基于單片機及傳感器的機器人設計和實現

　　摘要：本文基于單片機及傳感器原理，以單片機為控制器的核心，小型直流電機作為驅動元件，配置不同類型的傳感器，通過軟件編程，制作出了一個價格低廉、模塊化結構的小型機器人。

       1、前言
　　
　　機器人技術是融合了機械、電子、傳感器、計算機、人工智能等許多學科的知識，涉及到當今許多前沿領域的技術。一些發達國家已把機器人制作比賽作為創新教育的戰略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽，參加者多為學生，旨在通過大賽全面培養學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識。
　　
　　開展機器人的制作活動，是培養大學生的創新精神和實踐能力的*實踐活動之一，特別是機電專業學生開展綜合知識訓練的*平臺。本文針對具有引導線環境下的路徑跟蹤這一熱點問題，基于單片機控制及傳感器原理，通過硬件電路制作和軟件編程，制作了一個機器人，實現了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，并能探測金屬，實時顯示距離。
　　
　　2、機器人要完成的功能
　　
　　選取一塊光滑地板或木板，上面鋪設白紙，白紙上畫任意黑色線條（線條不要交叉），作為機器人行走的軌跡，引導機器人自主行走。紙下沿黑線軌跡隨機埋藏幾片薄鐵片，鐵片厚度為0.5～1.0mm。機器人沿軌跡行走一周，探測出埋藏在紙下鐵片，發出聲光報警，并顯示鐵片距離起點的位置。
　　
　　3、硬件設計方案
　　
　　機器人總體構成　　　　
　　如圖1所示，以微處理器為核心，接受傳感器傳來外部信息，進行處理，控制機器人的運行。
　　
　　系統電源供電部分
　　
　　由于機器人電機，傳感器及系統CPU等部分均采用+5V供電，考慮電動車功率和車載質量及摩擦阻力問題，電源我們采用電動車自帶干電池組，功耗小、體積小和質量輕，安裝較為方便。
　　
　　電機驅動及PWM調速部分
　　
　　機器人需控制在一個合適的速度行駛，速度太快，因單片機對各傳感器傳來的信號有一個響應、處理時間，小車極易偏離軌道。小車的速度是由后輪直流電機轉速控制，改變直流電機轉速通常采用調壓、調磁等方式來實現。其中，調壓方式原理簡單，易與實現。
　　
　　采用由晶體管組成的H型PWM調制電路。通過圖2所示PWM調制電路，用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調狀態，實現調速。　　　　
　　令單片機P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導通，Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調制脈沖占空比，可以實現調速。脈沖頻率對電機轉速有影響，脈沖頻率高連續性好，但帶負載能力差;脈沖頻率低則反之[2]。經實驗發現，脈沖頻率在30Hz以上，電機轉動平穩，但小車行駛時，由于摩擦力使電機轉速降低很快，甚至停轉;脈沖頻率在10Hz以下，電機轉動有跳躍現象，實驗證明脈沖頻率在25～35Hz效果*。我們選取脈沖頻率為30Hz。
　　
　　引導線檢測模塊
　　
　　根據白紙和黑線反射系數不同，通過以光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進行區分，轉化為不同電平信號，將此電平信號送單片機，由單片機控制轉向電機作相應的轉向，保證小車沿引導線行駛。考慮到小車與路面的相對位置，采用反射式光電檢測電路。
　　
　　紅外光電傳感器TCRT1000，它是一種光電子掃描，光電二極管發射，三極管接收并輸出的裝置.它的特點是尺寸小、使用方便、信號高輸出、工作狀態受溫度影響小。它的外圍電路簡單，（如圖3所示）。二極管的C端和三極管的E端接地，二極管的A端通過一電阻和電源相接，組成偏置電流電路；三極管的C端也通過一電阻和電源相接，組成輸出電路。當檢測器檢測到白色時，其輸出低電平;當檢測到黑色時，則輸出高電平。
　　
　　為提高檢測精度，采用了多傳感器信息融合技術。設計中，在車頭均勻布置三個光電傳感器，其中，中間一個（Q1）安裝在小車正中央。Q1的輸出經一級比較器和非門，接單片　　　　
　　機的P1.3腳.Q1左右兩端分別布置一個傳感器，經與圖3相同的電路后也連接到單片機P1口。若兩側某一傳感器檢測到黑線，表明小車正脫離軌道，將3個檢測點的結果融合后作為單片機的輸入，機器人按照單片機P1口信息進行判斷調整，實現路徑跟蹤和自動糾偏。
　　
　　金屬探測部分　　　　
　　如圖4所示，金屬探測器使用一接近開關，探測有效距離約為4mm，將它固定在機器人上，當探測到金屬片時，探測器輸出端輸出低電平，經反向器后接一發光二極管和一蜂鳴器，發出聲光指示信號。同時輸出反向后接單片機，對探測到的金屬片個數進行計數。
　　
　　霍爾元件測距設計
　　
　　霍爾集成片內部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，根據霍爾效應，金屬板發生橫向導通[4]，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖計數進行距離測量。小車后輪每轉一圈，霍爾元件產生的脈沖送入單片機的T0口進行計數，單片機完成脈沖數到距離的轉換。在后輪安裝一個磁極，測量誤差是一個車輪的周長，可在軟件中給予補償。
　　
　　LCD顯示
　　
　　液晶顯示器以其微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧的諸多優點，在袖珍式儀表和低功耗應用系統中得到越來越廣泛的應用。這里采用2行16個字的DM-162液晶模塊，通過與單片機連接，編程，完成顯示功能。
　　
　　4、系統軟件流程
　　
　　系統軟件流程如圖5所示。　　　　
　　5、結論
　　
　大量的行走實驗證明，該機器人能夠順利路徑跟蹤和自動糾偏自主行走，并完成探測、顯示等功能。本文作者創新點：本文針對具有引導線環境下的路徑跟蹤這一熱點問題，采用多傳感器信息融合技術，通過單片機控制，實現了機器人的路徑跟蹤和自動糾偏的功能，方法簡單，易于實現，造價低廉，效果較好。