基于單片機的多功能智能小車機器人

隨著科學(xué)技術(shù)的日新月異及傳感器技術(shù)的不斷發(fā)展，各國對智能移動機器人的研制和開發(fā)力度也不斷加大，各式各樣的機器人進入社會生活的方方面面。機器人可以代替人力進行許多具有一定危險性的活動，進入一些人類難以涉足的空間，比如不久前成功在月球登陸的“玉兔”號月球車。本文設(shè)計的小車可以應(yīng)用于無人駕駛機動車、無人工廠、倉庫等領(lǐng)域，有實際應(yīng)用推廣價值。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計的小車采用51單片機作為控制核心，使用光電傳感器檢測小車的運動狀態(tài)，進行循跡和避障，并由LCD實時顯示小車的運動狀態(tài)。金屬傳感器檢測到鐵片后小車由循跡狀態(tài)進入到避障狀態(tài)，按下遙控器可使小車進入遙控狀態(tài)，每次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都有報警指示。智能小車實物照片及功能示意圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件總體設(shè)計

根據(jù)設(shè)計任務(wù)要求及功能實現(xiàn)的分析，畫出系統(tǒng)的總體電路圖，如圖2所示。整個系統(tǒng)為模塊化設(shè)計，實現(xiàn)簡單。

系統(tǒng)主要以單片機最小控制系統(tǒng)為核心，包括電源模塊接口、外圍傳感器接口、LCD顯示器接口、遙控模塊接口、電機驅(qū)動模塊接口、報警模塊接口等，各部分共同構(gòu)成了智能小車的整體。

2.2 分系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.2.1 循跡、避障模塊

機器人要實現(xiàn)自動循跡功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機器人一個視覺功能。自動尋跡是基于自動導(dǎo)引小車(AGV-auto-guidedvehicle)系統(tǒng)，選擇正確的路線行進。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。為了簡單起見，系統(tǒng)中使用了五個紅外反射式光電傳感器進行循跡和避障，其中三個ST178H型紅外傳感器用于尋跡，兩個E18型用于障礙判斷，傳感器實物如圖3所示。

2.2.2 金屬檢測模塊

當(dāng)小車行進到黑線的盡頭時，需要檢測終點，由控制器發(fā)出指令，進入相應(yīng)的程序。只要在運行軌跡的終點放置一塊鐵片，再用金屬傳感器檢測金屬片就可以實現(xiàn)，電路簡單，不會占用很多CPU資源。本文選用了LJ12A3-Z-4/BX型電感式金屬接近開關(guān)傳感器，該傳感器體積小，功耗低，工作電流只有0.5～3 mA，應(yīng)用方便，輸出信號可直接接單片機。

2.2.3 遙控模塊

無線數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應(yīng)用在車輛監(jiān)控、遙控、遙測、小型無線網(wǎng)絡(luò)、無線數(shù)據(jù)通信、機器人控制、數(shù)字音頻、數(shù)字圖像的傳輸?shù)阮I(lǐng)域中。為了實現(xiàn)對小車的遙控，需要一個無線遙控模塊。本文采用DF無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，其工作頻率為315MHz，為全球通用的ISM頻段，發(fā)射頻率500mW。DF無線收發(fā)模塊結(jié)合編解碼芯片PT2262/2272可以將單片機發(fā)出的數(shù)據(jù)經(jīng)過編解碼之后發(fā)射出去。DF無線收發(fā)模塊具有發(fā)射距離遠，抗干擾性強的特點。無線發(fā)射/接收模塊的實物圖如圖4所示。

2.2.4 顯示模塊

在小車行進時，需要顯示當(dāng)前的工作狀態(tài)，顯示裝置就必不可少了?？紤]到需要顯示大量的字母，系統(tǒng)選擇使用1602型LCD顯示。1602的意思是每行顯示16個字符，可以顯示兩行，為字符型液晶，即只能顯示ASCII碼字符，如數(shù)字、大小寫字母、各種符號等。系統(tǒng)采用的1602為5 V電壓驅(qū)動，16針接口，帶背光，內(nèi)置含128個字符的ASCII碼字符集字庫，只有并行接口，沒有串行接口。

2.2.5 測速模塊

系統(tǒng)中使用兩個TCR5000型紅外反射傳感器對車輪轉(zhuǎn)速進行測量，車輪上有黑白間隔的碼盤，單片機對傳感器輸出的脈沖進行計數(shù)，通過計算一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)計算出小車的速度。TCR5000型紅外反射傳感器及碼盤如圖5所示。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計采用C語言編程，并采用模塊化設(shè)計，將各功能軟件編寫為一個個子函數(shù)，各個函數(shù)模塊之間獨立性強，需要時只要進行調(diào)用即可，具有很好的可移植性。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括外部中斷0的初始化，小車傳感器初始化，LCD初始化及實時顯示工作狀態(tài)，小車啟動，循跡程序，金屬檢測程序，聲音報警程序，中斷服務(wù)函數(shù)，避障程序，檢測遙控指令，聲音報警，遙控程序等。主程序流程圖如圖6所示。

將電源打開后，單片機上電復(fù)位，對外部中斷0進行初始化，然后調(diào)用傳感器初始化函數(shù)，LCD初始化函數(shù)，啟動小車，LCD顯示小車當(dāng)前狀態(tài)，開始調(diào)用循跡函數(shù)，對黑線進行檢測，根據(jù)傳感器信號判斷小車與黑線的位置關(guān)系，由單片機輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號，控制左右兩輪的轉(zhuǎn)速，使小車時刻保持沿黑線行走。當(dāng)小車行駛到黑線的終點時，金屬傳感器檢測到鐵片，小車發(fā)出聲音報警，同時進入中斷服務(wù)函數(shù)，調(diào)用避障子函數(shù)，開始避障，并更新LCD顯示內(nèi)容。當(dāng)遇到障礙時，小車會改變方向，繞過障礙物行駛。當(dāng)按下遙控按鍵時，小車收到指令，發(fā)出聲音報警，跳出避障程序，進入遙控程序，并更新LCD顯示內(nèi)容。此時，可以對小車進行遙控回收，完成整個測試任務(wù)。C51語言主程序如下所示：

4 結(jié)束語