基于单片机的多功能智能小车机器人

随着科学技术的日新月异及传感器技术的不断发展，各国对智能移动机器人的研制和开发力度也不断加大，各式各样的机器人进入社会生活的方方面面。机器人可以代替人力进行许多具有一定危险性的活动，进入一些人类难以涉足的空间，比如不久前成功在月球登陆的“玉兔”号月球车。本文设计的小车可以应用于无人驾驶机动车、无人工厂、仓库等领域，有实际应用推广价值[1]。1系统总体设计本文设计的小车采用51单片机作为控制核心，使用光电传感器检测小车的运动状态，进行循迹和避障，并由LCD实时显示小车的运动状态。金属传感器检测到铁片后小车由循迹状态进入到避障状态，按下遥控器可使小车进入遥控状态，每次状态转换都有报警指示。智能小车实物照片及功能示意图如图1所示。2系统硬件设计2.1硬件总体设计根据设计任务要求及功能实现的分析，画出系统的总体电路图，如图2所示。整个系统为模块化设计，实现简单。系统主要以单片机最小控制系统为核心，包括电源模块接口、外围传感器接口、LCD显示器接口、遥控模块接口、电机驱动模块接口、报警模块接口等，各部分共同构成了智能小车的整体。图1智能小车实物照片及功能示意图Fig．1Caranddesｃriptiｏnｏfｃarfunｃtiｏn图2系统的总体电路图Fig．2Cirｃuitdiagraｍｏfwｈｏleprｏgraｍ电子设计工程EleｃtrｏniｃDesignEngineering第22卷Vｏl．22第23期Ｎｏ．232014年12月Deｃ．2014收稿日期：2014-03-28稿件编号：201403317作者简介：申江江（1986—），男，河北石家庄人，助理讲师。研究方向：通信技术。基于单片机的多功能智能小车机器人申江江1，齐银鹏2，陈方超1，陈毓1，梁浩1（1．海军航空工程学院航空训练基地，山东青岛266109；2．海军航空工程学院青岛校区，山东青岛266041）摘要：本课题采用AＴ89S52单片机作为检测和控制核心，设计了一个智能小车机器人，其具有自动循迹、检测金属、报警、避障及遥控功能。构建了基于微处理器为核心、多传感器信息检测与融合、声音报警与LCD数码显示、双向PWM控制的智能小车系统，并可实现ASP在线编程，加快了程序的下载速度。本设计结构简单，功能齐全，较容易实现，具有一定的智能化、人性化特点。关键词：机器人；单片机；传感器；智能中图分类号：ＴＮ39文献标识码：A文章编号：1674-6236（2014）23-0111-03MultifunctionintelligentcarrobotbasingonSCMSHEＮJiang-jiang1，QIYin-peng2，CHEＮFang-ｃｈaｏ1，CHEＮYu1，LIAＮGHaｏ1（1．AeronauticalTrainingCenterofNavalAeronauticalEngineeringInstitute，Qingdao266109，China；2．QingdaoCampusofNavalAeronauticalEngineeringInstitute，Qingdao266041，China）Abstract:Ｔｈisprｏjeｃtdesignedanintelligentｃarrｏbｏtwitｈfunｃtiｏnｏfautｏsearｃｈing、ｍetaldeteｃting、alarｍing、ｏbstaｃleevadingandreｍｏteｃｏntrｏlling，usingAＴ89S52SingleCｈipMiｃrｏｃｏｍputerastｈedeteｃtingandｃｏntrｏllingｃｏre．Ｔｈeintelligentｃarsysteｍwasｃｏnstruｃtedbasingｏntｈeｃｏreｏfｍiｃrｏprｏｃesser，ｍulti-sensｏrinfｏrｍatiｏnexaｍingandfusing，alarｍingandLCDdigitaldisplay，twｏ-wayPWMｃｏntrｏl，anditｃｏuldprｏgraｍｍeｏn-lineusingASPandspeeduptｈedｏwnlｏadprｏｃedure．Ｔｈisdesigniswｏrtｈappliｃatingandpｏpulariｚing，wｈiｃｈｃanbeusedfｏrnｏn-ｈuｍandrivingveｈiｃles、nｏn-ｈuｍanfaｃtｏriesandstｏwages，witｈｃｈaraｃteristiｃsｏfsiｍpleｃｏnstruｃtiｏn、all-purpｏsefunｃtiｏn、easyrealiｚatiｏn、intelligenｃeandｈｏｍｍiｚatiｏn．Keywords:rｏbｏts；singleｃｈipｍiｃrｏｃｏｍputer；sensｏrs；intelligenｃe-111-《电子设计工程》2014年第23期2.2分系统硬件设计2.2.1循迹、避障模块机器人要实现自动循迹功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。自动寻迹是基于自动导引小车（AGV—autｏ-guidedveｈiｃle）系统，选择正确的路线行进。采用与地面颜色有较大差别的线条作引导，使用传感器感知导引线和障碍判断。为了简单起见，系统中使用了五个红外反射式光电传感器进行循迹和避障，其中三个SＴ178H型红外传感器用于寻迹，两个E18型用于障碍判断，传感器实物如图3所示。2.2.2金属检测模块当小车行进到黑线的尽头时，需要检测终点，由控制器发出指令，进入相应的程序。只要在运行轨迹的终点放置一块铁片，再用金属传感器检测金属片就可以实现，电路简单，不会占用很多CPU资源。本文选用了LJ12A3-Z-4/BX型电感式金属接近开关传感器，该传感器体积小，功耗低，工作电流只有0．5~3ｍA，应用方便，输出信号可直接接单片机。2.2.3遥控模块无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中[2]。为了实现对小车的遥控，需要一个无线遥控模块。本文采用DF无线数据收发模块，其工作频率为315MHｚ，为全球通用的ISM频段，发射频率500ｍW。DF无线收发模块结合编解码芯片PＴ2262/2272可以将单片机发出的数据经过编解码之后发射出去。DF无线收发模块具有发射距离远，抗干扰性强的特点。无线发射/接收模块的实物图如图4所示。2.2.4显示模块在小车行进时，需要显示当前的工作状态，显示装置就必不可少了。考虑到需要显示大量的字母，系统选择使用1602型LCD显示。1602的意思是每行显示16个字符，可以显示两行，为字符型液晶，即只能显示ASCII码字符，如数字、大小写字母、各种符号等。系统采用的1602为5V电压驱动，16针接口，带背光，内置含128个字符的ASCII码字符集字库，只有并行接口，没有串行接口。2.2.5测速模块系统中使用两个ＴCR5000型红外反射传感器对车轮转速进行测量，车轮上有黑白间隔的码盘，单片机对传感器输出的脉冲进行计数，通过计算一定时间内的脉冲数计算出小车的速度。ＴCR5000型红外反射传感器及码盘如图5所示。3软件设计系统软件设计采用C语言编程[3]，并采用模块化设计，将各功能软件编写为一个个子函数，各个函数模块之间独立性强，需要时只要进行调用即可，具有很好的可移植性。系统软件设计主要包括外部中断0[4]的初始化，小车传感器初始化，LCD初始化及实时显示工作状态，小车启动，循迹程序，金属检测程序，声音报警程序，中断服务函数，避障程序，检测遥控指令，声音报警，遥控程序等。主程序流程图如图6所示。将电源打开后，单片机上电复位，对外部中断0进行初始化，然后调用传感器初始化函数，LCD初始化函数，启动小车，LCD显示小车当前状态，开始调用循迹函数，对黑线进行检测，根据传感器信号判断小车与黑线的位置关系，由单片机输出相应的驱动信号，控制左右两轮的转速，使小车时刻保持沿黑线行走。当小车行驶到黑线的终点时，金属传感器检测到铁片，小车发出声音报警，同时进入中断服务函数，调用避障子函数，开始避障，并更新LCD显示内容。当遇到障碍时，小车会改变方向，绕过障碍物行驶。当按下遥控按键时，小车收到指令，发出声音报警，跳出避障程序，进入遥控程序，并更新LCD显示内容。此时，可以对小车进行遥控回收，图3SＴ178H和E18型红外传感器Fig．3SＴ178HandE18infraredsensｏr图6系统主程序软件流程图Fig．6Flｏwｃｈartｏfｍainprｏgraｍ图5ＴCR5000型红外反射传感器和码盘Fig．5ＴCR5000infraredrefleｃtiｏnsensｏrandCｏuntingwｈeel图4无线接收及发射模块Fig．4Wirelessreｃeivingandtransｍitterｍｏdule-112-参考文献：[1]MartinJC，LawGW．Subｏrbitalreusablelaunｃｈveｈiｃlesandappliｃableｍarket[R]．ＴｈeAerｏspaｃeCｏrpｏratiｏn，2002，EISegundｏ，CA90245-4691．[2]王振国，罗世斌，吴建军．可重复使用运载器研究进展[M]．长沙:国防科技大学出版社，2001．[3]管文华，肖爱武．快速原型技术现状与发展趋势研究[J]．现代机械，2005，12（3）:65-66．GUAＮWen-ｈua，XIAOAi-wu．Ｔｈepresentsituatiｏnandtｈedevelｏpingtendenｃyresearｃｈｏftｈerapidprｏtｏtying[J]．MｏdernMaｃｈinery，2005，12（3）:65-66．[4]Cｈwan-HsenCｈen，Hsu-LunＴsai，Jun-CｈiaｏＴu．Rｏbｏtｃｏntrｏlsysteｍiｍpleｍentatiｏnwitｈrapidｃｏntrｏlprｏtｏtypingteｃｈnique，2004IEEEInternatiｏnalSyｍpｏsiuｍｏnCｏｍputerAidedCｏntrｏlSysteｍsDesign，2004．[5]邹翔，刘芸，任平，等．亚轨道飞行器再入段导航制导快速原型设计[J]．微处理机，2010，6（29）:98-105．ZOUXiang，LIUYun，REＮPing，etal．Ｔｈedesignｏfre-entrynavigatiｏnandguidanｃerapidprｏtｏtypefｏrsubｏrbitallaunｃｈveｈiｃle[J]．Miｃrｏprｏｃessｏrs，2010，6（29）:98-105．[6]李新国，方群．有翼导弹飞行动力学[M]．西安:西北工业大学出版社，2004．[7]汤志杰．非线性反馈线性化方法在飞控系统中的应用[D]．西安:西北工业大学，2002．[8]泮斌峰．导弹制导系统快速原型研究[D]．西安：西北工业大学，2007．完成整个测试任务。C51语言主程序如下所示：intｍain（vｏid）{ＴCOＮ=0x05；ＴMOD=0x11；//定时/计数器初始化IE=0xAA；//外部中断0初始化sensｏr_init（）；//传感器初始化ｃar_aｈead（）；//小车启动wｈile（1）{ｃar_fｏllｏw（）；//循迹子函数}}vｏidserviｃe_int0（）interrupt0using1//外部中断0服务函数{ｃar_ringing（）；//报警子函数wｈile（（P1&0x0f）==0x00）{ｃar_prevent（）；//避障子函数}ｃar_ringing（）；wｈile（1）{ｃar_reｍｏteｃｏntrｏl（）；//遥控子函数}}4结束语对智能小车的高级开发可对它加装GPS（全球卫星定位系统）或加装基于Internet的接口电路、摄像头等，使它具备全球机动能力和远程控制功能。其典型应用为远程侦察机器人，智能探测机器人[5]等。随着不断地开发及产品的投入使用，