基于AT89C51單片機設計的簡易智能機器人

引言

隨著微電子技術的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已可以在一塊芯片上同時集成cpu、存儲器、定時器／計數(shù)器、并行和串行接口、看門狗、前置放大器、a／d轉換器、d／a轉換器等多種電路，這就很容易將計算機技術與測量控制技術結合，組成智能化測量控制系統(tǒng)。這種技術促使機器人技術也有了突飛猛進的發(fā)展，目前人們已經(jīng)完全可以設計并制造出具有某些特殊功能的簡易智能機器人。

1 設計思想與總體方案

1.1 簡易智能機器人的設計思想

本機器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導線行走，自動繞障，在有光源引導的條件下能沿光源行走。同時，能檢測埋在地下的金屬片，發(fā)出聲光指示信息，并能實時存儲、顯示檢測到的斷點數(shù)目以及各斷點至起跑線間的距離，最后能停在指定地點，顯示出整個運行過程的時間。

1.2 總體設計方案和框圖

本設計以at89c5l單片機作為檢測和控制核心。采用紅外光電傳感器檢測路面黑線及障礙物，使用金屬傳感器檢測路面下金屬鐵片，應用光電碼盤測距，用光敏電阻檢測、判斷車庫位置，利用pwm(脈寬調(diào)制)技術動態(tài)控制電動機的轉動方向和轉速。通過軟件編程實現(xiàn)機器人行進、繞障、停止的精確控制以及檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。通過對電路的優(yōu)化組合，可以最大限度地利用51單片機的全部資源。

p0口用于數(shù)碼管顯示，p1口用于電動機的pwm驅(qū)動控制，p2，p3口用于傳感器的數(shù)據(jù)采集與中斷控制。這樣做的優(yōu)點是：充分利用了單片機的內(nèi)部資源，降低了總體設計的成本。該方案總體方案見圖1。

2 系統(tǒng)的硬件組成及設計原理

此系統(tǒng)的硬件部分由單片機單元、傳感器單元、電源單元、聲光報警單元、鍵盤輸入單元、電機控制單元和顯示單元組成，如圖2所示。

2．1 單片機單元

本系統(tǒng)采用at89c51單片機作為中央處理器。其主要任務是掃描鍵盤輸入的信號啟動機器人，在機器人行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進行處理后，根據(jù)不同的情況產(chǎn)生占空比不同的pwm脈沖來控制電機，同時將相關數(shù)據(jù)送顯示單元動態(tài)顯示，產(chǎn)生聲光報警信號。其中，p0用于數(shù)碼管動態(tài)顯示，p1．0一p1．5控制2個電機，p1．6、p1．7為獨立式鍵盤接口，p2接傳感器，p3．2接計里程的光電碼盤，p3．7接聲光報警單元，p3．4、p3．5、p3．6接用于顯示斷點數(shù)目的發(fā)光二極管。

2．2 電機控制單元

本機器人采用了雙電機雙輪驅(qū)動的小車作為其底座。2個電機分別獨立控制其左右兩邊的車輪，靠兩邊電機的轉速的不同來實現(xiàn)轉彎功能，還可讓其原地轉彎，便于控制。而傳統(tǒng)的小車是靠動力電機和轉向電機驅(qū)動，轉彎角度難以控制，不便于使用。

電機控制電路采用大功率對管bdl39、bdl40組成的h型驅(qū)動電路，通過單片機產(chǎn)生占空比不同的pwm脈沖，精確調(diào)整電機的轉速。這種電路由于工作在晶體管飽和或截止狀態(tài)，避免了在線性放大區(qū)工作時晶體管的管耗，可以最大限度地提高效率；h型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)電機轉速和方向的控制；電子開關的速度和穩(wěn)定性也完全可滿足需要，整套驅(qū)動電路是一種被廣泛采用的電機驅(qū)動技術。電路見圖3。

2．3 傳感器單元

整個機器人共采用了9個傳感器，分布在整個機器人的不同部位，相互配合起不同的作用，見圖4。

圖4中各傳感器說明如下：

傳感器1置于機器人正前方朝下的金屬探測傳感器，用于探測金屬。

傳感器2置于機器人正前方朝前的超聲波傳感器，用于檢測障礙物。超聲波來源于555產(chǎn)生40 khz的方波信號，經(jīng)超聲波發(fā)射頭發(fā)出。發(fā)射頭不斷發(fā)出信號，當遇到障礙物時，信號會被反射回來，從而接收頭會接受到信號，將信號送入單片機進行相應的判斷和處理。

傳感器3置于機器人正前方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測停止線。紅外發(fā)射管發(fā)出信號，經(jīng)不同的反射介質(zhì)反射，根據(jù)紅外接收管是否接收到信號做出相應的判斷。

傳感器4、5置于機器人底座下方朝下的紅外光電傳感器，用于檢測地面的引導線，原理同傳感器3。

傳感器6、7置于機器人正前方朝前的光敏電阻傳感器，用于尋找光源。當機器人前方有光源照射時，光敏電阻的大小將會改變，將2個傳感器的改變量進行比較處理后送入單片機，單片機將會產(chǎn)生相應的調(diào)整信號，使機器人朝光強的方向行走。

傳感器8置于機器人后方兩側朝外的超聲波傳感器，用于在機器人遇到障礙物時的轉彎處理，判斷機器人是否完全繞開障礙物，原理同傳感器2。

傳感器9置于機器人正后方的光電碼盤，用于計里程，借助于鼠標原理，選用直徑為2．6 cm的塑料小輪自制光電碼盤，經(jīng)過打磨使其周長為8 cm，再在該小輪上打等距離的8個孔，如圖5所示。最小測距精度可達到1 cm，足以滿足要求，兩側裝上光電傳感器，將其安裝在車尾，使之與車的行駛同步。就實際情況自制出來的各個孔之間的距離無法精確相等，但經(jīng)過具體測量該光電碼盤，能保證行駛50 cm產(chǎn)生50個脈沖，于是采用其作為計算距離的基準單位。在直道區(qū)，可由該電路產(chǎn)生的脈沖數(shù)，計算出鐵片中心線至起跑線間的距離。

此外，為了清楚直觀地觀察到各傳感器的工作狀態(tài)，電路中還專門為每個傳感器設計了工作指示燈，實時顯示每個傳感器的工作狀態(tài)。

2．4 鍵盤輸入單元

鍵盤輸入單元采用獨立式鍵盤，由2個按鍵組成，其中一個為啟動鍵，另一個為顯示切換鍵，當機器人行走完全程后，按下該鍵，將顯示整個行走過程的時間。

2．5 顯示單元

顯示單元由2個7段數(shù)碼管組成，為了減少整個系統(tǒng)的功耗，采用了由單片機軟件譯碼，動態(tài)顯示，實時顯示每個斷點到起點的距離以及整個運行過程的時間。

2．6 聲光報警單元

用555作為振蕩源，用單片機觸發(fā)振蕩源驅(qū)動電磁訊響器作為聲音指示器和1只發(fā)光二極管作為光指示裝置，從而組成聲光報警單元。

2．7 電源單元

本系統(tǒng)采用2套電源分別對電機和控制電路進行單獨供電。系統(tǒng)控制電路采用經(jīng)7805穩(wěn)壓后的輸出供電(5v)，電機則采用4節(jié)aa電池來供電。

3 系統(tǒng)的軟件設計

該系統(tǒng)配套的軟件程序采用模塊結構，由c語言編寫完成。主要由初始化程序、偏道調(diào)整程序、偏離光源調(diào)整程序、聲光指示子程序、讀傳感器狀態(tài)、顯示程序、定時器0的中斷服務程序、定時器1的中斷服務程序、外部中斷0的服務程序、停車處理等模塊組成。系統(tǒng)的主體流程如圖6所示。

4 結束語

該機器人在認為設定的跑道上經(jīng)過多次實驗，達到了預期的效果，但是其智能化程度還遠遠不夠。隨著人工智能和神經(jīng)網(wǎng)絡技術的不斷研究和深入，智能機器人的發(fā)展前景將會越來越廣闊。