基于單片機的移動機器人設計

楊婧芳+祁惠梅

摘要：本設計采用了比較先進的AT89S52為控制核心。ATMEL公司，AY89S51可以說是單片機領域的主流產品，通過構建智能機器人系統(tǒng)，培養(yǎng)設計并實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的能力。此設計所使用的移動機器人工程對象——機器人，兩個輪子作為機器人的兩條腿。它采用AT89S52單片機作為大腦，通過教學版安裝在機器人底盤上。運用反射式紅外傳感器來進行路徑檢測和速度監(jiān)測模塊，機器人的大腦——單片機AT89S52基于這個傳感器的輸入控制伺服電機。基于連續(xù)旋轉伺服電機的移動機器人，使機器人通過編程自動完成相應的動作。

關鍵詞：單片機；移動機器人；設計

1機器人的構成及設計方案

1.1機器人的構成

機器人主要由八大部分組成，它們分別是單片機（主控制器）模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊、紅外檢測模塊、電機驅動模塊、LCD顯示器模塊、電源、無焊錫面包板。他們之間互相協(xié)作，最終完成動作。

1.2系統(tǒng)設計任務

設計一個基于連續(xù)旋轉伺服電機的智能移動機器人，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)的設計方案

移動機器人控制系統(tǒng)由單片機（主控制器）電路模塊、紅外檢則模塊、電機及驅動模塊、電源模塊、LCD模塊等部分組成。

2移動機器人的硬件設計

2.1移動機器人的硬件連接

機器人大腦需要連接電源來運行，同時也需要連接到PC（或筆記本電腦）以便編程和交互。

2.1.1串口的連接

機器人教學板通過串口電纜連接到PC或者筆記本電腦上以便于用戶交互。如果計算機有串行接口，直接使用串口連接電纜。將該串口線一端的串口連接到機器人教學板上，另一端連接到計算機的USB口上，并安裝對應的USB驅動程序。

2.1.2ISP下載線的連接

移動機器人程序通過連接到PC或者筆記本電腦的并口上的ISP下載線來下載到教學板上的單片機內。下載線一端連接到PC的并行接口上，另一端（小端）連接到教學板上的程序下載口上。

2.2傳感器檢測模塊

機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，如果機器人前面的障礙物，紅外線從物體反射回來，相當于機器人眼睛的紅外檢測（接受）器，檢測到反射回的紅外光線，并發(fā)出信號來表明檢測到從物體反射回紅外線。機器人的大腦———單片機AT89S52基于這個傳感器的輸入控制伺服電機。

2.3單片機模塊

2.3.1AT89S52單片機模塊

控制機器人伺服電機以不同速度運動是通過讓單片機的輸入/輸出（I/O）接口輸出不同的脈沖序列來實現(xiàn)的。51系列單片機有4個8位的并行I/O口：P0、P1、P2和P3。這4個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/計數(shù)器的運用

單片機AT89S52的定時/計數(shù)器可以分為定時器模式和計數(shù)器模式。其實這兩種模式沒有本質上的區(qū)別，均使用二進制的加一計數(shù)；當計數(shù)器的值計滿回零時能自動產生中斷的請求，以此來實現(xiàn)定時或者計數(shù)功能。他們的不同之處在于定時器使用單片機的時鐘來計數(shù)，而計數(shù)器使用的是外部信號。定時/計數(shù)器能產生更精確的延時，它的最小延時單位為1個機器周期。查閱資料可知，若晶振頻率為12MHz，則延時單位為1μs；若為11.0592MHz，則延時單位為1.08μs。

2.4LCD模塊

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

2.5無焊錫面包板

在面包板插座上插上元器件，比如電阻、LED、揚聲器和傳感器，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，上面標識著“Vcc”、“Vin”“GND”，稱之為電源端口，通過這些端口，可以給點路供電。“Vcc”指教準的+5V電壓，“Vin”指電池的正極，“GND”對應于教學板的接地端。左邊一條黑色的插座從上到下標識著P10，P11，P12，……，P37（共18個，部分端口并未標出）。通過這些插座，可以將搭建的電路與單片機連接起來。

3移動機器人軟件設計

在本次設計中，將反復用到3款軟件：KeiluVi-sion2IDE集成開發(fā)環(huán)境、SLISP下載軟件、串口調試軟件。

3.1.1KeiluVision2IDE集成開發(fā)環(huán)境

該軟件是德國KEIL公司出品的51系列單片機C語言集成開發(fā)系統(tǒng)。C語言在語法結構上更加靈活，功能更加強大。

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ISP下載軟件，使用該軟件可以將可執(zhí)行文件下載到機器人單片機上。該軟件的使用需要計算機有并行接口。

3.2.3串口天使軟件

此軟件用來顯示單片機與計算機的交互信息。在硬件上，計算機至少要有串行接口或USB接口來與單片機教學板的串口連接。

3.3光電檢測模塊設計

3.3.1光電檢測過程

光電檢測模塊的設計，使機器人能夠檢測地面上的白導線。光電檢測電路主要包括發(fā)射部分和接收部分。發(fā)射部分的波形調制采用調頻方式。由于LED的響應速度快，其工作頻率可以達到MHz或十MHz以上，檢測系統(tǒng)的調制頻率可以滿足幾十～幾百千赫的要求。光源驅動器負責將調制波形放大到足夠的功率以驅動光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率高，適用于方波調制的光發(fā)射。接收部分采用光敏二極管接收調制光，并將光信號轉換為電信號。這種電信號通常很弱，可以通過濾波和放大處理。調制信號的放大采用交流放大的形式，將調制光信號與背景光信號分離，為信號處理提供方便。在調制信號處理部分，對放大信號進行識別，判斷被檢測對象的特征。因此，此模塊的本質是將“交流”的、有用的調制光信號從“直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗干擾的目的。

3.3.2光電探頭

光電探頭安裝在機器人底盤前，安裝了5個檢測點。從理論上講，識別點越多，檢測越近，識別的準確性和可靠性就越高，但硬件成本和軟件復雜度也相應提高。該檢測系統(tǒng)保證了檢測的準確性，節(jié)省了硬件。發(fā)光二極管發(fā)出的調制光通過地面反射到光敏二極管。光電二極管產生的光電流與反射光的強度成線性關系。檢測到這一變化，可以確定測試點是否位于白導線之上，從而確定機器人和白導線的相對位置。。

4結論

在實踐過程中，熟悉以單片機為核心控制芯片，并采用C語言對AT89S52進行編程，使機器人實現(xiàn)以下4個基本移動任務：安裝傳感器以探測周邊環(huán)境；基于傳感器信息作出決策；控制機器人運動（通過操作帶動輪子旋轉的電機）；與用戶交換信息。整個機器人系統(tǒng)的設計以單片機為核心，利用了多種電路模塊，將軟件和硬件相結合。本系統(tǒng)能實現(xiàn)如下功能：自動沿預設軌道行駛：機器人在行駛過程中，能夠自動檢測預先設好的軌道，實現(xiàn)直道和弧形軌道的前進。若有偏離，能夠自動糾正，返回到預設軌道上來。當機器人探測到前進方的障礙物時，可以自動報警調整，躲避障礙物，從無障礙區(qū)通過。機器人通過障礙區(qū)后，能夠自動循跡。機器人能夠自動跟隨另一個機器人行走，并能夠自動調節(jié)其距離，使其間距維持在固定數(shù)值。

參考文獻：

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