基于MCS-51單片機的智能機器人自動控制系統研究

劉 輝

濰坊理工學院 新松機器人學院，山東 濰坊 261000

0 引言

現今，機器人技術在鐵路公路隧道、礦山隧道、油田防護工程等建筑領域應用廣泛。另外，機器人技術也應用在了人力較難實現或者較危險的地方，如掃雷、援救探險等工作。當前，智能機器人還沒有具體的定義，但通常來說，智能機器人應該滿足感覺性、運動性和思考性三個條件。這三個性能是依賴智能機器人的“大腦”一一控制系統來實現的，機器人的“大腦”采用的是單片機控制系統[1]。

智能工業機器人技術研究在當前工業機器人技術研究應用范圍中已具有十分突出的地位，其顯著的研究特點是使其具有工業環境信息感知、判斷企業決策、人機交互等多種功能。研究如何將單片機運動控制系統技術廣泛應用于現代智能工業機器人的重要組成部件上的課題，能夠極大地提高智能機器人正常工作的可靠性和工作智能性[2]。

1 智能機器人發展現狀

上海交通大學自主研制了基于手機全景移動視覺的智能足球直播機器人；臺灣交通大學自主研制了智能家庭生活服務管理機器人；哈爾濱工業大學成功自主研制了噴涂機器人、服務機器人、餐飲機器人等；香港城市大學機械自動化及智能制遣技術研究開發中心自主研發了自動駕駛導航和游客服務管理機器人等；中國科學院沈陽自動化研究所自主研發的“靈蜥”系列排爆機器人是我國排爆機器人的典型代表。這些機器人技術都有力推進了國內企業智能移動機器人快速發展的新進程[3]。

2 智能機器人的關鍵技術

2.1 智能機器人控制器技術

機器人的微控制器被稱為機器人的“大腦”，任何一個智能機器人要有大腦，就必須先擁有一塊智能芯片。在選擇使用微控制器的硬件時，需要重點考慮以下三點：微處理器的運行速度；單片機I/O端口的類型和接口數量；編程腳本語言及系統功耗。

2.2 智能機器人傳感器技術

智能機器人技術是由人類計算機自動控制的復雜工作機器，它主要擁有類似人的各種肢體語言及視覺感官等功能，手部動作簡單且靈活，并具有一定成熟度。智能機器人生理傳感器在機器人的生理控制中起著非常重要的主導作用，正因為有這些傳感器，機器人才真正具備類似于人類的生理感覺控制功能和生理反應控制能力。其主要產品包括二維視覺傳感器、三維視覺傳感器、紅外運動傳感器、力扭矩傳感器、安全傳感器、霍爾傳感器、碰撞檢測感器和姿態運動傳感器等。單一的傳感信號往往難以更好地讓智能機器人系統獲取全面、準確的環境信息，以提升其決策能力。為了彌補單一傳感信號的缺點，可采用多傳感器集成和融合技術，利用傳感信息獲得對環境的準確理解。正因為機器人的控制系統具有容錯性的特點，也就保證了其能更加快速、準確地處理系統信號[4-5]。

3 基于MCS-51單片機的智能機器人自動控制系統設計

3.1 驅動電路模塊

為了讓智能機器人在行走的過程中具有更加穩定的性能，需要選擇穩定的高速智能機器人驅動行走系統。該系統利用三極晶體管高速放大器對一臺單片機I/O口中的電流信號進行高速放大，驅動電路繼電器用來控制一臺電動機高速轉動，且完全不會對電路輸入端的電流輸出有不良影響。完全放電可以給直流電動機電路提供大量的電流，保證其在電路中的工作穩定。驅動電路原理如圖1所示。其中，IN1～IN4為邏輯輸入，控制電機M1和M2的轉動，通過4個引腳輸出的高低電平，進而控制電機的正轉和反轉[6]。

圖1 驅動電路原理圖

3.2 視覺電路模塊

為了實現智能機器人的面部視覺識別功能，檢測其前方區域是否存在特定目標，采用紅外線和熱反射激光傳感器技術。紅外線和熱反射激光傳感器技術使用的探測設備型號均為TX05D。

TX05D常用的是紅外式和反射式無線接近控制開關，內部安裝有紅外線接收發射管和紅外線反射接收管。紅外線傳感器通過發送探測信號和接收反饋信號，使該方向下單片機處于高電平狀態，并在該方向下發現目標，使得機器人向目標移動。

3.3 地面障礙探測模塊

為了實現智能機器人的地面障礙探測功能，需要在機器人上安裝一個超聲波測距模塊。模塊工作原理如下：（1）超聲波發射器向某個方向發射超聲波，同時計數器開始計時；（2）超聲波在傳播的過程中遇到障礙物時，會立刻反射回到超聲波接收器，自動通過引腳2（Echo）輸出一個高電平信號，同時計數器停止計時；（3）根據時間和速度計算出障礙物的距離。其電路原理圖如圖2所示。

圖2 超聲波測距原理圖

3.4 光電轉換模塊

光電轉換模塊主要采用光敏電阻作為光敏傳感器，將該傳感器加載在智能機器人上，光敏電阻的阻值會隨著照射光線的強弱而改變，從而可以改變單片機系統輸出的電壓值。通過電壓值的測量可以間接測量光照的強弱，在光照強度較弱和較強時，電壓分別接近5 V和0。因此，在智能機器人左右兩側會安裝兩個光敏傳感器，通過比較兩側輸出的電壓值，就可以判斷光源的位置。

3.5 行走機器人的里碼表設計

該行走機器人里碼表的設計采用MCS-51單片機作為主控制芯片，通過1602顯示器顯示行走的里程、速度、時間等信息。為了避免產生行走機器人行走量過飽和情況，增加機器人報警功能，當超過設定的上限里程量時或者速度超過某一固定值時，機器人指示燈亮紅燈且蜂鳴器進行報警[7]。

系統硬件框圖如圖3所示。其中，采用開關型霍爾元件產生里程數的脈沖電信號，行走速度可以通過脈沖信號進行傳輸；脈沖電信號傳輸到MCS-51單片機之后，MCS-51單片機的定時/計數器對輸入的脈沖信號進行計數，為了精確地計算出檢測到的脈沖數，可以通過單片機的T1定時器來控制輸入引腳T0；最終的計算結果先存儲在MCS-51單片機內部EEPROM內，再通過1602顯示器顯示出來。

圖3 系統硬件框圖

4 結束語

基于單片機應用智能機器人的自動控制處理系統的基本設計，可在一定程度上模擬現代人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的肢體思考活動能力，并實現一個智能機器人最基本的各種人機交互信息顯示控制功能，但新的市場需求和創新任務也對智能機器人的基本性能設計提出了更高的技術要求。相較于發達國家，現有的智能機器人水平還比較落后，因此智能機器人以后的發展關鍵是努力提高智能機器人全方位的技術、智能程度及其綜合應用，并提高其智能的自主性和適應性。這就需要科研人員不斷創新和研究，為智能機器人的蓬勃發展作出貢獻。