基于HT46R24單片機的智能機器人控制系統

隋秀梅，林 源，趙 麗

（長春職業技術學院，長春 130033）

0 引言

機器人是先進制造技術和自動化裝備的典型代表，是人造機器的“終極”形式。它涉及到機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、傳感器、通訊與網絡等多個學科和領域，是多種高新技術發展成果的綜合集成，因此它的發展與眾多學科發展密切相關。近些年來，隨著教育理念的不斷更新，實踐教學的飛速發展，機器人技術也在為教育改革貢獻自己的力量，以培養學生實踐能力、創新能力為目的，在全世界范圍內相繼出現了一系列的機器人競賽。如：中國青少年機器人競賽、中國機器人大賽、機器人足球比賽、大學生機器人比賽、小學生機器人比賽等如雨后春筍般發展起來。

1 AS-UII型智能機器人的總體結構

AS-UII型智能機器人的總體結構如圖1所示，主要由機器人本體機械部分；紅外傳感器、光敏傳感器組成的傳感器部分、直流電機及驅動部分、以HT46R24型單片機為核心的控制部分等組成。

圖1 AS-UII型機器人的組成

傳感系統采用紅外傳感器和光敏傳感器，來實現對周圍環境中障礙物的檢測和光源的搜索，測量信號送入以HT46R24型單片機為核心的控制系統，單片機根據測量進行決策，輸出控制信號以差動方式驅動左右輪的直流電機，帶動機器人實現直行、左轉、右轉、后退等功能，為了保持機器人的平衡和自如轉彎，在前后分別安裝一萬向輪。

2 智能機器人的傳感系統

AS-UII型機器人的傳感器系統主要包括紅外傳感器和光敏傳感器。其中紅外傳感器用來測量障礙物的存在，光敏傳感器用來尋找光源。這兩種傳感器是機器人滅火和機器人足球比賽必備的測量設備。

2.1 紅外傳感器

為區別于自然光及明火等干擾性較強的光線，采用紅外頻率發生電路，產生一個38kHz的紅外光，如圖2所示,晶振和電容配合發出38kHz的正弦波，經施密特觸發器74HC14后成方波，R23為調整反饋。

紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器和輸出放大電路，靈敏度很高。紅外測障電路如圖4所示。采用單片機的I/O口PD2,PD3分別控制左右紅外光發射管的關閉和打開，AR1和AR2控制左右紅外光發射光的發射強度。

圖2 紅外信號發生電路

2.2 光敏傳感器

AS-UII機器人選用光敏電阻作為光敏傳感器，它的阻值受照射在它上面的光線強弱的影響。所用的光敏電阻的阻值的暗電阻為幾百千歐，室內光照度下為幾千歐，陽光或強光下幾十歐。將光敏電阻和10k?的電阻R13串連后構成分壓器。左右兩個光敏電阻分別與單片機的模擬輸入口相連，在單片機系統中采集光敏電阻上的電壓值。光暗時，光敏電阻上的電壓接近5V，光強時，接近0V。將左右兩個傳感器的輸出電壓值進行比較就可以知道光源的位置是在在機器人的左前方還是右前方。

3 智能機器人控制系統

3.1 單片機系統

圖3 紅外傳感器測障電路

圖4 光敏傳感器測量電路

采用盛群公司的HT46R24型8位高性能、高效益的RISC 結構單片機作為整個控制系統的核心，完成兩種四支傳感器的檢測信號采集，與左右輪的直流電機的轉速控制，并可以通過進一步擴展實現如地面灰度等其它參數的測量，以及對其它設備如滅火風扇電機的控制等。

HT46R24單片機共有28個引腳，單片機資源分配如下：PA0為開始信號（START）輸入端，PA2、PA3分別控制左右兩個紅外發射管的發射狀態，發射管為低電平觸發。PA5 為光敏信號接收端，前后兩個接收點的信號都通過PA5檢測到，只是通過分時發送，接收時，判斷是哪一個端口發射，將其加以區分。PC0、PC1為光敏傳感器A/D轉換輸入端口，10位A/D轉換器具有足夠高的轉換精度。RESET為信號輸入端。PD0、PD1為直流電機控制端口，OSC1、OSC2為晶振接入端口。

3.2 紅外避障模塊

紅外發射端安裝在正前方兩側各22.50的位置，接收端安裝在正前方，紅外光以60度的散角向外發射，而紅外的接收端正好處于左右兩個反射光區域內，能接收左右兩個紅外發射管的反射光，當接收器只能接收到左發射管的反射信號時判定左方有障礙，只接受到右發射管的反射信號時判定為右方有障礙，若左右兩邊的反射信號都能接收到時就認為障礙在正前方。紅外避障的程序流程如圖5所示。

3.3 趨光模塊

單片機對光敏電阻兩端的電壓進行A/D轉換，之后將這兩組數值進行比較，如果左右相等，說明左右兩傳感器接受到的光照強度是一樣大的，便是光源在正前方，向正前方走。如果兩邊的數值不相等，則進入下一判斷，如果左邊比右邊光更強，則說明此時光源在機器人的左邊，向左轉彎，否則說明光源在機器人的右邊，機器人向右走。程序流程見圖6所示。

4 智能機器人的驅動系統

采用PWM差動方式控制左右二個直流電機來控制機器人的運動，實現機器人的直行前進、左轉、右轉、后退等。脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數字編碼的方法，通過高分辨率計數器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼，優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換，因而其經濟、節約空間、抗噪性能強。HT46R24單片機內部集成了兩個PWM波形輸出口（即PD0、PD1端口），再調試過程中，只要將其掩模選項設置好，選擇好所需的輸出模式后，就可以方便的得到任意的PWM控制波形。電機的型號為J1105型直流電機，運行參數為：額定電壓:9V，額定轉速：3000(r/min)，額定轉矩：1.2(mN.m)，額定電流：≤0.15 A，堵轉轉矩倍數≥2。驅動電路如圖7。

圖7 PWM驅動直流電機電路

5 實驗及結論

在完成了軟、硬件設計的基礎上，制作了競賽用智能機器人樣機，并進行了實驗。樣機結構如圖8所示。

由于HT46R24芯片是OTP型芯片，所以首先采用仿真器ICE進行調試，經編譯，程序無誤后，將程序下載到仿真器內運行，機器人實現預期動作，實現自主避障和趨光功能。將仿真后，完整、正確的應用程序燒錄到HT46R24芯片，進行固化后的程序運行，機器人實現預期動作，機器人能夠按程序設定實現前進、左轉和右轉，完成自主避障和趨光功能，并且經過長時間工作，功能可靠。

由于HT46R24芯片預留了足夠多的I/O接口，用戶可以在此基礎上，進一步進行開發，適當增加一些傳感器，即可實現其他一些功能，如聲控、地面灰度識別等，以便參加各類智能機器人的比賽。本文設計的機器人集傳感器技術、單片機技術、電機控制技術于一體，可以作為機電專業學生課內實驗和課外競賽的重要工具。

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