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基于AT89C51单片机设计的简易智能机器人.docx
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基于AT89C51单片机设计的简易智能机器人.docx
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基于 AT89C51 单片机设计的简易智能机器人
引言
随着微电子技术的不断发展,微处理器芯片的集成程度越来越高,单片机已可以
在一块芯片上同时集成 CPU、存储器、定时器/计数器、并行和串行接口、看门
狗、前置放大器、A/D 转换器、D/A 转换器等多种电路,这就很容易将计算机
技术与测量控制技术结合,组成智能化测量控制系统。这种技术促使机器人技术
也有了突飞猛进的发展,目前人们已经完全可以设计并制造出具有某些特殊功能
的简易智能机器人。
1 设计思想与总体方案
1.1 简易智能机器人的设计思想
本机器人能在任意区域内沿引导线行走,自动绕障,在有光源引导的条件下能沿
光源行走。同时,能检测埋在地下的金属片,发出声光指示信息,并能实时存储、
显示检测到的断点数目以及各断点至起跑线间的距离,最后能停在指定地点,显
示出整个运行过程的时间。
1.2 总体设计方案和框图
本设计以 AT89C5l 单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑
线及障碍物,使用金属传感器检测路面下金属铁片,应用光电码盘测距,用光敏
电阻检测、判断车库位置,利用 PWM(脉宽调制)技术动态控制电动机的转动方向
和转速。通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的
存储、显示。通过对电路的优化组合,可以最大限度地利用 51 单片机的全部资
源。
P0 口用于数码管显示,P1 口用于电动机的 PWM 驱动控制,P2,P3 口用于传感器
的数据采集与中断控制。这样做的优点是:充分利用了单片机的内部资源,降低
了总体设计的成本。该方案总体方案见图 1。
2 系统的硬件组成及设计原理
此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘
输入单元、电机控制单元和显示单元组成,如图 2 所示。
2.1 单片机单元
本系统采用 AT89C51 单片机作为中央处理器。其主要任务是扫描键盘输入的信号
启动机器人,在机器人行走过程中不断读取传感器采集到的数据,将得到的数据
进行处理后,根据不同的情况产生占空比不同的 PWM 脉冲来控制电机,同时将相
关数据送显示单元动态显示,产生声光报警信号。其中,P0 用于数码管动态显
示,P1.0 一 P1.5 控制 2 个电机,P1.6、P1.7 为独立式键盘接口,P2 接传
感器,P3.2 接计里程的光电码盘,P3.7 接声光报警单元,P3.4、P3.5、
P3.6 接用于显示断点数目的发光二极管。
2.2 电机控制单元
[NextPage]
本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。2 个电机分别独立控制其左
右两边的车轮,靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能,还可让其原地转弯,
便于控制。而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动,转弯角度难以控制,不
便于使用。
电机控制电路采用大功率对管 BDl39、BDl40 组成的 H 型驱动电路,通过单片机
产生占空比不同的 PWM 脉冲,精确调整电机的转速。这种电路由于工作在晶体管
饱和或截止状态,避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗,可以最大限度地提
高效率;H 型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制;电子开关的速
度和稳定性也完全可满足需要,整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。
电路见图 3。
2.3 传感器单元
整个机器人共采用了 9 个传感器,分布在整个机器人的不同部位,相互配合起不
同的作用,见图 4。
图 4 中各传感器说明如下:
传感器 1 置于机器人正前方朝下的金属探测传感器,用于探测金属。
传感器 2 置于机器人正前方朝前的超声波传感器,用于检测障碍物。超声波来源
于 555 产生 40 kHz 的方波信号,经超声波发射头发出。发射头不断发出信号,
当遇到障碍物时,信号会被反射回来,从而接收头会接受到信号,将信号送入单
片机进行相应的判断和处理。
传感器 3 置于机器人正前方朝下的红外光电传感器,用于检测停止线。红外发射
管发出信号,经不同的反射介质反射,根据红外接收管是否接收到信号做出相应
的判断。
传感器 4、5 置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器,用于检测地面的引导
线,原理同传感器 3。
传感器 6、7 置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器,用于寻找光源。当机器
人前方有光源照射时,光敏电阻的大小将会改变,将 2 个传感器的改变量进行比
较处理后送入单片机,单片机将会产生相应的调整信号,使机器人朝光强的方向
行走。
传感器 8 置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器,用于在机器人遇到障碍物时
的转弯处理,判断机器人是否完全绕开障碍物,原理同传感器 2。
传感器 9 置于机器人正后方的光电码盘,用于计里程,借助于鼠标原理,选用直
径为 2.6 cm 的塑料小轮自制光电码盘,经过打磨使其周长为 8 cm,再在该小轮
上打等距离的 8 个孔,如图 5 所示。最小测距精度可达到 1 cm,足以满足要求,
两侧装上光电传感器,将其安装在车尾,使之与车的行驶同步。就实际情况自制
出来的各个孔之间的距离无法精确相等,但经过具体测量该光电码盘,能保证行
驶 50 cm 产生 50 个脉冲,于是采用其作为计算距离的基准单位。在直道区,可
由该电路产生的脉冲数,计算出铁片中心线至起跑线间的距离。
此外,为了清楚直观地观察到各传感器的工作状态,电路中还专门为每个传感器
设计了工作指示灯,实时显示每个传感器的工作状态。
2.4 键盘输入单元
键盘输入单元采用独立式键盘,由 2 个按键组成,其中一个为启动键,另一个为
显示切换键,当机器人行走完全程后,按下该键,将显示整个行走过程的时间。
2.5 显示单元
显示单元由 2 个 7 段数码管组成,为了减少整个系统的功耗,采用了由单片机软
件译码,动态显示,实时显示每个断点到起点的距离以及整个运行过程的时间。
2.6 声光报警单元
用 555 作为振荡源,用单片机触发振荡源驱动电磁讯响器作为声音指示器和 1 只
发光二极管作为光指示装置,从而组成声光报警单元。
2.7 电源单元
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