基于单片机设计的简易智能机器人.docx

1、基于单片机设计的简易智能机器人基于单片机设计的简易智能机器人引言随着微电子技术的不断发展， 微处理器芯片的 集成程度越来越高， 单片机已可以在一块芯片 上同时集成 CPU 、存储器、定时器计数器、 并行和串行接口、看门狗、前置放大器、 A D 转换器、 D A 转换器等多种电路，这就很 容易将计算机技术与测量控制技术结合， 组成 智能化测量控制系统。 这种技术促使机器人技 术也有了突飞猛进的发展， 目前人们已经完全 可以设计并制造出具有某些特殊功能的简易 智能机器人。1 设计思想与总体方案1.1 简易智能机器人的设计思想 本机器人能在任意区域内沿引导线行走， 自动 绕障，在有光源引导的条件下能

2、沿光源行走。 同时，能检测埋在地下的金属片，发出声光指 示信息，并能实时存储、显示检测到的断点数 目以及各断点至起跑线间的距离， 最后能停在 指定地点，显示出整个运行过程的时间。 本设计以 AT89C5l 单片机作为检测和控制核 心。采用红外光电传感器检测路面黑线及障碍 物，使用金属传感器检测路面下金属铁片，应 用光电码盘测距，用光敏电阻检测、判断车库 位置，利用 PWM（ 脉宽调制 ）技术动态控制电 动机的转动方向和转速。 通过软件编程实现机 器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数 据的存储、显示。通过对电路的优化组合，可 以最大限度地利用51单片机的全部资源。P0 口用于数码管显示，P1

3、 口用于电动机的 PWM驱动控制，P2，P3 口用于传感器的数 据采集与中断控制。这样做的优点是：充分利 用了单片机的内部资源，降低了总体设计的成本。该方案总体方案见图1。图1系统的总体方案系统的硬件组成及设计原理此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单 元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、 电机控制单元和显示单元组成，如图 2所示。鹽輕元阅单啊单元誌电机控側单兀系统的礎件组成2 . 1单片机单元本系统采用 AT89C51单片机作为中央处理 器。其主要任务是扫描键盘输入的信号启动机 器人，在机器人行走过程中不断读取传感器采 集到的数据，将得到的数据进行处理后，根据 不同的情况产生占空比不同

4、的 PWM脉冲来 控制电机，同时将相关数据送显示单元动态显 示，产生声光报警信号。其中， P0 用于数码 管动态显示， P1 0 一 P15 控制 2 个电机， P16、P1 7 为独立式键盘接口， P2 接传感 器， P32 接计里程的光电码盘， P3 7 接声 光报警单元， P34、 P35、P36 接用于 显示断点数目的发光二极管。2 2 电机控制单元 本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为 其底座。 2 个电机分别独立控制其左右两边的 车轮，靠两边电机的转速的不同来实现转弯功 能，还可让其原地转弯，便于控制。而传统的 小车是靠动力电机和转向电机驱动， 转弯角度 难以控制，不便于使用。电

5、机控制电路采用大 功率对管 BDl39 、 BDl40 组成的 H 型驱动电 路，通过单片机产生占空比不同的 PWM 脉 冲，精确调整电机的转速。这种电路由于工作 在晶体管饱和或截止状态， 避免了在线性放大 区工作时晶体管的管耗， 可以最大限度地提高 效率；H型电路保证了可以简单地实现电机转 速和方向的控制； 电子开关的速度和稳定性也 完全可满足需要， 整套驱动电路是一种被广泛 采用的电机驱动技术。电路见图 3fflJ电机控制电脇2 . 3传感器单元整个机器人共采用了 9个传感器，分布在整个机器人的不同部位，相互配合起不同的作用，见图4。图4中各传感器说明如下: 传感器1置于机器人正前方朝下的

6、金属探测 传感器，用于探测金属。n bsp;传感器2置于 机器人正前方朝前的超声波传感器，用于检测 障碍物。超声波来源于 555产生40kHz的方 波信号，经超声波发射头发出。发射头不断发 出信号，当遇到障碍物时，信号会被反射回来， 从而接收头会接受到信号，将信号送入单片机 进行相应的判断和处理。传感器3置于机器人正前方朝下的红外光电 传感器，用于检测停止线。红外发射管发出信号，经不同的反射介质反射，根据红外接收管 是否接收到信号做出相应的判断。传感器4、5置于机器人底座下方朝下的红外 光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同 传感器3。传感器6、7置于机器人正前方朝前的光敏电 阻传感器，用于

7、寻找光源。当机器人前方有光 源照射时，光敏电阻的大小将会改变， 将2个 传感器的改变量进行比较处理后送入单片机， 单片机将会产生相应的调整信号，使机器人朝 光强的方向行走传感器8置于机器人后方两侧朝外的超声波 传感器，用于在机器人遇到障碍物时的转弯处 理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同 传感器2。传感器9置于机器人正后方的光电码盘，用于 计里程，借助于鼠标原理，选用直径为2.6cm 的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长 为8cm，再在该小轮上打等距离的 8个孔， 如图5所示。最小测距精度可达到 1cm，足 以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装 在车尾，使之与车的行驶同步。就实际情

8、况自 制出来的各个孔之间的距离无法精确相等，但 经过具体测量该光电码盘，能保证行驶 50cm产生50个脉冲，于是采用其作为计算距离的 基准单位。在直道区，可由该电路产生的脉冲 数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。ffl5计敷齿轮此外，为了清楚直观地观察到各传感器的工作 状态，电路中还专门为每个传感器设计了工作 指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。2 . 4键盘输入单元键盘输入单元采用独立式键盘， 由2个按键组 成，其中一个为启动键，另一个为显示切换键， 当机器人行走完全程后，按下该键，将显示整 个行走过程的时间。2 . 5显示单元显示单元由2个7段数码管组成，为了减少整 个系统的功耗，采用

9、了由单片机软件译码，动 态显示，实时显示每个断点到起点的距离以及 整个运行过程的时间。2 . 6声光报警单元用555作为振荡源，用单片机触发振荡源驱动电磁讯响器作为声音指示器和 1只发光二极管作为光指示装置，从而组成声光报警单元。2 . 7电源单元本系统采用2套电源分别对电机和控制电路 进行单独供电。系统控制电路采用经 7805稳 压后的输出供电（5V）,电机则采用4节AA电 池来供电。3系统的软件设计该系统配套的软件程序采用模块结构，由C语 言编写完成。主要由初始化程序、偏道调整程 序、偏离光源调整程序、声光指示子程序、读 传感器状态、显示程序、定时器0的中断服务 程序、定时器1的中断服务程序、外部中断 0 的服务程序、停车处理等模块组成。系统的主 体流程如图6所示。4结束语该机器人在认为设定的跑道上经过多次实验，达到了预期的效果，但是其智能化程度还远远不够。随着人工智能和神经网络技术的不断研 究和徐入，智能机器人的发展前景将会越来越 广阔。