基于单片机的机器人用红外测距仪系统设计 (1)

第37卷第4期应用科技V o.l 37, .42010年4月Appli ed Sc i ence and T echno l ogyA pr .2010do :i 10.3969/.j issn .1009-671X.2010.04.003基于单片机的机器人用红外测距仪系统设计唐秦崴,瞿哲奕,朱熀秋(江苏大学电气信息工程学院,江苏镇江212013)摘 要:针对机器人智能倒车防护的问题,提出了以单片机AT 89S52为控制核心,采用红外测距技术设计机器人用红外测距仪系统,由单片机处理环境信息,红外测距仪发出停车提示或直接执行停车,不需要驾驶员亲自根据信息作判断,具有显著的智能化.论文采用红外管和AT 89S52单片机,设计和制作了红外测距仪系统硬件电路,并且开发了相关软件.试验表明:研制的基于单片机的红外测距仪,机器人停车时距预期位置最大误差不超过4c m,工作可靠,性能良好,确保机器人倒车的智能性和稳定性.关键词:单片机;机器人;红外测距仪;系统设计中图分类号:TP273.4 文献标识码:A 文章编号:1009-671X (2010)04-0011-04Desi gn of i nfrared range fi nder syste m for a robotbased on a si ngle chip m icroco mputerTANG Q in w e,i QU Zhe y,i Z HU Huang qiu(Schoo l of E lectrica l and In f o r m ati on Eng i neer i ng ,Jiangsu U niversit y ,Zhenjiang 212000,Ch i na)A bstract :A i m i n g at the proble m of r obot inte lligent par k i n g pr o tecti o n ,an i n frared range fi n der is designed by using the i n frared rang i n g techno logy for par k i n g syste m based on a si n g le ch ip m icr oco mputer AT89S52.The i n fra red range finder can send out par k i n g si g na lpro m ptly or execute parking directly .The driver does not need to j u dge infor m ati o n by h i m se l;f t h e i n for m ati o n is processed by a sing le ch i p m icroco m puter AT89S52,and t h e infrared range fi n der has disti n ct i n telli g ent f u nction.This paper i n troduces t h e soft w are and har dw are c ircuits o f an infrared range finder parking syste m ,w hich are designed and deve l o ped w it h an infrared tube and a si n g le ch i p m i c roco m puter .The experi m ental resu lts have shown that the i n frared range based on a si n g le chip m icroco m puter operates reliab l y and m easures exactl y ,having good perfor m ance w ith the m ax i m um error of no tm ore than 4c m,thus the robo ts 'i n telli g ence and stab ility are i n sured.K eywords :si n g l e ch i p m icroco m puter ;robo ;t i n frared range finder ;syste m desi g n收稿日期:2009 12 03.项目基金:国家高技术研究发展计划基金资助项目(2007AA04Z213);江苏省高等学校大学生实践创新训练计划基金资助项目(2008 297).作者简介:唐秦崴(1986 ),男,大学本科,主要研究方向:机器人编程及硬件制作,E m ai:l tqw86107@yahoo .co .机器人智能倒车防护有利于机器人安全可靠运行.目前投入应用的机器人智能倒车防护技术主要有2种:一种是车载雷达(超声波技术)测距倒车防护[1-4];一种是摄像头视觉防护[5-6].车载雷达测距十分精确,智能化程度较高,但造价较为昂贵;摄像头视觉防护虽然可以让驾驶员实时获取身后的环境信息,但对距离的测量则仍需要外加其他设备的辅助,驾驶员仍然需要亲自通过肉眼判断身后的情况,智能化有所不足.基于红外管以及单片机技术的机器人用测距仪采用单片机独立处理环境信息并发出停车提示或直接执行停车,不需要驾驶员亲自根据信息作判断,能够实现智能化防护提示或停车.采用的红外技术虽然在精准度上不及超声波技术,但对于机器人已经足够,并且对突然出现的行人的敏感度不亚于超声波技术,所以拥有同超声波技术同等的安全性.同时由于红外发射、接受装置以及使用的AT89S52单片机芯片成本低廉,本系统较雷达测距仪更易于商业推广.1 系统硬件设计机器人用红外测距仪系统由3大部分组成:4路红外发射装置以及红外接收装置,实现汽车尾部左后、左中、右中和右后方向的障碍物检测;声光报警电路,实现停车报警;单片机及其开发板组成的控制电路,实现针对获得的障碍物检测信息进行判断和决策.系统硬件框图如图1所示.试验时使用的机器人及单片机板如图2所示.图1系统硬件框图图2 机器人及单片机板1.1 控制电路采用AT89S52作为控制器[7~10].由其构成的测量控制系统电路简单、体积轻巧、可靠性高、编程方便.硬件电路框图如图3所示.图3 硬件电路框图单片机的P2.1编程为输出口,输出38.4k H z 方波,持续0.8m s .使用的红外探测器对38.5k H z 的红外光最为敏感,经过实验得到在输出38.4k H z 的红外光时,红外探测器的障碍物判断距离为41c m.实际的产品中可以通过选择其他的红外探测器的型号来获取更远或者更近的障碍物判断距离.单片机的P1.2至P1.5编程为输入口.外接电路连接红外探测器,获取检测障碍物的信息.单片机的P2.2编程为输出口,外接电路连接蜂鸣器,实现蜂鸣器的报警提示;P2.3至P2.6也编程为输出口,外接电路连接指示灯,实现指示灯的报警提示.1.2 红外发射和接收装置1.2.1 红外发射电路4路红外发射电路的结构完全相同,并且并联在P2.1口上,由P2.1口输出38.4k H z 的方波信号.控制所连的8550三极管通断,从而实现红外发射管发出38.4kH z 的红外光.1.2.2 红外接收电路4路红外接收电路结构也完全相同,只是分别连接到P1.2、P1.3、P1.4和P1.5这4个端口上,分别接受各红外探测器的检测情况.12 应 用 科 技 第37卷1.3 声光报警电路1.3.1 蜂鸣器报警电路声音报警是非常有效的报警方式.本电路采用的是最为简单实用的蜂鸣器实现报警.蜂鸣器报警硬件实现简单,工作十分可靠,编程也非常容易实现.当接收到控制器发过来的报警信号(P2.2口输出变为低电平并维持1s)时,蜂鸣器导通发声.1.3.2 指示灯报警电路指示灯报警也是非常有效的报警方式.其硬件实现非常简单,也十分可靠.编程与蜂鸣器实现类似.4个指示灯分别对应4个红外探测器,当需要报警时,P2.3口会输出幅值为5V 的矩形波,持续3s ,使指示灯持续闪烁3s 报警.2 系统软件设计系统使用的控制芯片是AT M EL 公司的AT89S52.这是一款高性能、低功耗的8位单片机,与MCS-51单片机产品兼容.内含8KB I SP 可反复擦写1000次的FL ASH 只读程序存储器.具有32个可编程I/O 口线、3个16位定时器或计数器、8个中断源、全双工UART 串行通道.软件编写和调试都十分方便.图4 主程序程序由主程序(图4)、中断服务程序(图5)、发送及状态读取子程序(图6)和决策子程序(图7)组成.先由主程序进行系统初始化,然后调用发送及状态读取子程序发射定频率的红外光,并将4个红外探测器的状态读进来.接着调用决策子程序针对各种状态进行是否报警以及蜂鸣器发声和相应指示灯闪烁的判断及执行.4个指示灯分别对应左后、左中、右中、右后4个红外探测器.中断服务程序为定时器0的计时溢出中断,作用是定时对发射口进行取反,以实现发出固定频率的红外光.图5中断服务程序图6发射及状态读取子程序图7 决策子程序3 试验结果试验采用欧鹏科技有限公司研制的针对AT89S52的最小系统板和 轮式宝贝机器人 作为硬件构架,使用自主研发的机器人用红外测距仪系统板实现红外信号的发射、采集与报警等功能.宝贝机器人如图8所示.13 第4期唐秦崴,等:基于单片机的机器人用红外测距仪系统设计图8 带有红外测距仪的宝贝机器人经过多次试验,试验效果良好,机器人能够在自制的小型车库中进行较为准确的自动停车并报警.停车时与车库壁的距离在37~43c m,试验结果接近预期的距离41c m,最大误差不超过4c m.4 结束语针对机器人智能倒车的防护问题,设计了文中提出的红外测距仪系统.研制的机器人用红外测距仪系统可以安装到实际汽车中,既降低了智能机器人的成本,又极大地提高了倒车时的安全性.参考文献:[1]陆 军,米文龙,朱齐丹,等.超声波测距系统在移动机器人中的设计与应用[J].电子技术应用,2007,6:8587.[2]邱瑞昌,姜久春.泊车用超声波测距仪的研制[J].电子产品世界,2001(9):11 13.[3]曾德怀,谢存禧,张 铁,等.行走机器人的超声波测距系统的研究[J].机械科学与技术,2004,23(5):613 616.[4]孙牵宇,童 峰,许肖梅.一种大角度范围的高精度超声波测距处理方法[J].厦门大学学报:自然科学版,2006,45(4):513 517.[5]彭 刚,黄心汉,王 敏,等.基于视觉引导和超声测距的运动目标跟踪和抓取[J].高技术通讯,2002(6):74 79.[6]祝 琨,杨唐文,阮秋琦,等.基于双目视觉的运动物体实时跟踪与测距[J].机器人,2009,31(4):327 334.[7]秦志强.C51单片机应用与C语言程序设计[M].北京:电子工业出版社,2007.[8]赵德安.单片机原理与应用[M].北京:机械工业出版社,2005.[9]邵贝贝.单片机嵌入式应用的在线开发方法[M].北京:清华大学出版社,2004.[10]高国琴.微型计算机控制技术[M].北京:机械工业出版社,(上接第10页)参考文献:[1]曾菊荣.用改进电桥测量高值电阻[J].宜春学报,2006(6):105 106.[2]白雪冰,张佳薇,赵真非.智能化木材含水率自动测试系统的开发[J].木材工业,2006(3):35 37.[3]符时明.用数字式冲击电流计测高电阻[J].物理与工程,2005(1):35 38.[4]郑会忠,晏春红.高值电阻测量的分析[J].唐山师范学院学报,2007(9):14 16.[5]张廷成,张 磊,王政平.模拟积分器在电子式电流互感器中的应用与分析[J].应用科技,2008(5):56 58. 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