基于單片機的智能機器人設計與實現

聶 茹，李國豪

(華南理工大學廣州學院電子信息工程學院，廣州510800)

1 引言

隨著我國科學技術的進步，智能化和自動化技術越來越普及，智能小車作為移動式機器人的一個重要分支，隨著機器人研究的深入受到越來越多人的關注。智能小車是一個多種高新技術的集成體，是計算機控制與電子技術的融合，集傳感器探測，單片機自動控制、電機調速等于一體，為電子設備智能化提供了很好的實例。

本設計的智能小車機器人以STC89C52單片機［1］為控制核心，由紅外避障模塊［2］、聲控模塊、光電尋跡、電機驅動及語音播報模塊組成，并使用Altium Designer Summer 09軟件制作原理圖和電路板。小車可以自動循跡在設計好的線路上行走，在遇到障礙物時可以自行停止并可以實現反向運行，可以利用聲音控制小車的啟停。本設計采用模塊化設計結構，小巧緊湊，控制準確，性價比高，具有較高的人性化和智能化。

2 系統設計與原理

2.1 總體方案設計

總體方案設計如圖1所示。

圖1 方案設計圖

2.2 工作原理

系統以STC89C52單片機作為控制芯片，通過L9110電機驅動電路作為小車行使驅動電機的核心，運用多路紅外對管完成小車蔽障和循跡功能并且語音播報，以STC89C52單片機為控制小車的核心部分，實現小車多功能運行。

3 硬件電路設計

根據功能要求，本設計主要由電機驅動電路、光電循跡檢測電路、紅外避障電路、聲控模塊、語音播放幾部分組成，下面將介紹這幾個模塊的設計。

3.1 電機驅動電路

電機驅動模塊采用L9110。L9110是為控制和驅動電機設計的兩通道推挽式功率放大專用集成電路器件，該芯片有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性;兩個輸出端能直接驅動電機的正反向運動，它具有較大的電流驅動能力，每通道能輸出800 mA的持續電流，峰值電流能力可達1.5A［3］。L9110被廣泛應用于玩具汽車電機驅動、步進電機驅動和開關功率管等電路上。將L9110的6、7引腳接到單片機，并且接上拉電阻，1、4引腳接電機的兩端，通過對單片機的編程就可以實現兩個電機的正反轉。

3.2 光電循跡檢測電路

接近反射式光電感應器件由一個紅外線發射二極管和一個光電二極管組成，如圖2所示，可以發射并檢測到反射回的光線。由于不同顏色的物體對光的反射率不同，當感應器對準黑色物體時，黑色對光線反射率低，光電二極管接收到的反射光很少，不能導通，輸出高電平;反之，當對準白色物體時，輸出低電平。故而可以利用傳感器區分出黑色跑道與白色跑道邊緣，STC單片機可基于返回的信號控制伺服電機，從而控制小車的行進。

圖2 光電循跡檢測電路圖

3.3 紅外避障電路

紅外線二極管發射紅外光，如果機器人前面有障礙物，紅外線從物體反射回來，相當于機器人眼睛的紅外檢測(接收)器，檢測到反射回的紅外光線，并發出信號來表明檢測到從物體反射回紅外線，從而控制伺服電機。圖3為紅外避障電路圖。

圖3 紅外避障電路圖

3.4 聲控電路

系統采用麥克接收聲音信號，將聲信號轉換為電信號，經放大、比較輸出一個變化的數字開關量信號。聲源接收電路利用MIC拾音器對聲音的感應原理，電容C1進行充放電使三極管導通、截止，并作為LM393電壓比較器的輸入端，與比較電壓比較后輸出數字量。圖4為聲控電路圖。

圖4 聲控電路圖

3.5 語音播報電路

語音播報模塊采用YF1600系列產品，YF1600系列產品的錄音采樣頻率高，音質好，音量大，PWM直推喇叭，外圍元件少。錄音功能:按下按鍵，“B”一聲開始錄音。松開按鍵，“BB”兩聲停止錄音;放音功能:按下按鈕放音，也可以選擇接到單片機的引腳，輸出高電平，使得模塊放音;LED指示燈:錄音時長亮，播放聲音時跟隨聲音以4Hz頻率閃爍。

4 系統軟件設計

系統軟件流程圖如圖5所示。

5 系統調試

系統調試分為硬件調試和軟件調試兩方面。首先對照原理圖全面檢查硬件電路，各芯片、各模塊是否正常工作。

圖5 系統軟件流程圖

軟件調試，將程序按模塊進行調試。其中包含有前進、轉彎、后退、轉左、轉右、啟動、播報等程序。將它們分別燒寫進單片機，接通電源，檢查小車是否做出相應的動作，例如當燒寫進避障程序時，將手放在紅外對管前，然后看看小車的運動狀態是否會做出相應的調整，當小車在黑線上循跡時小車的運動狀態是否又會做出調整，經過不斷調試從而達到預期效果。為了測試小車性能，對小車的循跡避障效果進行測試。打開小車的電源開關，把小車放在黑線上，感應到信號時，小車啟動，在筆直的黑線和彎道上，基本都能跟蹤黑線進行循跡。當前方20cm處出現障礙物時，小車自行停止播放聲音，2.5秒后，車子反向循跡運行。

6 結束語

系統對智能小車的硬件和軟件進行設計，實現了通過聲音對小車的控制、小車的自動循跡和避障功能。在設計中軟件采用模塊化設計思想，以便于軟件的修改、管理以及移植。實驗結果表明:小車可以自動循跡在設計好的線路上行走，在遇到障礙物時可以自行停止并可以實現反向運行。設計的智能小車操作簡單，穩定可靠，具有更好的智能性、穩定性和可擴展性［4］。

［1］吳健，侯文，鄭賓.基于STC89C52單片機的溫度控制系統［J］.電腦知識與技術，2011(2):902－903.

［2］楊桂林.基于AT89S52的智能小車的設計［J］.微計算機信息，2010，26(7):124 －125.

［3］薛紅，尹廷輝，蘇勇.循跡智能小車的系統設計［J］.軍事通信技術，2012(9):72－75.

［4］黃文輝，柳澤榮，黃鵬元.公交車—公交車站一體化語音播報系統［J］.電子世界，2013(6):79－80.