摘要：本設計以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）技術動態(tài)控制電動機的轉動方向和轉速。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。
關鍵詞：智能機器人；傳感器；控制；模塊化設計

隨著微電子技術的不斷發(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轉換器等電路，這就很容易將計算機技術與測量控制技術結合起來，組成所謂的“智能化測量控制系統(tǒng)”。這促使機器人技術也有了突飛猛進的發(fā)展，現(xiàn)在人們已經(jīng)完全可以設計并制造出具有某些特殊功能的簡易智能機器人了。

1、設計思想與總體方案

1．1簡易智能機器人的設計思想

本機器人能在任意區(qū)域內(nèi)沿引導線行走，自動繞障，在有光源引導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總體設計方案和框圖

本設計以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技術動態(tài)控制電動機的轉動方向和轉速。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，靠兩邊電機的轉速的不同來實現(xiàn)轉彎功能，還可讓其原地轉彎，便于控制。而傳統(tǒng)的小車是靠動力電機和轉向電機驅(qū)動，轉彎角度難以控制，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)整電機的轉速。這種電路由于工作在晶體管的飽和或截止狀態(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)電機轉速和方向的控制；電子開關的速度和穩(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。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朝外的超聲波傳感器，用于在機器人遇到障礙物時的轉彎處理，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