一種簡易智能機器人的設(shè)計及應(yīng)用

摘要：本設(shè)計以AT89C51單片機作為智能機器人的檢測和控制核心。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(yīng)用光電碼盤測距，用光敏電阻檢測、判斷車庫位置，利用PWM （Pulse-Width Modulation，脈寬調(diào)制）技術(shù)動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)速。通過軟件編程實現(xiàn)對智能機器人行進、繞障、停止的精確控制和檢測數(shù)據(jù)的存儲、顯示。 關(guān)鍵詞：智能機器人；傳感器；控制；模塊化設(shè)計 隨著微電子技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器芯片的集成程度越來越高，單片機已經(jīng)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，甚至A/D、D/A轉(zhuǎn)換器等電路，這就很容易將計算機技術(shù)與測量控制技術(shù)結(jié)合起來，組成所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這促使機器人技術(shù)也有了突飛猛進的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)完全可以設(shè)計并制造出具有某些特殊功能的簡易智能機器人了。 1、設(shè)計思想與總體方案 1．1　簡易智能機器人的設(shè)計思想 　 本機器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導(dǎo)線行走，自動繞障，在有光源引導(dǎo)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、顯示檢測到的金屬片數(shù)目以及各金屬片至起跑線間的距離，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(shè)計方案和框圖 　 本設(shè)計以AT89C51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(yīng)用光電碼盤測距，用光敏電阻檢測、判斷車庫位置，利用PWM技術(shù)動態(tài)控制電動機的轉(zhuǎn)動方向和轉(zhuǎn)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。我們通過對電路的優(yōu)化組合，最大限度的利用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)點很明顯：充分地利用了單片機的內(nèi)部資源，降低了總體設(shè)計的成本。該方案的系統(tǒng)圖如圖1所示。 2、系統(tǒng)的硬件組成及原理 　　 此系統(tǒng)的硬件部分由單片機單元、傳感器單元、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。他的主要任務(wù)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(guān)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口用于數(shù)碼管動態(tài)顯示，P1．0～P1．5控制2個電機，P1．6，P1．7為獨立式鍵盤接口，P2口接傳感器，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接用于顯示金屬片數(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。他的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(zhuǎn)速的不同來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能，還可讓其原地轉(zhuǎn)彎，便于控制。而傳統(tǒng)的小車是靠動力電機和轉(zhuǎn)向電機驅(qū)動，轉(zhuǎn)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BD139，BD140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(zhuǎn)速。這種電路由于工作在晶體管的飽和或截止?fàn)顟B(tài)下，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(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度和穩(wěn)定性也完全可以滿足需要，整套驅(qū)動電路是一種被廣泛采用的電機驅(qū)動技術(shù)。電路如圖3所示。 2．3　傳感器單元 　　 整個機器人共采用了9個傳感器，他們分布在整個機器人的不同部位，相互配合起著不同的作用，如圖4所示。 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(dāng)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(yīng)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)紅外接受管是否接受到信號做出相應(yīng)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)的調(diào)整信號，使機器人朝著光強的方向行走。 傳感器8　置于機器人后方兩側(cè)朝外的超聲波傳感器，用于在機器人遇到障礙物時的轉(zhuǎn)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，他借助于鼠標(biāo)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(cè)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能產(chǎn)生50個脈沖，于是采用他作為計算距離的基準(zhǔn)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，為了清楚直觀的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(shè)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(dāng)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，實時顯示每個金屬片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（5 V），電機則采用4節(jié)AA電池來供電。 3、系統(tǒng)的軟件設(shè)計 　　 該系統(tǒng)配套的軟件程序采用模塊結(jié)構(gòu)，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(wù)程序、定時器1的中斷服務(wù)程序、外部中斷0的服務(wù)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(jié)語 　　 該機器人在認(rèn)為設(shè)定的跑道上經(jīng)過多次實驗，達到了預(yù)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(luò)技術(shù)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。