基于单片机及传感器的机器人设计与实现

摘要: 本设计基于单片机及多种传感器，完成了一个自主式移动机器人的制作。单片机作为系统检测和控制的核心，实现对机器人小车的智能控制。反射式红外光电传感器检测引导线，使机器人沿轨道自主行走；使用霍尔集成片，通过计车轮转过的圈数完成机器人行走路程测量；接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片，发出声光信息进行指示，并能实时显示金属片距起点的位置。
关键词：单片机; 机器人; 传感器

1前言

机器人技术是融合了机械、电子、传感器、计算机、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。一些发达国家已把机器人制作比赛作为创新教育的战略性手段。如日本每年都要举行诸如“NHK杯大学生机器人大赛”、“全日本机器人相扑大会”、“机器人足球赛”等各种类型的机器人制作比赛，参加者多为学生，旨在通过大赛全面培养学生的动手能力、创造能力、合作能力和进取精神，同时也普及智能机器人的知识.^[1]

开展机器人的制作活动，是培养大学生的创新精神和实践能力的最佳实践活动之一，特别是机电专业学生开展综合知识训练的最佳平台。本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题，基于单片机控制及传感器原理，通过硬件电路制作和软件编程，制作了一个机器人，实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能，并能探测金属，实时显示距离。

2机器人要完成的功能

选取一块光滑地板或木板，上面铺设白纸，白纸上画任意黑色线条（线条不要交叉），作为机器人行走的轨迹，引导机器人自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片，铁片厚度为0.5～1.0mm。机器人沿轨迹行走一周，探测出埋藏在纸下铁片，发出声光报警，并显示铁片距离起点的位置。

3 硬件设计方案

机器人总体构成

图1机器人总体构成

如图1所示，以微处理器为核心，接受传感器传来外部信息，进行处理，控制机器人的运行。

系统电源供电部分

由于机器人电机，传感器及系统CPU等部分均采用+5V供电，考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题，电源我们采用电动车自带干电池组，功耗小、体积小和质量轻，安装较为方便。

电机驱动及PWM调速部分

机器人需控制在一个合适的速度行驶，速度太快，因单片机对各传感器传来的信号有一个响应、处理时间，小车极易偏离轨道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制，改变直流电机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。其中，调压方式原理简单，易与实现。

采用由晶体管组成的H型PWM调制电路。通过图2所示PWM调制电路，用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调状态，实现调速。

图2 电机驱动电路

令单片机P1.7口为低电平，P1.6口为高电平，此时Q1、Q4导通，Q2、Q3截止，电动机正常工作。改变P1.6口高电平周期，即改变PWM调制脉冲占空比，可以实现精确调速。脉冲频率对电机转速有影响，脉冲频率高连续性好，但带负载能力差；脉冲频率低则反之^[2]。经实验发现，脉冲频率在30Hz以上，电机转动平稳，但小车行驶时，由于摩擦力使电机转速降低很快，甚至停转；脉冲频率在10Hz以下，电机转动有跳跃现象，实验证明脉冲频率在25～35Hz效果最佳。我们选取脉冲频率为30Hz。

引导线检测模块

根据白纸和黑线反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路将路面两种颜色进行区分，转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，保证小车沿引导线行驶。考虑到小车与路面的相对位置，采用反射式光电检测电路。

红外光电传感器TCRT1000，它是一种光电子扫描，光电二极管发射，三极管接收并输出的装置  .它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单，（如图3所示）。二极管的C端和三极管的E端接地，二极管的A端通过一电阻和电源相接，组成偏置电流电路；三极管的C端也通过一电阻和电源相接，组成输出电路。当检测器检测到白色时，其输出低电平；当检测到黑色时，则输出高电平。 

为提高检测精度，采用了多传感器信息融合技术。设计中，在车头均匀布置三个光电传感器，其中，中间一个（Q1）安装在小车正中央。Q1的输出经一级比较器和非门，接单片

图3 光电检测转换电路

机的P1.3脚.Q1左右两端分别布置一个传感器，经与图3相同的电路后也连接到单片机P1口。若两侧某一传感器检测到黑线，表明小车正脱离轨道，将3个检测点的结果融合后作为单片机的输入，机器人按照单片机P1口信息进行判断调整，实现路径跟踪和自动纠偏^[3]。

金属探测部分

图4 金属探测电路

如图4所示，金属探测器使用一接近开关，探测有效距离约为4mm，将它固定在机器人上，当探测到金属片时，探测器输出端输出低电平，经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器，发出声光指示信号。同时输出反向后接单片机，对探测到的金属片个数进行计数。

霍尔元件测距设计

霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，根据霍尔效应，金属板发生横向导通^[4]，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲计数进行距离测量。小车后轮每转一圈，霍尔元件产生的脉冲送入单片机的T0口进行计数，单片机完成脉冲数到距离的转换。在后轮安装一个磁极，测量误差是一个车轮的周长，可在软件中给予补偿。                                                          

LCD显示

液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。 这里采用2行16个字的DM-162液晶模块，通过与单片机连接，编程，完成显示功能。

4 系统软件流程

系统软件流程如图5所示。

                      

           图5 系统软件流程图

5 结论

  本文基于单片机及传感器原理，以单片机为控制器的核心，小型直流电机作为驱动元件，配置不同类型的传感器，通过软件编程，制作出了一个价格低廉、模块化结构的小型机器人。大量的行走实验证明，该机器人能够顺利路径跟踪和自动纠偏自主行走，并完成探测、显示等功能。

本文作者创新点：本文针对具有引导线环境下的路径跟踪这一热点问题，采用多传感器信息融合技术，通过单片机控制，实现了机器人的路径跟踪和自动纠偏的功能，方法简单，易于实现，造价低廉，效果较好。

参考文献

[1]韩建海，赵书尚，张国跃等。基于 PIC 单片机的六足机器人制作。机器人技术与应用，2003,06
[2] 姜长涨，于万元，王冬蕾。基于AVR单片机的直流电动机的PWM调速系统设计。仪器仪表用户，2006,02
[3] 薛艳茹，郑冰， 郝兴贞，等。基于模糊控制信息融合方法的机器人导航系统。微计算机信息，2005年第11-2期
[4] 张寿安。霍尔效应在位置控制中的应用。长沙铁道学院学报(社会科学版)，2005,02