引 言

    單片機技術作為自動控制技術的核心之一，被廣泛應用于工業(yè)控制、智能儀器、機電產(chǎn)品、家用電器等領域。隨著微電子技術的迅速發(fā)展，單片機功能也越來越強大，本設計基于單片機技術、紅外技術完成智能機器人控制系統(tǒng)設計。智能機器人研究在當前機器人研究領域具有十分突出的地位, 其顯著的特點是具有環(huán)境感知、判斷決策、人機交互等功能[1]。本智能機器人系統(tǒng)主要實現(xiàn)了步行、跟蹤、避障、步伐調(diào)整、語音、聲控、液晶顯示，地面探測等功能。在遇到外界條件發(fā)生變化時，該機器人將采取不同的措施對待，較好地表現(xiàn)出該機器人的思考能力。

1 智能機器人簡介

1.1 系統(tǒng)框圖

該智能機器人控制系統(tǒng)采用兩片AT89C51[2]控制，一片單片機MCU1用于整個系統(tǒng)的控制，另一片單片機MCU2用于驅動液晶屏LCM1602工作，它們之間通過I/O口通訊，以實現(xiàn)兩片單片機共同工作的相互協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)框圖[3]如圖1所示。

圖1 機器人控制系統(tǒng)結構圖

設計中，MCU1的P1.0、P1.3分別接觸覺傳感器，P1.6-P1.7接視覺紅外傳感器，P2.0-P2.4口控制繼電器驅動電路，P2.5口接地面探測傳感器，P2.6-P2.7接步伐校正光耦器，P3.0-P3.5接ISD25120語音芯片。

1.2 實現(xiàn)功能

機器人在移動過程中，會發(fā)出語音提示：“目標搜索中”，同時液晶顯示：“Target is in searching”；前進過程中發(fā)現(xiàn)目標，語音提示：“發(fā)現(xiàn)目標”；液晶顯示：“Find object”，機器人自動向該目標轉向；對準目標后，語音提示：“鎖定目標”，液晶顯示：“Lock it”，同時機器人向目標繼續(xù)前進；如機器人撞上目標，語音提示：“前方有障礙物”，液晶顯示：“Obstacles impending”，機器人根據(jù)觸角碰撞的先后順序，向該相反的方向轉角約100度，繼續(xù)前進；當前方地面出現(xiàn)斷層，語音提示：“危險，前方地面有斷層”，液晶顯示：“Warning，fault ahead”，同時機器人會向后退幾步，轉向后繼續(xù)前進；如果機器人在轉向過程中，步伐錯亂，便會自動執(zhí)行步伐調(diào)整程序，以校正步伐。

2 系統(tǒng)設計

2.1 驅動電路

要想讓機器人有穩(wěn)定行走能力，需要選擇穩(wěn)定的電動機驅動系統(tǒng)。本設計利用三極管放大作用對單片機I/O口電流進行放大，驅動繼電器控制電動機轉動。且不會對輸入電流有任何影響，完全可以給電動機提供大電流，保證電路工作穩(wěn)定。

電動機驅動電路采用兩個NPN管對單片機AT89C51的I/O口輸出電流信號放大，利用電阻R19、R20作為三極管基極進行保護。當單片機I/O口有信號輸出時，該電流經(jīng)電阻后送入第一級三極管基極，使第一級三極管導通，導通電流經(jīng)電阻送入第二個三極管基極，進一步放大電流，以達到繼電器驅動電流。根據(jù)計算，送入繼電器的電流是經(jīng)過兩極放大電路放大了約β2倍，9014在此做開關作用。經(jīng)過兩級放大后驅動繼電器。如圖2所示。

圖2 電機驅動電路原理圖

每個繼電器相當于一個單刀雙擲開關，由此，兩個單刀雙擲開關，組成電動機正反轉控制電路，實現(xiàn)機器人前進、后退動作。

2.2 視覺電路

在此設計中，我們僅要求機器人發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標，不需要識別目標。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機器人的視覺功能，檢測機器人前方是否有目標。該功能的實現(xiàn)采用的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器[4]。TX05D常用的紅外反射式接近開關，它內(nèi)部有一紅外線發(fā)射管和一紅外線接收管。發(fā)射管發(fā)出紅外線，如果其正前方?jīng)]有物體，那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當前方出現(xiàn)物體時，紅外線信號經(jīng)過物體被反射了回來，這時接收管接收到信號，向單片機發(fā)出高電平信號，以告知單片機其前方出現(xiàn)障礙物。

兩個紅外線傳感器安裝在機器人前方的兩側，在機器人工作時，兩個傳感器始終向外發(fā)射紅外線探測信號，當其中一個傳感器接收到反饋信號時，便向單片機發(fā)出高電平信號，告知單片機該方向發(fā)現(xiàn)目標，單片機經(jīng)過判斷后，控制電動機向該方向轉向，以實現(xiàn)跟蹤功能。當兩個傳感器都感應到目標時，機器人便向著目標直著前進，直到撞上目標。

2.3 步伐調(diào)整電路

當機器人在前進過程中，如果電機轉速不一致或者在轉向過程中打亂了步伐，這時便會啟動步伐調(diào)整功能，該功能是利用兩個光耦來完成的。在機器人腿部，裝有兩片通過光耦的擋片，當機器人正常行走時，擋片會交替的打開和關閉光耦。如果兩個光耦的狀態(tài)始終不相同。那么就說明該機器人步伐正常。當光耦狀態(tài)出現(xiàn)相同時，說明機器人步伐錯亂，需要校正步伐。這時便會隨機停下一條“腿”，等另一條“腿”走在合適位置，即光耦狀態(tài)相反時，再作出同步前進。電路如圖3所示。

2.4顯示電路

本功能主要實現(xiàn)了人機交互的視覺平臺。本設計采用LCM1602液晶顯示模塊，該模塊是最常用的英文顯示模塊，它內(nèi)部含有英文字庫，使用方便，價格便宜。液晶顯示功能是配合語音功能共同使用的附加功能，它的作用就是可以顯示當前的狀態(tài)，以實現(xiàn)機器人的人機交互顯示功能。

LCM1602是一種16字×2行的字符型液晶模塊[5]，主要有總線連接方式和模擬口連接方式。本設計采用的是模擬口連接方式，它和前者相比，電路更加簡潔。在該電路中，P1口給顯示屏輸送數(shù)據(jù)，P3.0到P3.2則控制向該顯示屏讀寫數(shù)據(jù)的狀態(tài)。VL管腳過1K電阻接地，作用是限制液晶顯示的色度深淺。BLA和BLK則是背光燈電源接口。電路如圖4所示。

圖4 顯示電路原理圖
 

設計中，P2口則是用于與MCU1通訊，它始終監(jiān)控著MCU1的狀態(tài)，以保持顯示內(nèi)容和語音同步。

2.5 語言電路

為了確保操作的無誤性，運用聲音進行第二重提示，本系統(tǒng)用到的ISD25120語音芯片是美國ISD公司生產(chǎn)的高保真錄放一體化的單片固態(tài)語音集成電路，錄放時間為120秒，可運行多段信息處理，可反復錄音十萬次[6]，并且ISD25120使用時不需要考慮如何驅動語音芯片，只需要直接用51控制該語音電路的觸發(fā)時間，播放出事先錄好的聲音文件，以實現(xiàn)機器人說話這個功能。電路如圖5所示。

圖5 語音電路原理圖
 

2.6 亞超聲接收電路

機器人上面裝有一個亞超聲接收模塊，當接收到外部的亞超聲，機器人會做出停止和運行動作，以實現(xiàn)機器人的聽覺功能。該部分的實現(xiàn)采用了成品的亞超聲接收板，在設計中，將其輸出的信號經(jīng)過光電開關轉換成可以觸發(fā)單片機I/O口的低電平開關信號，以告知單片機目前亞超聲開關的狀態(tài)。電路如下圖6所示。

圖6 亞超聲接收電路原理圖

3 總結

本機器人系統(tǒng)設計在一定程度上模擬了人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的思考能力，又在一定程度上實現(xiàn)了一個機器人最基本的人機交互顯示功能，但新的需求和任務也對機器人的性能提出了更高的要求[7]。本系統(tǒng)利用雙單片機通訊較好地處理了各傳感器之間的協(xié)調(diào)問題，以及傳感器之間的優(yōu)先響應問題。