基于單片機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人設(shè)計(jì)

楊婧芳+祁惠梅

摘要：本設(shè)計(jì)采用了比較先進(jìn)的AT89S52為控制核心。ATMEL公司，AY89S51可以說(shuō)是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品，通過(guò)構(gòu)建智能機(jī)器人系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。此設(shè)計(jì)所使用的移動(dòng)機(jī)器人工程對(duì)象——機(jī)器人，兩個(gè)輪子作為機(jī)器人的兩條腿。它采用AT89S52單片機(jī)作為大腦，通過(guò)教學(xué)版安裝在機(jī)器人底盤(pán)上。運(yùn)用反射式紅外傳感器來(lái)進(jìn)行路徑檢測(cè)和速度監(jiān)測(cè)模塊，機(jī)器人的大腦——單片機(jī)AT89S52基于這個(gè)傳感器的輸入控制伺服電機(jī)?；谶B續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的移動(dòng)機(jī)器人，使機(jī)器人通過(guò)編程自動(dòng)完成相應(yīng)的動(dòng)作。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)；移動(dòng)機(jī)器人；設(shè)計(jì)

1機(jī)器人的構(gòu)成及設(shè)計(jì)方案

1.1機(jī)器人的構(gòu)成

機(jī)器人主要由八大部分組成，它們分別是單片機(jī)（主控制器）模塊、傳感器模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、LCD顯示器模塊、電源、無(wú)焊錫面包板。他們之間互相協(xié)作，最終完成動(dòng)作。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)計(jì)一個(gè)基于連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)的智能移動(dòng)機(jī)器人，系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。

圖1系統(tǒng)方案方框圖

1.3系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

移動(dòng)機(jī)器人控制系統(tǒng)由單片機(jī)（主控制器）電路模塊、紅外檢則模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、LCD模塊等部分組成。

2移動(dòng)機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)

2.1移動(dòng)機(jī)器人的硬件連接

機(jī)器人大腦需要連接電源來(lái)運(yùn)行，同時(shí)也需要連接到PC（或筆記本電腦）以便編程和交互。

2.1.1串口的連接

機(jī)器人教學(xué)板通過(guò)串口電纜連接到PC或者筆記本電腦上以便于用戶交互。如果計(jì)算機(jī)有串行接口，直接使用串口連接電纜。將該串口線一端的串口連接到機(jī)器人教學(xué)板上，另一端連接到計(jì)算機(jī)的USB口上，并安裝對(duì)應(yīng)的USB驅(qū)動(dòng)程序。

2.1.2ISP下載線的連接

移動(dòng)機(jī)器人程序通過(guò)連接到PC或者筆記本電腦的并口上的ISP下載線來(lái)下載到教學(xué)板上的單片機(jī)內(nèi)。下載線一端連接到PC的并行接口上，另一端（小端）連接到教學(xué)板上的程序下載口上。

2.2傳感器檢測(cè)模塊

機(jī)器人使用紅外線二極管LED作為前燈。紅外線二極管發(fā)射紅外光線，如果機(jī)器人前面的障礙物，紅外線從物體反射回來(lái)，相當(dāng)于機(jī)器人眼睛的紅外檢測(cè)（接受）器，檢測(cè)到反射回的紅外光線，并發(fā)出信號(hào)來(lái)表明檢測(cè)到從物體反射回紅外線。機(jī)器人的大腦———單片機(jī)AT89S52基于這個(gè)傳感器的輸入控制伺服電機(jī)。

2.3單片機(jī)模塊

2.3.1AT89S52單片機(jī)模塊

控制機(jī)器人伺服電機(jī)以不同速度運(yùn)動(dòng)是通過(guò)讓單片機(jī)的輸入/輸出（I/O）接口輸出不同的脈沖序列來(lái)實(shí)現(xiàn)的。51系列單片機(jī)有4個(gè)8位的并行I/O口：P0、P1、P2和P3。這4個(gè)接口既可以作為輸入，也可以作為輸出；也可按位方式（1位）使用。

2.3.2定時(shí)/計(jì)數(shù)器的運(yùn)用

單片機(jī)AT89S52的定時(shí)/計(jì)數(shù)器可以分為定時(shí)器模式和計(jì)數(shù)器模式。其實(shí)這兩種模式?jīng)]有本質(zhì)上的區(qū)別，均使用二進(jìn)制的加一計(jì)數(shù)；當(dāng)計(jì)數(shù)器的值計(jì)滿回零時(shí)能自動(dòng)產(chǎn)生中斷的請(qǐng)求，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)功能。他們的不同之處在于定時(shí)器使用單片機(jī)的時(shí)鐘來(lái)計(jì)數(shù)，而計(jì)數(shù)器使用的是外部信號(hào)。定時(shí)/計(jì)數(shù)器能產(chǎn)生更精確的延時(shí)，它的最小延時(shí)單位為1個(gè)機(jī)器周期。查閱資料可知，若晶振頻率為12MHz，則延時(shí)單位為1μs；若為11.0592MHz，則延時(shí)單位為1.08μs。

2.4LCD模塊

LCD1602有8個(gè)數(shù)據(jù)引腳（D0-D7）與AT89S52相連，用于接收指令和數(shù)據(jù)。AT89S52通過(guò)RS、RW和E這三個(gè)端口控制LCD模塊。

2.5無(wú)焊錫面包板

在面包板插座上插上元器件，比如電阻、LED、揚(yáng)聲器和傳感器，就夠成了例程電路。元器件靠面包板插座彼此連接。在面包板上端有一條黑色的插座，上面標(biāo)識(shí)著“Vcc”、“Vin”“GND”，稱之為電源端口，通過(guò)這些端口，可以給點(diǎn)路供電。“Vcc”指教準(zhǔn)的+5V電壓，“Vin”指電池的正極，“GND”對(duì)應(yīng)于教學(xué)板的接地端。左邊一條黑色的插座從上到下標(biāo)識(shí)著P10，P11，P12，……，P37（共18個(gè)，部分端口并未標(biāo)出）。通過(guò)這些插座，可以將搭建的電路與單片機(jī)連接起來(lái)。

3移動(dòng)機(jī)器人軟件設(shè)計(jì)

在本次設(shè)計(jì)中，將反復(fù)用到3款軟件：KeiluVi-sion2IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境、SLISP下載軟件、串口調(diào)試軟件。

3.1.1KeiluVision2IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境

該軟件是德國(guó)KEIL公司出品的51系列單片機(jī)C語(yǔ)言集成開(kāi)發(fā)系統(tǒng)。C語(yǔ)言在語(yǔ)法結(jié)構(gòu)上更加靈活，功能更加強(qiáng)大。

3.2.2SLISP軟件下載工具

該軟件是廣州天河雙龍電子有限公司推出的一款I(lǐng)SP下載軟件，使用該軟件可以將可執(zhí)行文件下載到機(jī)器人單片機(jī)上。該軟件的使用需要計(jì)算機(jī)有并行接口。

3.2.3串口天使軟件

此軟件用來(lái)顯示單片機(jī)與計(jì)算機(jī)的交互信息。在硬件上，計(jì)算機(jī)至少要有串行接口或USB接口來(lái)與單片機(jī)教學(xué)板的串口連接。

3.3光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

3.3.1光電檢測(cè)過(guò)程

光電檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)，使機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用調(diào)頻方式。由于LED的響應(yīng)速度快，其工作頻率可以達(dá)到MHz或十MHz以上，檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率可以滿足幾十～幾百千赫的要求。光源驅(qū)動(dòng)器負(fù)責(zé)將調(diào)制波形放大到足夠的功率以驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率高，適用于方波調(diào)制的光發(fā)射。接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光，并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。這種電信號(hào)通常很弱，可以通過(guò)濾波和放大處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大的形式，將調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離，為信號(hào)處理提供方便。在調(diào)制信號(hào)處理部分，對(duì)放大信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特征。因此，此模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。

3.3.2光電探頭

光電探頭安裝在機(jī)器人底盤(pán)前，安裝了5個(gè)檢測(cè)點(diǎn)。從理論上講，識(shí)別點(diǎn)越多，檢測(cè)越近，識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性就越高，但硬件成本和軟件復(fù)雜度也相應(yīng)提高。該檢測(cè)系統(tǒng)保證了檢測(cè)的準(zhǔn)確性，節(jié)省了硬件。發(fā)光二極管發(fā)出的調(diào)制光通過(guò)地面反射到光敏二極管。光電二極管產(chǎn)生的光電流與反射光的強(qiáng)度成線性關(guān)系。檢測(cè)到這一變化，可以確定測(cè)試點(diǎn)是否位于白導(dǎo)線之上，從而確定機(jī)器人和白導(dǎo)線的相對(duì)位置。。

4結(jié)論

在實(shí)踐過(guò)程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，并采用C語(yǔ)言對(duì)AT89S52進(jìn)行編程，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)基本移動(dòng)任務(wù)：安裝傳感器以探測(cè)周邊環(huán)境；基于傳感器信息作出決策；控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)（通過(guò)操作帶動(dòng)輪子旋轉(zhuǎn)的電機(jī)）；與用戶交換信息。整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，利用了多種電路模塊，將軟件和硬件相結(jié)合。本系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)如下功能：自動(dòng)沿預(yù)設(shè)軌道行駛：機(jī)器人在行駛過(guò)程中，能夠自動(dòng)檢測(cè)預(yù)先設(shè)好的軌道，實(shí)現(xiàn)直道和弧形軌道的前進(jìn)。若有偏離，能夠自動(dòng)糾正，返回到預(yù)設(shè)軌道上來(lái)。當(dāng)機(jī)器人探測(cè)到前進(jìn)方的障礙物時(shí)，可以自動(dòng)報(bào)警調(diào)整，躲避障礙物，從無(wú)障礙區(qū)通過(guò)。機(jī)器人通過(guò)障礙區(qū)后，能夠自動(dòng)循跡。機(jī)器人能夠自動(dòng)跟隨另一個(gè)機(jī)器人行走，并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)其距離，使其間距維持在固定數(shù)值。

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