基于单片机智能机器人控制系统研究设计

引 言

    单片机技术作为自动控制技术的核心之一，被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。随着微电子技术的迅速发展，单片机功能也越来越强大，本设计基于单片机技术、红外技术完成智能机器人控制系统设计。智能机器人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位, 其显著的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能[1]。本智能机器人系统主要实现了步行、跟踪、避障、步伐调整、语音、声控、液晶显示，地面探测等功能。在遇到外界条件发生变化时，该机器人将采取不同的措施对待，较好地表现出该机器人的思考能力。

1 智能机器人简介

1.1 系统框图

该智能机器人控制系统采用两片AT89C51[2]控制，一片单片机MCU1用于整个系统的控制，另一片单片机MCU2用于驱动液晶屏LCM1602工作，它们之间通过I/O口通讯，以实现两片单片机共同工作的相互协调控制。系统框图[3]如图1所示。

图1 机器人控制系统结构图

设计中，MCU1的P1.0、P1.3分别接触觉传感器，P1.6-P1.7接视觉红外传感器，P2.0-P2.4口控制继电器驱动电路，P2.5口接地面探测传感器，P2.6-P2.7接步伐校正光耦器，P3.0-P3.5接ISD25120语音芯片。

1.2 实现功能

机器人在移动过程中，会发出语音提示：“目标搜索中”，同时液晶显示：“Target is in searching”；前进过程中发现目标，语音提示：“发现目标”；液晶显示：“Find object”，机器人自动向该目标转向；对准目标后，语音提示：“锁定目标”，液晶显示：“Lock it”，同时机器人向目标继续前进；如机器人撞上目标，语音提示：“前方有障碍物”，液晶显示：“Obstacles impending”，机器人根据触角碰撞的先后顺序，向该相反的方向转角约100度，继续前进；当前方地面出现断层，语音提示：“危险，前方地面有断层”，液晶显示：“Warning，fault ahead”，同时机器人会向后退几步，转向后继续前进；如果机器人在转向过程中，步伐错乱，便会自动执行步伐调整程序，以校正步伐。

2 系统设计

2.1 驱动电路

要想让机器人有稳定行走能力，需要选择稳定的电动机驱动系统。本设计利用三极管放大作用对单片机I/O口电流进行放大，驱动继电器控制电动机转动。且不会对输入电流有任何影响，完全可以给电动机提供大电流，保证电路工作稳定。

电动机驱动电路采用两个NPN管对单片机AT89C51的I/O口输出电流信号放大，利用电阻R19、R20作为三极管基极进行保护。当单片机I/O口有信号输出时，该电流经电阻后送入第一级三极管基极，使第一级三极管导通，导通电流经电阻送入第二个三极管基极，进一步放大电流，以达到继电器驱动电流。根据计算，送入继电器的电流是经过两极放大电路放大了约β2倍，9014在此做开关作用。经过两级放大后驱动继电器。如图2所示。

图2 电机驱动电路原理图

每个继电器相当于一个单刀双掷开关，由此，两个单刀双掷开关，组成电动机正反转控制电路，实现机器人前进、后退动作。

2.2 视觉电路

在此设计中，我们仅要求机器人发现并跟踪目标，不需要识别目标。因此采用最常用的红外线反射传感器来作为机器人的视觉功能，检测机器人前方是否有目标。该功能的实现采用的是两个型号为TX05D的红外线反射传感器[4]。TX05D常用的红外反射式接近开关，它内部有一红外线发射管和一红外线接收管。发射管发出红外线，如果其正前方没有物体，那么接收管接收不到红外线反馈信号。当前方出现物体时，红外线信号经过物体被反射了回来，这时接收管接收到信号，向单片机发出高电平信号，以告知单片机其前方出现障碍物。

两个红外线传感器安装在机器人前方的两侧，在机器人工作时，两个传感器始终向外发射红外线探测信号，当其中一个传感器接收到反馈信号时，便向单片机发出高电平信号，告知单片机该方向发现目标，单片机经过判断后，控制电动机向该方向转向，以实现跟踪功能。当两个传感器都感应到目标时，机器人便向着目标直着前进，直到撞上目标。

2.3 步伐调整电路

当机器人在前进过程中，如果电机转速不一致或者在转向过程中打乱了步伐，这时便会启动步伐调整功能，该功能是利用两个光耦来完成的。在机器人腿部，装有两片通过光耦的挡片，当机器人正常行走时，挡片会交替的打开和关闭光耦。如果两个光耦的状态始终不相同。那么就说明该机器人步伐正常。当光耦状态出现相同时，说明机器人步伐错乱，需要校正步伐。这时便会随机停下一条“腿”，等另一条“腿”走在合适位置，即光耦状态相反时，再作出同步前进。电路如图3所示。

2.4显示电路

本功能主要实现了人机交互的视觉平台。本设计采用LCM1602液晶显示模块，该模块是最常用的英文显示模块，它内部含有英文字库，使用方便，价格便宜。液晶显示功能是配合语音功能共同使用的附加功能，它的作用就是可以显示当前的状态，以实现机器人的人机交互显示功能。

LCM1602是一种16字×2行的字符型液晶模块[5]，主要有总线连接方式和模拟口连接方式。本设计采用的是模拟口连接方式，它和前者相比，电路更加简洁。在该电路中，P1口给显示屏输送数据，P3.0到P3.2则控制向该显示屏读写数据的状态。VL管脚过1K电阻接地，作用是限制液晶显示的色度深浅。BLA和BLK则是背光灯电源接口。电路如图4所示。

图4 显示电路原理图
 

设计中，P2口则是用于与MCU1通讯，它始终监控着MCU1的状态，以保持显示内容和语音同步。

2.5 语言电路

为了确保操作的无误性，运用声音进行第二重提示，本系统用到的ISD25120语音芯片是美国ISD公司生产的高保真录放一体化的单片固态语音集成电路，录放时间为120秒，可运行多段信息处理，可反复录音十万次[6]，并且ISD25120使用时不需要考虑如何驱动语音芯片，只需要直接用51控制该语音电路的触发时间，播放出事先录好的声音文件，以实现机器人说话这个功能。电路如图5所示。

图5 语音电路原理图
 

2.6 亚超声接收电路

机器人上面装有一个亚超声接收模块，当接收到外部的亚超声，机器人会做出停止和运行动作，以实现机器人的听觉功能。该部分的实现采用了成品的亚超声接收板，在设计中，将其输出的信号经过光电开关转换成可以触发单片机I/O口的低电平开关信号，以告知单片机目前亚超声开关的状态。电路如下图6所示。

图6 亚超声接收电路原理图

3 总结

本机器人系统设计在一定程度上模拟了人类的视觉、触觉、听觉、语音及简单的思考能力，又在一定程度上实现了一个机器人最基本的人机交互显示功能，但新的需求和任务也对机器人的性能提出了更高的要求[7]。本系统利用双单片机通讯较好地处理了各传感器之间的协调问题，以及传感器之间的优先响应问题。