基于單片機的智能機器人控制系統研究設計摘要：本研究利用紅外傳感器的光電轉換特性，以AT89C51單片機為核心控制單元，對檢測信號進行處理，完成了智能機器人控制系統的設計。文章詳細介紹了系統構成、軟硬件設計方法。該機器人控制系統基于紅外技術、單片機技術等設計，實現了步行、跟蹤、避障、步伐調整、語音、聲控、液晶顯示、地面探測等功能。系統在智能性、準確性、實時性方面達到了較高的要求，具有較好的應用前景。關鍵詞：單片機；紅外技術；機器人；智能控制1. 引言單片機技術作為自動控制技術的核心之一，被廣泛應用于工業控制、智能儀器、機電產品、家用電子產品等領域。隨著微電子技術的迅速發展，單片機功能也越來越強大。本設計基于單片機技術、紅外技術完成智能機器人控制系統設計。智能機器人研究在當前機器人研究領域具有十分突出的地位，其顯著的特點是具有環境感知、判斷決策、人機交互等功能。本智能機器人系統主要實現了步行、跟蹤、避障、步伐調整、語音、聲控、液晶顯示，地面探測等功能。在遇到外界條件發生變化時，該機器人將采取不同的措施對待，較好地表現出該機器人的思考能力。2. 系統設計2.1 驅動電路為了使機器人有穩定的行走能力，需要選擇穩定的電動機驅動系統。本設計利用三極管放大作用對單片機I/O口電流進行放大，驅動繼電器控制電動機轉動。且不會對輸入電流有任何影響，完全可以給電動機提供大電流。保證電路工作穩定。電動機驅動電路采用兩個NPN管對單片機AT89C51的I/O口輸出電流信號放大，利用電阻R19、R20作為三極管基極進行保護。當單片機I/O口有信號輸出時，該電流經電阻后送入第一個三極管基極，使第一級三極管導通，導通電流經電阻送入第二個三極管基極，進一步放大電流，以達到繼電器驅動電流。根據計算，送入繼電器的電流是經過兩極放大電路放大了約10倍，9014在此做開關作用。經過兩級放大后驅動繼電器。2.2 視覺電路在此設計中，我們僅要求機器人發現并跟蹤目標，不需要識別目標。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機器人的視覺功能，檢測機器人前方是否有目標。該功能的實現采用的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器。TX05D常用的紅外反射式接近開關，它內部有一紅外線發射管和一紅外線接收管。發射管發出紅外線，如果其正前方沒有物體，那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當前方出現物體時，紅外線信號經過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機發出高電平信號，以告知單片機其前方出現障礙物。兩個紅外線傳感器安裝在機器人前方的兩側，在機器人工作時，兩個傳感器始終向外發射紅外線探測信號。當其中一個傳感器接收到反饋信號時，便向單片機發出高電平信號，告知單片機該方向發現目標，單片機經過判斷后，控制電動機向該方向轉向，以實現跟蹤功能。當兩個傳感器都感應到目標時，機器人便向著目標直著前進，直到撞上目標。2.3 步伐調整電路當機器人在前進過程中，如果電機轉速不一致或者在轉向過程中打亂了步伐，這時便會啟動步伐調整功能，該功能是利用兩個光耦來完成的。在機器人腿部，裝有兩片通過光耦的擋片，當機器人正常行走時，擋片會交替的打開和關閉光耦。如果兩個光耦的狀態始終不相同，那么就說明該機器人步伐正常。當光耦狀態出現相同時，說明機器人步伐錯亂，需要校正步伐。這時便會隨機停下一條“腿”，等另一條“腿”走在合適位置，即光耦狀態相反時，再作出同步前進。電路如圖3所示。2.4 顯示電路本功能主要實現了人機交互的視覺平臺。本設計采用LCM1602液晶顯示模塊，該模塊是最常用的英文顯示模塊，它內部含有英文字庫，使用方便，價格便宜。液晶顯示功能是配合語音功能共同使用的附加功能，它的作用就是可以顯示當前的狀態，以實現機器人的人機交互顯示功能。LCM1602是一種16字x2行的字符型液晶模塊，主要有總線連接方式和模擬口連接方式。本設計采用的是模擬口連接方式，它和前者相比，電路更加簡潔。在該電路中，P1口給顯示屏輸送數據，P3.0到P3.2則控制向該顯示屏讀寫數據的狀態。VL管腳過1K電阻接地，作用是限制液晶顯示的色度深淺。BLA和BLK則是背光燈電源接口。電路如圖4所示。設計中，P2口則是用于與MCU1通訊，它始終監控著MCU1的狀態，以保持顯示內容和語音同步。2.5 語音電路為了確保操作的無誤性，運用聲音進行第二重提示。本系統用到的ISD25120語音芯片是美國ISD公司生產的高保真錄放一體化的單片固態語音集成電路，錄放時間為120秒，可運行多段信息處理，可反復錄音十萬次【6】，并且ISD25120使用時不需要考慮如何驅動語音芯片，只需要直接用51控制該語音電路的觸發時間，播放出事先錄好的聲音文件，以實現機器人說話這個功能。電路如圖5所示。2.6 亞超聲接收電路機器人上面裝有一個亞超聲接收模塊。當接收到外部的亞超聲，機器人會做出停止和運行動作，以實現機器人的聽覺功能。該部分的實現采用了成品的亞超聲接收板，在設計中，將其輸出的信號經過光電開關轉換成可以觸發單片機I/O口的低電平開關信號，以告知單片機目前亞超聲開關的狀態。電路如下圖6所示。3. 總結本機器人系統設計在一定程度上模擬了人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的思考能力，又在一定程度上實現了一個機器人最基本的人機交互顯示功能，但新的需求和任務也對機器人的性能提出了更高的要求。本系統利用雙單片機通訊較好地處理了各傳感器之間的協調問題，以及傳感器之間的優先響應問題。本文作者創新點：1、本設計基于單片機技術、紅外技術完成智能機器人控制系統設計，智能機器人研究在當前機器人研究領域具有十分突出的地位，其顯著的特點是具有環境感知、判斷決策、人機交互等功能；2、該智能機器人在一定程度上模擬了人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的思考能力，又在一定程度上實現了一個機器人最基本的人機交互顯示功能；3、系統設計中采用采用兩片AT89C5l控制，系統模塊化設計，通過系統功能擴展，具備高度的靈活性和廣泛的適用性。參考文獻：[1] 邱寄帆，王海春．基于分布式控制系統的輪式智能機器人研究．微計算機信息[M]．2006，22，4—2，181-182．[2] 范立南，李雪飛，尹授遠．單片微型計算機控制系統設計[M]．北京：人民郵電出版社．2004，1-100．[3] 徐冠雷，葛德宏．基于MCX51單片機的便攜式水平校正儀應用設計．微計算機信息[M]．2003，9，6，56—57．[4] 錢東波．基于RTX51的溫度控制系統．微計算機信息[M]．2005，7，77-78．[5] 葉秋香，鄭建立．一種實用的身份認證裝置的開發．微計算機信息[M]．2005，21，4，158—159．作者簡介：陳宇(1978～)，男(漢族)，河南鄭州人，鄭州航院機電工程系講師，碩士，主要從事電子通訊與自動控制技術教學與科研工作。詳情