基于单片机的移动机器人设计

张爽;李东升

【摘 要】单片机AT89S52是机器人控制系统的核心.本设计就是一种基于单片机控制的简易移动机器人系统,包括软硬件设计方法.利用单片机模块、电源模块、传感器模块、路面检测模块、直流电机的驱动模块、及相应的驱动程序、控速模块、避障模块、循线功能电路及程序、复位电路模块等对机器人进行组装设计. 【期刊名称】《电气开关》 【年(卷),期】2017(055)001 【总页数】4页(P63-65,103)

【关键词】单片机AT89S52;移动机器人;电机模块 【作 者】张爽;李东升

【作者单位】沈阳电气传动研究所(有限公司),辽宁 沈阳 110141;恩德斯豪斯(中国)自动化有限公司,上海200241 【正文语种】中 文 【中图分类】TP24

本设计采用了比较先进的AT89S52为控制核心。ATMEL公司，AY89S51可以说是单片机领域的主流产品，通过构建智能机器人系统，培养设计并实现自动控制系统的能力[1-3]。此设计所使用的移动机器人工程对象——机器人，两个轮子作为机器人的两条腿。它采用AT89S52单片机作为大脑，通过教学版安装在机器人底盘上。运用反射式红外传感器来进行路径检测和速度监测模块，机器人的大脑—

—单片机AT89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。基于连续旋转伺服电机的移动机器人，使机器人通过编程自动完成相应的动作。 2.1 机器人的构成

机器人主要由八大部分组成[4-6]，它们分别是单片机(主控制器)模块、传感器模块、电机驱动模块、红外检测模块、电机驱动模块、LCD显示器模块、电源、无焊锡面包板。他们之间互相协作，最终完成动作。 2.2 系统设计任务

设计一个基于连续旋转伺服电机的智能移动机器人，系统方案方框图如图1所示。 2.3 系统的设计方案

移动机器人控制系统由单片机(主控制器)电路模块、红外检则模块、电机及驱动模块、电源模块、LCD模块等部分组成。 3.1 移动机器人的硬件连接

机器人[7-9]大脑需要连接电源来运行，同时也需要连接到PC(或笔记本电脑)以便编程和交互。 (1)串口的连接

机器人教学板通过串口电缆连接到PC或者笔记本电脑上以便于用户交互。如果计算机有串行接口，直接使用串口连接电缆。将该串口线一端的串口连接到机器人教学板上，另一端连接到计算机的USB口上，并安装对应的USB驱动程序。 (2)ISP下载线的连接

移动机器人[10]程序通过连接到PC或者笔记本电脑的并口上的ISP下载线来下载到教学板上的单片机内。下载线一端连接到PC的并行接口上，另一端(小端)连接到教学板上的程序下载口上。 3.2 传感器检测模块

机器人使用红外线二极管LED作为前灯。红外线二极管发射红外光线，如果机器

人前面的障碍物，红外线从物体反射回来，相当于机器人眼睛的红外检测(接受)器，检测到反射回的红外光线，并发出信号来表明检测到从物体反射回红外线。机器人的大脑——单片机AT89S52基于这个传感器的输入控制伺服电机。 3.3 单片机模块

3.3.1 AT89S52单片机模块

控制机器人伺服电机以不同速度运动是通过让单片机的输入/输出(I/O)接口输出不同的脉冲序列来实现的。51系列单片机有4个8位的并行I/O口：P0、P1、P2和P3。这4个接口既可以作为输入，也可以作为输出；也可按位方式(1位)使用。AT89S52单片机的引脚定义图如图2所示。 3.3.2 定时/计数器的运用

单片机AT89S52的定时/计数器可以分为定时器模式和计数器模式。其实这两种模式没有本质上的区别，均使用二进制的加一计数；当计数器的值计满回零时能自动产生中断的请求，以此来实现定时或者计数功能。他们的不同之处在于定时器使用单片机的时钟来计数，而计数器使用的是外部信号。

定时/计数器能产生更精确的延时，它的最小延时单位为1个机器周期。查阅资料可知，若晶振频率为12MHz,则延时单位为1μs;若为11.0592MHz,则延时单位为1.08μs。

3.4 电机及驱动模块

用于机器人的伺服电机如图3所示。图中指出了伺服电机的外部元件。 3.5 LCD模块 3.5.1 LCD显示器连接

LCD1602有8个数据引脚(D0-D7)与AT89S52相连，用于接收指令和数据。AT89S52通过RS、RW和E这三个端口控制LCD模块。 3.5.2 LCD模块电路(如图5、图6所示)

3.6 无焊锡面包板 原型区域,如图7所示。

在面包板插座上插上元器件，比如电阻、LED、扬声器和传感器，就够成了例程电路。元器件靠面包板插座彼此连接。在面包板上端有一条黑色的插座，上面标识着“Vcc”、“Vin”“GND”，称之为电源端口，通过这些端口，可以给点路供电。“Vcc”指教准的+5V电压，“Vin”指电池的正极，“GND”对应于教学板的接地端。左边一条黑色的插座从上到下标识着P10，P11，P12，……,P37(共18个，部分端口并未标出)。通过这些插座，可以将搭建的电路与单片机连接起来。 3.7 安装机器人

在本次设计中，将反复用到3款软件：Keil uVision2 IDE集成开发环境、SL ISP下载软件、串口调试软件。 (1)Keil uVision2 IDE集成开发环境

该软件是德国KEIL公司出品的51系列单片机C语言集成开发系统。C语言在语法结构上更加灵活，功能更加强大。 (2)SL ISP软件下载工具

该软件是广州天河双龙电子有限公司推出的一款ISP下载软件，使用该软件可以将可执行文件下载到机器人单片机上。该软件的使用需要计算机有并行接口。 (3)串口天使软件

此软件用来显示单片机与计算机的交互信息。在硬件上，计算机至少要有串行接口或USB接口来与单片机教学板的串口连接。

在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，并采用C语言对AT89S52进行编程，使机器人实现以下4个基本移动任务：安装传感器以探测周边环境；基于传感器信息作出决策；控制机器人运动(通过操作带动轮子旋转的电机)；与用户交换信息。整个机器人系统的设计以单片机为核心，利用了多种电路模块，将软件和硬

件相结合。本系统能实现如下功能：

(1)自动沿预设轨道行驶：机器人在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。 (2)当机器人探测到前进方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。机器人通过障碍区后，能够自动循迹。

(3)机器人能够自动跟随另一个机器人行走，并能够自动调节其距离，使其间距维持在固定数值。

【相关文献】

[1] 吴献钢.智能机器人创新实验的实践与改革[J].实验科学与技术，2008，6(5)：102-104. [2] Espinace,P,Langdon,D,Soto,A.Unsupervised identification of useful visual landmarks using multiple segmentations and top-down feedback.Robot.Auton.Syst.56(6),538-548(2008).

[3] 曹永彦,王培俊,毛茂林,等.实验科学与技术[J].基于单片机的机器人设计与制作，2010,8(1):22-23.

[4] 李团结.机器人技术[M].北京：电子工业出版社,2009.

[5] 吴波,工程创新设计与实践教程[M].北京：电子工业出版社,2010.

[6] 肖晓萍,廖青，李自胜.基于机器人实验教学平台的研制[J].机电产品开与创新，2008(7)：19-21. [7] 董大为，李琳，张铁，等.移动机器人自动循线及避障检测的设计[J].机床与液压，2008(4)：11-13.

[8] 孙丽飞，王法能，王宽仁，等.西安外事学院学报[J].基于单片机的智能巡线机器人的设计与研究,2007,3(1):106-108.

[9] 金文俊，冯浩，华亮.基于超声波传感器的自主移动机器人的探测系统[J].现代电子技术，2008(4):156-158.

[10] Araneda A:统计推论测绘和本地化移动机器人[D].卡内基美伦大学(2004).