摘 要: 本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)及多種傳感器，完成了一個(gè)自主式移動(dòng)機(jī)器人的制作。單片機(jī)作為系統(tǒng)檢測(cè)和控制的核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)器人小車(chē)的智能控制。反射式紅外光電傳感器檢測(cè)引導(dǎo)線(xiàn)，使機(jī)器人沿軌道自主行走;使用霍爾集成片，通過(guò)計(jì)車(chē)輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)完成機(jī)器人行走路程測(cè)量;接近開(kāi)關(guān)可探測(cè)到軌道下埋藏的金屬片，發(fā)出聲光信息進(jìn)行指示，并能實(shí)時(shí)顯示金屬片距起點(diǎn)的位置。

關(guān)鍵詞：單片機(jī); 機(jī)器人; 傳感器

Abstract: This design finished a robot with many functions based on single chip microcomputer and many kinds of sensors. 89C51 is the core of the system, achieving the intelligent control of the robot. Reflected infrared photoelectric sensors can detect the leading line, to make the robot go alone the path all by itself. Using the chip named “Hall IC”, to measure the distance by counting the wheels that the robot has run. Another sensor named “approach switch” can detect metals that embed in the path, and give alarms both sound and light. the robot can show the direction of the metal, tell us how long it is away from the jumping-off point. Key Words: single chip microcomputer robot sensor

1 前言

機(jī)器人技術(shù)是融合了機(jī)械、電子、傳感器、計(jì)算機(jī)、人工智能等許多學(xué)科的知識(shí)，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī)器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”等各種類(lèi)型的機(jī)器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過(guò)大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智能機(jī)器人的知識(shí).[1]

開(kāi)展機(jī)器人的制作活動(dòng)，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力的最佳實(shí)踐活動(dòng)之一，特別是機(jī)電專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)展綜合知識(shí)訓(xùn)練的最佳平臺(tái)。本文針對(duì)具有引導(dǎo)線(xiàn)環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，基于單片機(jī)控制及傳感器原理，通過(guò)硬件電路制作和軟件編程，制作了一個(gè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，并能探測(cè)金屬，實(shí)時(shí)顯示距離。

2 機(jī)器人要完成的功能

選取一塊光滑地板或木板，上面鋪設(shè)白紙，白紙上畫(huà)任意黑色線(xiàn)條（線(xiàn)條不要交叉），作為機(jī)器人行走的軌跡，引導(dǎo)機(jī)器人自主行走。紙下沿黑線(xiàn)軌跡隨機(jī)埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機(jī)器人沿軌跡行走一周，探測(cè)出埋藏在紙下鐵片，發(fā)出聲光報(bào)警，并顯示鐵片距離起點(diǎn)的位置。

3 硬件設(shè)計(jì)方案

機(jī)器人總體構(gòu)成

圖1機(jī)器人總體構(gòu)成

如圖1所示，以微處理器為核心，接受傳感器傳來(lái)外部信息，進(jìn)行處理，控制機(jī)器人的運(yùn)行。

系統(tǒng)電源供電部分

由于機(jī)器人電機(jī)，傳感器及系統(tǒng)CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動(dòng)車(chē)功率和車(chē)載質(zhì)量及摩擦阻力問(wèn)題，電源我們采用電動(dòng)車(chē)自帶干電池組，功耗小、體積小和質(zhì)量輕，安裝較為方便。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)及PWM調(diào)速部分

機(jī)器人需控制在一個(gè)合適的速度行駛，速度太快，因單片機(jī)對(duì)各傳感器傳來(lái)的信號(hào)有一個(gè)響應(yīng)、處理時(shí)間，小車(chē)極易偏離軌道。小車(chē)的速度是由后輪直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機(jī)轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡(jiǎn)單，易與實(shí)現(xiàn)。

采用由晶體管組成的H型PWM調(diào)制電路。通過(guò)圖2所示PWM調(diào)制電路，用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。

圖2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

令單片機(jī)P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時(shí)Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差;脈沖頻率低則反之[2]。經(jīng)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz以上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但小車(chē)行駛時(shí)，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz以下，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有跳躍現(xiàn)象，實(shí)驗(yàn)證明脈沖頻率在25～35Hz效果最佳。我們選取脈沖頻率為30Hz。

引導(dǎo)線(xiàn)檢測(cè)模塊

根據(jù)白紙和黑線(xiàn)反射系數(shù)不同，通過(guò)以光電傳感器為核心的光電檢測(cè)電路將路面兩種顏色進(jìn)行區(qū)分，轉(zhuǎn)化為不同電平信號(hào)，將此電平信號(hào)送單片機(jī)，由單片機(jī)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)作相應(yīng)的轉(zhuǎn)向，保證小車(chē)沿引導(dǎo)線(xiàn)行駛?？紤]到小車(chē)與路面的相對(duì)位置，采用反射式光電檢測(cè)電路。

紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發(fā)射，三極管接收并輸出的裝置 .它的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、信號(hào)高輸出、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡(jiǎn)單，（如圖3所示）。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過(guò)一電阻和電源相接，組成偏置電流電路;三極管的C端也通過(guò)一電阻和電源相接，組成輸出電路。當(dāng)檢測(cè)器檢測(cè)到白色時(shí)，其輸出低電平;當(dāng)檢測(cè)到黑色時(shí)，則輸出高電平。

為提高檢測(cè)精度，采用了多傳感器信息融合技術(shù)。設(shè)計(jì)中，在車(chē)頭均勻布置三個(gè)光電傳感器，其中，中間一個(gè)（Q1）安裝在小車(chē)正中央。Q1的輸出經(jīng)一級(jí)比較器和非門(mén)，接單片

圖3 光電檢測(cè)轉(zhuǎn)換電路

機(jī)的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個(gè)傳感器，經(jīng)與圖3相同的電路后也連接到單片機(jī)P1口。若兩側(cè)某一傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)，表明小車(chē)正脫離軌道，將3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)的結(jié)果融合后作為單片機(jī)的輸入，機(jī)器人按照單片機(jī)P1口信息進(jìn)行判斷調(diào)整，實(shí)現(xiàn)路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏[3]。

金屬探測(cè)部分

圖4 金屬探測(cè)電路

如圖4所示，金屬探測(cè)器使用一接近開(kāi)關(guān)，探測(cè)有效距離約為4mm，將它固定在機(jī)器人上，當(dāng)探測(cè)到金屬片時(shí)，探測(cè)器輸出端輸出低電平，經(jīng)反向器后接一發(fā)光二極管和一蜂鳴器，發(fā)出聲光指示信號(hào)。同時(shí)輸出反向后接單片機(jī)，對(duì)探測(cè)到的金屬片個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。

霍爾元件測(cè)距設(shè)計(jì)

霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)╗4]，因此可以在車(chē)輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)進(jìn)行距離測(cè)量。小車(chē)后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機(jī)的T0口進(jìn)行計(jì)數(shù)，單片機(jī)完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。在后輪安裝一個(gè)磁極，測(cè)量誤差是一個(gè)車(chē)輪的周長(zhǎng)，可在軟件中給予補(bǔ)償。

LCD顯示

液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧的諸多優(yōu)點(diǎn)，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。 這里采用2行16個(gè)字的DM-162液晶模塊，通過(guò)與單片機(jī)連接，編程，完成顯示功能。

4 系統(tǒng)軟件流程

系統(tǒng)軟件流程如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)軟件流程圖

5 結(jié)論

本文基于單片機(jī)及傳感器原理，以單片機(jī)為控制器的核心，小型直流電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)元件，配置不同類(lèi)型的傳感器，通過(guò)軟件編程，制作出了一個(gè)價(jià)格低廉、模塊化結(jié)構(gòu)的小型機(jī)器人。大量的行走實(shí)驗(yàn)證明，該機(jī)器人能夠順利路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏自主行走，并完成探測(cè)、顯示等功能。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：本文針對(duì)具有引導(dǎo)線(xiàn)環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點(diǎn)問(wèn)題，采用多傳感器信息融合技術(shù)，通過(guò)單片機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的路徑跟蹤和自動(dòng)糾偏的功能，方法簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，造價(jià)低廉，效果較好。

參考文獻(xiàn)

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