基于單片機(jī)的多功能智能小車機(jī)器人

申江江，齊銀鵬， 陳方超，陳 毓，梁 浩

（1.海軍航空工程學(xué)院 航空訓(xùn)練基地，山東 青島 266109；2.海軍航空工程學(xué)院 青島校區(qū)，山東 青島 266041）

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異及傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，各國(guó)對(duì)智能移動(dòng)機(jī)器人的研制和開發(fā)力度也不斷加大，各式各樣的機(jī)器人進(jìn)入社會(huì)生活的方方面面。機(jī)器人可以代替人力進(jìn)行許多具有一定危險(xiǎn)性的活動(dòng)，進(jìn)入一些人類難以涉足的空間，比如不久前成功在月球登陸的“玉兔”號(hào)月球車。本文設(shè)計(jì)的小車可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車、無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)等領(lǐng)域，有實(shí)際應(yīng)用推廣價(jià)值[1]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的小車采用51單片機(jī)作為控制核心，使用光電傳感器檢測(cè)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，進(jìn)行循跡和避障，并由LCD實(shí)時(shí)顯示小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。金屬傳感器檢測(cè)到鐵片后小車由循跡狀態(tài)進(jìn)入到避障狀態(tài)，按下遙控器可使小車進(jìn)入遙控狀態(tài)，每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都有報(bào)警指示。智能小車實(shí)物照片及功能示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)要求及功能實(shí)現(xiàn)的分析，畫出系統(tǒng)的總體電路圖，如圖2所示。整個(gè)系統(tǒng)為模塊化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。

圖1 智能小車實(shí)物照片及功能示意圖Fig.1 Car and description of car function

系統(tǒng)主要以單片機(jī)最小控制系統(tǒng)為核心，包括電源模塊接口、外圍傳感器接口、LCD顯示器接口、遙控模塊接口、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊接口、報(bào)警模塊接口等，各部分共同構(gòu)成了智能小車的整體。

圖2 系統(tǒng)的總體電路圖Fig.2 Circuit diagram of whole program

2.2 分系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.2.1 循跡、避障模塊

機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車 （AGV—auto-guided vehicle）系統(tǒng)，選擇正確的路線行進(jìn)。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。為了簡(jiǎn)單起見，系統(tǒng)中使用了五個(gè)紅外反射式光電傳感器進(jìn)行循跡和避障，其中三個(gè)ST178H型紅外傳感器用于尋跡，兩個(gè)E18型用于障礙判斷，傳感器實(shí)物如圖3所示。

圖3 ST178H和E18型紅外傳感器Fig.3 ST178H and E18 infrared sensor

2.2.2 金屬檢測(cè)模塊

當(dāng)小車行進(jìn)到黑線的盡頭時(shí)，需要檢測(cè)終點(diǎn)，由控制器發(fā)出指令，進(jìn)入相應(yīng)的程序。只要在運(yùn)行軌跡的終點(diǎn)放置一塊鐵片，再用金屬傳感器檢測(cè)金屬片就可以實(shí)現(xiàn)，電路簡(jiǎn)單，不會(huì)占用很多CPU資源。本文選用了LJ12A3-Z-4/BX型電感式金屬接近開關(guān)傳感器，該傳感器體積小，功耗低，工作電流只有0.5～3 mA，應(yīng)用方便，輸出信號(hào)可直接接單片機(jī)。

2.2.3 遙控模塊

無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應(yīng)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測(cè)、小型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、無(wú)線數(shù)據(jù)通信、機(jī)器人控制、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像的傳輸?shù)阮I(lǐng)域中[2]。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的遙控，需要一個(gè)無(wú)線遙控模塊。本文采用DF無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，其工作頻率為315MHz，為全球通用的ISM頻段，發(fā)射頻率<500mW。DF無(wú)線收發(fā)模塊結(jié)合編解碼芯片PT2262/2272可以將單片機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)編解碼之后發(fā)射出去。DF無(wú)線收發(fā)模塊具有發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。無(wú)線發(fā)射/接收模塊的實(shí)物圖如圖4所示。

圖4 無(wú)線接收及發(fā)射模塊Fig.4 Wireless receiving and transmitter module

2.2.4 顯示模塊

在小車行進(jìn)時(shí)，需要顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，顯示裝置就必不可少了?？紤]到需要顯示大量的字母，系統(tǒng)選擇使用1602型LCD顯示。1602的意思是每行顯示16個(gè)字符，可以顯示兩行，為字符型液晶，即只能顯示ASCII碼字符，如數(shù)字、大小寫字母、各種符號(hào)等。系統(tǒng)采用的1602為5 V電壓驅(qū)動(dòng)，16針接口，帶背光，內(nèi)置含128個(gè)字符的ASCII碼字符集字庫(kù)，只有并行接口，沒(méi)有串行接口。

2.2.5 測(cè)速模塊

系統(tǒng)中使用兩個(gè)TCR5000型紅外反射傳感器對(duì)車輪轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，車輪上有黑白間隔的碼盤，單片機(jī)對(duì)傳感器輸出的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過(guò)計(jì)算一定時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)計(jì)算出小車的速度。TCR5000型紅外反射傳感器及碼盤如圖5所示。

圖5 TCR5000型紅外反射傳感器和碼盤Fig.5 TCR5000 infrared reflection sensor and Counting wheel

3 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程[3]，并采用模塊化設(shè)計(jì)，將各功能軟件編寫為一個(gè)個(gè)子函數(shù)，各個(gè)函數(shù)模塊之間獨(dú)立性強(qiáng)，需要時(shí)只要進(jìn)行調(diào)用即可，具有很好的可移植性。系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要包括外部中斷0[4]的初始化，小車傳感器初始化，LCD初始化及實(shí)時(shí)顯示工作狀態(tài)，小車啟動(dòng)，循跡程序，金屬檢測(cè)程序，聲音報(bào)警程序，中斷服務(wù)函數(shù)，避障程序，檢測(cè)遙控指令，聲音報(bào)警，遙控程序等。主程序流程圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)主程序軟件流程圖Fig.6 Flow chart of main program

將電源打開后，單片機(jī)上電復(fù)位，對(duì)外部中斷0進(jìn)行初始化，然后調(diào)用傳感器初始化函數(shù)，LCD初始化函數(shù)，啟動(dòng)小車，LCD顯示小車當(dāng)前狀態(tài)，開始調(diào)用循跡函數(shù)，對(duì)黑線進(jìn)行檢測(cè)，根據(jù)傳感器信號(hào)判斷小車與黑線的位置關(guān)系，由單片機(jī)輸出相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，控制左右兩輪的轉(zhuǎn)速，使小車時(shí)刻保持沿黑線行走。當(dāng)小車行駛到黑線的終點(diǎn)時(shí)，金屬傳感器檢測(cè)到鐵片，小車發(fā)出聲音報(bào)警，同時(shí)進(jìn)入中斷服務(wù)函數(shù)，調(diào)用避障子函數(shù)，開始避障，并更新LCD顯示內(nèi)容。當(dāng)遇到障礙時(shí)，小車會(huì)改變方向，繞過(guò)障礙物行駛。當(dāng)按下遙控按鍵時(shí)，小車收到指令，發(fā)出聲音報(bào)警，跳出避障程序，進(jìn)入遙控程序，并更新LCD顯示內(nèi)容。此時(shí)，可以對(duì)小車進(jìn)行遙控回收，完成整個(gè)測(cè)試任務(wù)。C51語(yǔ)言主程序如下所示：

int main（void）

{

TCON=0x05；

TMOD=0x11； //定時(shí)/計(jì)數(shù)器初始化

IE=0xAA； //外部中斷0初始化

sensor_init（）； //傳感器初始化

car_ahead（）； //小車啟動(dòng)

while（1）

{

car_follow（）； //循跡子函數(shù)

}

}

void service_int0 （）interrupt 0 using 1 //外部中斷 0服

務(wù)函數(shù)

{

car_ringing（）； //報(bào)警子函數(shù)

while（（P1&0x0f） ==0x00）

{

car_prevent（）； //避障子函數(shù)

}

car_ringing（）；

while（1）

{

car_remotecontrol（）； // 遙控子函數(shù)

}

}

4 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)智能小車的高級(jí)開發(fā)可對(duì)它加裝GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）或加裝基于Internet的接口電路、攝像頭等，使它具備全球機(jī)動(dòng)能力和遠(yuǎn)程控制功能。其典型應(yīng)用為遠(yuǎn)程偵察機(jī)器人，智能探測(cè)機(jī)器人[5]等。隨著不斷地開發(fā)及產(chǎn)品的投入使用，智能尋跡、避障小車在無(wú)軌列車、無(wú)人駕駛方面將具有更廣泛的應(yīng)用前景和使用價(jià)值[6]。

[1]吳建平，殷戰(zhàn)國(guó)，曹思榕，等.紅外反射式傳感器在自主式尋跡小車中的應(yīng)用[J].中國(guó)測(cè)試技術(shù)，2004，30（6）：33-35.WU Jian-ping，YIN Zhan-guo，CAO Si-rong，et al.Aplication of infared sensor in auto-guided motor[J].China Measurement Test，2004，30（6）：33-35

[2]方建軍，何廣平.智能機(jī)器人[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

[3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2009.

[4]劉文濤.單片機(jī)C51語(yǔ)言應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[5]張煒.網(wǎng)絡(luò)機(jī)器人研究與發(fā)展分析[J].機(jī)器人應(yīng)用，2009（3）：6-7.ZHANG Wei.Reaseach and development analysis of internet robot[J].Robot Application，2009（3）：6-7.

[6]劉鳳然，田紅芳，王侃.基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)避障控制系統(tǒng)[J].中國(guó)儀器儀表，2001（3）:27-29.LIUFeng-ran，TIANHong-fang，WANGKan.Automatic obstacle avoidance control system of moving robot basing on SCM[J].China Instrument，2001（3）:27-29.