接口接編程按鈕，第4端口接穩(wěn)壓芯片和電源插座的第3端口。

程序下載轉換開關：開關1打上去，藍牙與單片機進行通訊；打下去，USB與單片機進行通訊。

3.4 電機驅動模塊設計

本設計輪式移動機器人的驅動件主要包括電機、編碼器、驅動芯片，采用PWM進行調速與控制。根據(jù)脈沖編碼器的反饋信號，對移動機器人的運動狀態(tài)進行實時控制。電機驅動電路如圖5所示。

電機驅動芯片選擇L298N。L298N是步進電機專用的控制器，它能產(chǎn)生4相控制信號，能夠用單四拍、雙四拍、四相八拍方式控制步進電機。

4 系統(tǒng)軟件設計

本系統(tǒng)軟件設計采用C語言和匯編相結合的方式，在C語言中調用各個功能模塊。首先用匯編語言把系統(tǒng)的各個功能模塊編出，然后把這些編譯過來的模塊加入到控制器的使用庫中，采用C語言編寫主程序，調用各功能模塊，完成對硬件的操作。本系統(tǒng)分為兩大功能模塊：避障模塊、自動尋跡模塊。流程圖見圖6、圖7。

5 結語

本設計采用雙51單片機控制，使得輪式移動機器人控制結構簡單、反應較快、成本較低，抗干擾能力強，經(jīng)實驗論證可以滿足設計初衷，同時也為將來進一步開發(fā)和研究輪式移動機器人奠定下良好的理論基礎。

參考文獻：

[1] 朱磊磊，陳軍.輪式移動機器人研究綜述[J].機床與液壓，2009，37（8）：243-247.

[2] 胡文忻.基于80C51單片機的輪式移動機器人控制系統(tǒng)[J].知識經(jīng)濟，2009（05）.