摘 要: 本設(shè)計基于單片機及多種傳感器，完成了一個自主式移動機器人的制作。單片機作為系統(tǒng)檢測和控制的核心，實現(xiàn)對機器人小車的智能控制。反射式紅外光電傳感器檢測引導(dǎo)線，使機器人沿軌道自主行走;使用霍爾集成片，通過計車輪轉(zhuǎn)過的圈數(shù)完成機器人行走路程測量;接近開關(guān)可探測到軌道下埋藏的金屬片，發(fā)出聲光信息進行指示，并能實時顯示金屬片距起點的位置。

關(guān)鍵詞：單片機; 機器人; 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

機器人技術(shù)是融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等許多學(xué)科的知識，涉及到當(dāng)今許多前沿領(lǐng)域的技術(shù)。一些發(fā)達國家已把機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)生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽，參加者多為學(xué)生，旨在通過大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識.[1]

開展機器人的制作活動，是培養(yǎng)大學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力的最佳實踐活動之一，特別是機電專業(yè)學(xué)生開展綜合知識訓(xùn)練的最佳平臺。本文針對具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點問題，基于單片機控制及傳感器原理，通過硬件電路制作和軟件編程，制作了一個機器人，實現(xiàn)了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，并能探測金屬，實時顯示距離。

2 機器人要完成的功能

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

3 硬件設(shè)計方案

機器人總體構(gòu)成

圖1機器人總體構(gòu)成

如圖1所示，以微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進行處理，控制機器人的運行。

系統(tǒng)電源供電部分

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

電機驅(qū)動及PWM調(diào)速部分

機器人需控制在一個合適的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳感器傳來的信號有一個響應(yīng)、處理時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機轉(zhuǎn)速控制，改變直流電機轉(zhuǎn)速通常采用調(diào)壓、調(diào)磁等方式來實現(xiàn)。其中，調(diào)壓方式原理簡單，易與實現(xiàn)。

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

圖2 電機驅(qū)動電路

令單片機P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導(dǎo)通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機轉(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)實驗發(fā)現(xiàn)，脈沖頻率在30Hz以上，電機轉(zhuǎn)動平穩(wěn)，但小車行駛時，由于摩擦力使電機轉(zhuǎn)速降低很快，甚至停轉(zhuǎn);脈沖頻率在10Hz以下，電機轉(zhuǎn)動有跳躍現(xiàn)象，實驗證明脈沖頻率在25～35Hz效果最佳。我們選取脈沖頻率為30Hz。

引導(dǎo)線檢測模塊

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

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 .它的特點是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡單，（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端也通過一電阻和電源相接，組成輸出電路。當(dāng)檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當(dāng)檢測到黑色時，則輸出高電平。

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

圖3 光電檢測轉(zhuǎn)換電路

機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個傳感器，經(jīng)與圖3相同的電路后也連接到單片機P1口。若兩側(cè)某一傳感器檢測到黑線，表明小車正脫離軌道，將3個檢測點的結(jié)果融合后作為單片機的輸入，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調(diào)整，實現(xiàn)路徑跟蹤和自動糾偏[3]。

金屬探測部分

圖4 金屬探測電路

如圖4所示，金屬探測器使用一接近開關(guān)，探測有效距離約為4mm，將它固定在機器人上，當(dāng)探測到金屬片時，探測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。同時輸出反向后接單片機，對探測到的金屬片個數(shù)進行計數(shù)。

霍爾元件測距設(shè)計

霍爾集成片內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，根據(jù)霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)╗4]，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖計數(shù)進行距離測量。小車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生的脈沖送入單片機的T0口進行計數(shù)，單片機完成脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。在后輪安裝一個磁極，測量誤差是一個車輪的周長，可在軟件中給予補償。

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，在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。 這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機連接，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

本文基于單片機及傳感器原理，以單片機為控制器的核心，小型直流電機作為驅(qū)動元件，配置不同類型的傳感器，通過軟件編程，制作出了一個價格低廉、模塊化結(jié)構(gòu)的小型機器人。大量的行走實驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動糾偏自主行走，并完成探測、顯示等功能。

本文作者創(chuàng)新點：本文針對具有引導(dǎo)線環(huán)境下的路徑跟蹤這一熱點問題，采用多傳感器信息融合技術(shù)，通過單片機控制，實現(xiàn)了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，方法簡單，易于實現(xiàn)，造價低廉，效果較好。

參考文獻

[1]韓建海，趙書尚，張國躍等?；?PIC 單片機的六足機器人制作。機器人技術(shù)與應(yīng)用，2003,06

[2] 姜長漲，于萬元，王冬蕾?；贏VR單片機的直流電動機的PWM調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計。儀器儀表用戶，2006,02

[3] 薛艷茹，鄭冰， 郝興貞，等。基于模糊控制信息融合方法的機器人導(dǎo)航系統(tǒng)。微計算機信息，2005年第11-2期

[4] 張壽安。霍爾效應(yīng)在位置控制中的應(yīng)用。長沙鐵道學(xué)院學(xué)報（社會科學(xué)版），2005,02