基于單片機(jī)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)研究設(shè)計(jì)

引 言

    單片機(jī)技術(shù)作為自動控制技術(shù)的核心之一，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、智能儀器、機(jī)電產(chǎn)品、家用電器等領(lǐng)域。隨著微電子技術(shù)的迅速發(fā)展，單片機(jī)功能也越來越強(qiáng)大，本設(shè)計(jì)基于單片機(jī)技術(shù)、紅外技術(shù)完成智能機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。智能機(jī)器人研究在當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域具有十分突出的地位, 其顯著的特點(diǎn)是具有環(huán)境感知、判斷決策、人機(jī)交互等功能[1]。本智能機(jī)器人系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)了步行、跟蹤、避障、步伐調(diào)整、語音、聲控、液晶顯示，地面探測等功能。在遇到外界條件發(fā)生變化時，該機(jī)器人將采取不同的措施對待，較好地表現(xiàn)出該機(jī)器人的思考能力。

1 智能機(jī)器人簡介

1.1 系統(tǒng)框圖

該智能機(jī)器人控制系統(tǒng)采用兩片AT89C51[2]控制，一片單片機(jī)MCU1用于整個系統(tǒng)的控制，另一片單片機(jī)MCU2用于驅(qū)動液晶屏LCM1602工作，它們之間通過I/O口通訊，以實(shí)現(xiàn)兩片單片機(jī)共同工作的相互協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)框圖[3]如圖1所示。

圖1 機(jī)器人控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計(jì)中，MCU1的P1.0、P1.3分別接觸覺傳感器，P1.6-P1.7接視覺紅外傳感器，P2.0-P2.4口控制繼電器驅(qū)動電路，P2.5口接地面探測傳感器，P2.6-P2.7接步伐校正光耦器，P3.0-P3.5接ISD25120語音芯片。

1.2 實(shí)現(xiàn)功能

機(jī)器人在移動過程中，會發(fā)出語音提示：“目標(biāo)搜索中”，同時液晶顯示：“Target is in searching”；前進(jìn)過程中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，語音提示：“發(fā)現(xiàn)目標(biāo)”；液晶顯示：“Find object”，機(jī)器人自動向該目標(biāo)轉(zhuǎn)向；對準(zhǔn)目標(biāo)后，語音提示：“鎖定目標(biāo)”，液晶顯示：“Lock it”，同時機(jī)器人向目標(biāo)繼續(xù)前進(jìn)；如機(jī)器人撞上目標(biāo)，語音提示：“前方有障礙物”，液晶顯示：“Obstacles impending”，機(jī)器人根據(jù)觸角碰撞的先后順序，向該相反的方向轉(zhuǎn)角約100度，繼續(xù)前進(jìn)；當(dāng)前方地面出現(xiàn)斷層，語音提示：“危險，前方地面有斷層”，液晶顯示：“Warning，fault ahead”，同時機(jī)器人會向后退幾步，轉(zhuǎn)向后繼續(xù)前進(jìn)；如果機(jī)器人在轉(zhuǎn)向過程中，步伐錯亂，便會自動執(zhí)行步伐調(diào)整程序，以校正步伐。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 驅(qū)動電路

要想讓機(jī)器人有穩(wěn)定行走能力，需要選擇穩(wěn)定的電動機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)利用三極管放大作用對單片機(jī)I/O口電流進(jìn)行放大，驅(qū)動繼電器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)動。且不會對輸入電流有任何影響，完全可以給電動機(jī)提供大電流，保證電路工作穩(wěn)定。

電動機(jī)驅(qū)動電路采用兩個NPN管對單片機(jī)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(jìn)行保護(hù)。當(dāng)單片機(jī)I/O口有信號輸出時，該電流經(jīng)電阻后送入第一級三極管基極，使第一級三極管導(dǎo)通，導(dǎo)通電流經(jīng)電阻送入第二個三極管基極，進(jìn)一步放大電流，以達(dá)到繼電器驅(qū)動電流。根據(jù)計(jì)算，送入繼電器的電流是經(jīng)過兩極放大電路放大了約β2倍，9014在此做開關(guān)作用。經(jīng)過兩級放大后驅(qū)動繼電器。如圖2所示。

圖2 電機(jī)驅(qū)動電路原理圖

每個繼電器相當(dāng)于一個單刀雙擲開關(guān)，由此，兩個單刀雙擲開關(guān)，組成電動機(jī)正反轉(zhuǎn)控制電路，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人前進(jìn)、后退動作。

2.2 視覺電路

在此設(shè)計(jì)中，我們僅要求機(jī)器人發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標(biāo)，不需要識別目標(biāo)。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機(jī)器人的視覺功能，檢測機(jī)器人前方是否有目標(biāo)。該功能的實(shí)現(xiàn)采用的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器[4]。TX05D常用的紅外反射式接近開關(guān)，它內(nèi)部有一紅外線發(fā)射管和一紅外線接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，如果其正前方?jīng)]有物體，那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當(dāng)前方出現(xiàn)物體時，紅外線信號經(jīng)過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機(jī)發(fā)出高電平信號，以告知單片機(jī)其前方出現(xiàn)障礙物。

兩個紅外線傳感器安裝在機(jī)器人前方的兩側(cè)，在機(jī)器人工作時，兩個傳感器始終向外發(fā)射紅外線探測信號，當(dāng)其中一個傳感器接收到反饋信號時，便向單片機(jī)發(fā)出高電平信號，告知單片機(jī)該方向發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，單片機(jī)經(jīng)過判斷后，控制電動機(jī)向該方向轉(zhuǎn)向，以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能。當(dāng)兩個傳感器都感應(yīng)到目標(biāo)時，機(jī)器人便向著目標(biāo)直著前進(jìn)，直到撞上目標(biāo)。

2.3 步伐調(diào)整電路

當(dāng)機(jī)器人在前進(jìn)過程中，如果電機(jī)轉(zhuǎn)速不一致或者在轉(zhuǎn)向過程中打亂了步伐，這時便會啟動步伐調(diào)整功能，該功能是利用兩個光耦來完成的。在機(jī)器人腿部，裝有兩片通過光耦的擋片，當(dāng)機(jī)器人正常行走時，擋片會交替的打開和關(guān)閉光耦。如果兩個光耦的狀態(tài)始終不相同。那么就說明該機(jī)器人步伐正常。當(dāng)光耦狀態(tài)出現(xiàn)相同時，說明機(jī)器人步伐錯亂，需要校正步伐。這時便會隨機(jī)停下一條“腿”，等另一條“腿”走在合適位置，即光耦狀態(tài)相反時，再作出同步前進(jìn)。電路如圖3所示。

2.4顯示電路

本功能主要實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互的視覺平臺。本設(shè)計(jì)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(nèi)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(dāng)前的狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的人機(jī)交互顯示功能。

LCM1602是一種16字×2行的字符型液晶模塊[5]，主要有總線連接方式和模擬口連接方式。本設(shè)計(jì)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(shù)據(jù)，P3.0到P3.2則控制向該顯示屏讀寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)。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。

圖4 顯示電路原理圖
 

設(shè)計(jì)中，P2口則是用于與MCU1通訊，它始終監(jiān)控著MCU1的狀態(tài)，以保持顯示內(nèi)容和語音同步。

2.5 語言電路

為了確保操作的無誤性，運(yùn)用聲音進(jìn)行第二重提示，本系統(tǒng)用到的ISD25120語音芯片是美國ISD公司生產(chǎn)的高保真錄放一體化的單片固態(tài)語音集成電路，錄放時間為120秒，可運(yùn)行多段信息處理，可反復(fù)錄音十萬次[6]，并且ISD25120使用時不需要考慮如何驅(qū)動語音芯片，只需要直接用51控制該語音電路的觸發(fā)時間，播放出事先錄好的聲音文件，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人說話這個功能。電路如圖5所示。

圖5 語音電路原理圖
 

2.6 亞超聲接收電路

機(jī)器人上面裝有一個亞超聲接收模塊，當(dāng)接收到外部的亞超聲，機(jī)器人會做出停止和運(yùn)行動作，以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的聽覺功能。該部分的實(shí)現(xiàn)采用了成品的亞超聲接收板，在設(shè)計(jì)中，將其輸出的信號經(jīng)過光電開關(guān)轉(zhuǎn)換成可以觸發(fā)單片機(jī)I/O口的低電平開關(guān)信號，以告知單片機(jī)目前亞超聲開關(guān)的狀態(tài)。電路如下圖6所示。

圖6 亞超聲接收電路原理圖

3 總結(jié)

本機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了一個機(jī)器人最基本的人機(jī)交互顯示功能，但新的需求和任務(wù)也對機(jī)器人的性能提出了更高的要求[7]。本系統(tǒng)利用雙單片機(jī)通訊較好地處理了各傳感器之間的協(xié)調(diào)問題，以及傳感器之間的優(yōu)先響應(yīng)問題。