基于单片机及传感器的机器人设计与实现

技 ｌｉｎｅ， ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｇｏ ａｌｏｎｅ ｔｈｅ ｐａｔｈ ａｌｌ ｂｙ ｉｔｓｅｌｆ． Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｃｈｉｐ ｎａｍｅｄ “Ｈａｌｌ ＩＣ”， ｔｏ ｍｅａｓｕｒｅ ｔｈｅ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｂｙ ｃｏｕｎｔｉｎｇ ｔｈｅ
ｗｈｅｅｌｓ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｈａｓ ｒｕｎ． Ａｎｏｔｈｅｒ ｓｅｎｓｏｒ ｎａｍｅｄ “ａｐｐｒｏａｃｈ ｓｗｉｔｃｈ”ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｍｅｔａｌｓ ｔｈａｔ ｅｍｂｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｔｈ， ａｎｄ ｇｉｖｅ ａｌａｒｍｓ
图 ４ 金属探测电路
如图 ４ 所示， 金属探测器使用一接近开关， 探测有效距离
约为 ４ｍｍ， 将它固定在机器人上， 当 探 测到 金 属 片时 ， 探 测 器输
出端输出低电平， 经反向器后接一发光二极管和一蜂鸣器， 发
出声光指示信号。同时输出反向后接单片机， 对探测到的金属
片个数进行计数。
霍尔元件测距设计
（中国地质大学）王 典 洪 孙 蒙 黄 小 辉 李 琴
ＷＡＮＧ ＤＩＡＮＨＯＮＧ 来自百度文库 ＵＮ ＭＥＮＧ ＨＵＡＮＧ ＸＩＡＯＨＵＩ ＬＩ ＱＩＮ
摘要：本设 计 基 于 单 片 机 及 多 种 传 感 器 ， 完 成 了 一 个 自 主 式 移 动 机 器 人 的 制 作 。单 片 机 作 为 系 统 检 测 和 控 制 的 核 心 ， 实 现 对 机 器 人 小 车 的 智 能 控 制 。反 射 式 红 外 光 电 传 感 器 检 测 引 导 线 ， 使 机 器 人 沿 轨 道 自 主 行 走 ； 使 用 霍 尔 集 成 片 ， 通 过 计 车 轮 转 过 的圈数完成机器人行走路程测量； 接近开关可探测到轨道下埋藏的金属片， 发出声光信息进行指示， 并能实时显示金属片 距起点的位置。 关键词：单片机；机器人；传感器 中图分类号：ＴＰ２４２．６ 文献标识码：Ｂ
机 器人 相 扑 大会 ”、“机 器 人足 球 赛 ”等各 种 类 型的 机 器 人制 作
比赛， 参加者多为学生， 旨在通过大赛全面培养学生的动手能
力、创 造 能 力、合 作 能 力和 进 取 精神 ， 同 时 也普 及 智 能机 器 人 的
知识．
开展机器人的制作活动， 是培养大学生的创新精神和实践
机转速通常采用调压、调磁等方式来实现。其中， 调压方式原理
孙蒙：硕士研究生
简单， 易与实现。
基金项目： 全自主足球机器人目标认知和定位技术研究 （２００５ＡＤＡ２１７）
采用由晶体管组成的 Ｈ 型 ＰＷＭ 调制电路。通过图 ２ 所示 ＰＷＭ 调制 电 路， 用 单 片 机控 制 晶 体 管 使 之 工 作 在 占 空 比 可 调
４ 系统软件流程
系统软件流程如图 ５ 所示。
图 ３ 光电检测转换电路 金属探测部分
《Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
图 ５ 系统软件流程图
５ 结论
本文基于单片机及传感器原理， 以单片机为控制器的核 心， 小型直流电机作为驱动元件， （下转第 ２７５ 页）
邮局订阅号： ８２－９４６ ３６０ 元 ／ 年 － ２４７ －
（收 稿 日 期：２００７．１．２３）（修 稿 日 期：２００７．２．２５）
图 ３ 长线传输终端电路设计原理图 经 过 实 验 发 现 ， 在 数 据 传 输 速 率 为 １５０Ｍｂｐｓ／ｓ 下 ， 当 ＣＹ７Ｃ９５４ＤＸ 直 接 做 点对 点 连 接 时 ， 在 五 类 缆 上 数 据 最 远 只 可 以传送 ４０ 米。而当采用上述电路后， 传输距离可以达到 ９０ 米， 并且误码率保持在 １０－８ 以下。
ＬＣＤ 显示 液晶 显 示器 以 其 微功 耗 、体 积小 、显 示 内容 丰 富 、超 薄 轻 巧
技 术 创 新
的诸多优点， 在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广
泛 的 应用 。？这 里 采 用 ２ 行 １６ 个 字 的 ＤＭ－ １６２ 液 晶 模 块 ， 通 过
与单片机连接， 编程， 完成显示功能。
Ａｂｓｔｒ ａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｄｅｓｉｇｎ ｆｉｎｉｓｈｅｄ ａ ｒｏｂｏｔ ｗｉｔｈ ｍａｎｙ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ ｍａｎｙ ｋｉｎｄｓ ｏｆ ｓｅｎｓｏｒｓ． ８９Ｃ５１ ｉｓ
ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ， ａｃｈｉｅｖｉｎｇ ｔｈｅ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ． Ｒｅｆｌｅｃｔｅｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒｓ ｃａｎ ｄｅｔｅｃｔ ｔｈｅ ｌｅａｄｉｎｇ
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电子设计
接大约 １００Ω的电阻， 是为了实现与长传输线的阻抗匹配。因为 ５ 类 缆 的 特 性 阻 抗 在 １００Ω左 右 ， 变 压 器 的 匝 数 比 为 １：１， 所 以 在变压器的次级仍然用 １００Ω的电阻来满足终端的阻抗匹配。
１０００８０，Ｃｈｉｎａ） ＹＡＮ Ｊ ｉｎｇ－ ｆｕ ＬＩ Ｓｈｕ－ ｑｉｕ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎ （Ｇｒ ａｄｕａｔｅ ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃｅｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ， Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００８０ Ｃｈｉｎａ）ＹＡＮ Ｊ ｉｎｇ－ ｆｕ Ｚｈａｎｇ Ｚｈｅｎ 通讯 地 址：（１０００８０ 北 京 北 京 市 北 四 环 西 路 ２１ 号 中 科 院 声 学 所二部一室）闫景富
２ 机器人要完成的功能
图 １ 机器人总体构成 如图 １ 所示， 以微处理器为核心， 接受传感器传来外部信 息， 进行处理， 控制机器人的运行。 系统电源供电部分 由于机器人电机， 传感器及系统 ＣＰＵ 等 部 分均 采 用＋５Ｖ 供
选取一块光滑地板或木板， 上面铺设白纸， 白纸上画任意 黑色线条（线条 不 要 交叉）， 作 为 机器 人 行 走的 轨 迹 ， 引导 机 器 人 自主行走。纸下沿黑线轨迹随机埋藏几片薄铁片， 铁片厚度为 ０．５～１．０ｍｍ。机 器 人沿 轨 迹 行走 一 周 ， 探测 出 埋 藏 在 纸 下 铁 片 ， 发出声光报警， 并显示铁片距离起点的位置。
霍尔集成片内部由三片霍尔金属板组成， 当磁铁正对金属 板时， 根据霍尔效应， 金属板发生横向导通， 因此可以在车轮上 安装磁片， 而将霍尔集成片安装在固定轴上， 通过对脉冲计数 进行距离测量。小车后轮每转一圈， 霍尔元件产生的脉冲送入 单片机的 Ｔ０ 口进行计数， 单片机完成脉冲数到距离的转换。在 后轮安装一个磁极， 测量误差是一个车轮的周长， 可在软件中 给予补偿。
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《现场总线技术应用 ２００ 例》
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机器人技术
图 ２ 电机驱动电路 令 单 片 机 Ｐ１．７ 口 为 低 电 平 ， Ｐ１．６ 口 为 高 电 平 ， 此 时 Ｑ１、Ｑ４ 导通， Ｑ２、Ｑ３ 截止， 电动机正常工作。改变 Ｐ１．６ 口高电平周期， 即改变 ＰＷＭ 调制脉冲占空比， 可以实现精确调速。脉冲频率对 电机转速有影响， 脉冲频率高连续性好， 但带负载能力差； 脉冲 频率低则反之。经实 验 发 现， 脉 冲 频 率在 ３０Ｈｚ 以 上 ， 电机 转 动 平稳， 但小车行驶时， 由于摩擦力使电机转速降低很快， 甚至停 转 ； 脉 冲 频 率 在 １０Ｈｚ 以 下 ， 电 机 转 动 有 跳 跃 现 象 ， 实 验 证 明 脉 冲频率在 ２５～３５Ｈｚ 效果最佳。我们选取脉冲频率为 ３０Ｈｚ。 引导线检测模块 根据白纸和黑线反射系数不同， 通过以光电传感器为核心 的光电检测电路将路面两种颜色进行区分， 转化为不同电平信 号， 将此电平信号送单片机， 由单片机控制转向电机作相应的 转向， 保证小车沿引导线行驶。考虑到小车与路面的相对位置， 采用反射式光电检测电路。 红外 光 电传 感 器 ＴＣＲＴ１０００， 它是 一 种 光电 子 扫 描， 光 电 二 极 管 发 射 ， 三 极 管 接 收 并 输 出 的 装 置 ．它 的 特 点 是 尺 寸 小 、使 用 方 便 、信 号 高 输 出 、工 作 状 态 受 温 度 影 响 小 。它 的 外 围 电 路 简 单， （如图 ３ 所示）。二极管的 Ｃ 端和三极管的 Ｅ 端接 地 ， 二 极管 的 Ａ 端通过一电阻和电源相接， 组成偏置电流电路； 三极管的 Ｃ 端也通过一电阻和电源相接， 组成输出电路。当检测器检测 到白色时， 其输出低电平； 当检测到黑色时， 则输出高电平。 为提高检测精度， 采用了多传感器信息融合技术。设计中， 在车头均匀布置三个光电传感器， 其中， 中 间 一 个（Ｑ１）安 装 在 小 车 正 中 央。Ｑ１ 的 输 出 经一 级 比 较器 和 非 门 ， 接 单 片 机 的 Ｐ１．３ 脚．Ｑ１ 左右两端分别布置一个传 感 器 ， 经与 图 ３ 相 同的 电 路 后 也连接到单片机 Ｐ１ 口。若两侧某一传感器检测到黑线， 表明小 车正脱离轨道， 将 ３ 个检测点的结果融合后作为单片机的输 入， 机器 人按 照 单 片机 Ｐ１ 口 信 息进 行 判 断调 整 ， 实 现路 径 跟 踪 和自动纠偏。
机器人技术 文章编号：１００８－ ０５７０（２００７）０３－ ２－ ０２４６－ ０２
中 文 核 心 期 刊 《 微 计 算 机 信 息 》（ 嵌 入 式 与 Ｓ ＯＣ ）２００７ 年 第 ２３ 卷 第 ３－２ 期
基于单片机及传感器的机器人设计与实现
Ｄｅ ｓ ｉｇ ｎ ｏ ｆ Ｒｏ ｂ ｏ ｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ Ｓ ｉｎ ｇ ｌｅ Ｃｈ ｉｐ Ｍｉｃｒｏ ｃｏ ｍ ｐ ｕ ｔｅ ｒ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒｓ
术 ｂｏｔｈ ｓｏｕｎｄ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ． ｔｈｅ ｒｏｂｏｔ ｃａｎ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｍｅｔａｌ， ｔｅｌｌ ｕｓ ｈｏｗ ｌｏｎｇ ｉｔ ｉｓ ａｗａｙ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｊｕｍｐｉｎｇ－ ｏｆｆ ｐｏｉｎｔ． Ｋｅｙ Ｗｏｒ ｄｓ：ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ｍｉｃｒ ｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ，ｒ ｏｂｏｔ，ｓｅｎｓｏｒ
电， 考虑电动车功率和车载质量及摩擦阻力问题， 电源我们采用 电动车自带干电池组， 功耗小、体积小和质量轻， 安装较为方便。
电机驱动及 ＰＷＭ 调速部分 机器人需控制在一个合适的速度行驶， 速度太快， 因单片 机 对 各 传 感 器 传 来 的 信 号 有 一 个 响 应 、处 理 时 间 ， 小 车 极 易 偏 离轨道。小车的速度是由后轮直流电机转速控制， 改变直流电
创
新
１ 前言
机 器 人 技 术 是 融 合 了 机 械 、电 子 、传 感 器 、计 算 机 、人 工 智
３ 硬件设计方案
机器人总体构成
能等许多学科的知识， 涉及到当今许多前沿领域的技术。一些
发 达 国 家 已 把 机 器 人 制 作 比 赛 作 为 创 新 教 育 的 战 略 性 手 段 。如
日本每年都要举行诸如 “ＮＨＫ 杯大学生机器人大赛”、“全日 本
５ 结论
尽管 ＨＯＴＬＩＮＫ 系 列产 品 支 持多 种 传 输介 质 ， 包 括双 绞 线 、 同轴电缆以及光纤， 但信号究竟可以在多远的距离下进行可靠 传 输 ， 与 数 据 发 送 端 的 驱 动 能 力 、电 缆 特 性 以 及 接 收 器 特 性 都 有着直接关系， 在接收端采用均衡技术以及变压器隔离技术可 以 大 大 拓 长 信 号 本 来 可 以 传 输 的 距 离 。本 文 作 者 创 新 点 ：详 细 分 析了长传输 线 在 ＨＯＴＬＩＮＫ 系统 中 对 信号 质 量 的影 响 ， 并 且结 合 ＨＯＴＬＩＮＫ 特点， 采 用 有 源自 适 应 均衡 电 路 ， 给出 了 一 种接 口 简 单 、性 能 优 越 的 长 线 终 端 电 路 的 设 计 。 参考文献： ［１］ＡＴＭ ＨＯＴＬｉｎｋ Ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ ＣＹ７Ｃ９５４ＤＸ ｄａｔａｓｈｅｅｔ，２０００ ［２］ＡＴＭ １５５Ｍｂｐｓ ＵＴＰ ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ， Ｍｉｃｒｏ Ｌｉｎｅａｒ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，１９９９ ［３］Ｔｒｕｅ，Ｋｅｎｎｅｔｈ Ｍ．，Ｌｏｎｇ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｌｉｎｅｓ ａｎｄ Ｄａｔａ Ｓｉｇｎａｌ Ｑｕｌｉｔｙ，ＡＮ８０８，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ［４］基 于 ＡＲＭ 的 ＧＰＲＳ 远 程 终 端 设 计 与 实 现，马 少 平 等［Ｊ］《微 计 算机信息》２００６．５，２：Ｐ１１８－ １２０ 作 者 简 介：闫 景 富 ， 男 ， １９７８ 年 １２ 月 出 生 ， 山 西 人 ， 信 号 与 信 息 处 理 专 业博 士 研 究 生 ， 从 事 数 据 传 输 、嵌 入 式 方 面 的 研 究；李 淑 秋 ， 女 ， 研 究 员 ， １９６３ 年 生 ， 从 事 水 声 技 术 方 面 研 究 ；张 震 ， 男 ， １９８１ 年出生， 北京人， 信号与信息处理专业硕士研究生 ， 从 事 嵌 入式系统方面研究 Ｂｉｏｇｒ ａｐｈｙ：ＹＡＮ，Ｊｉｎｇｆｕ（１９７８－ ），ｍａｌｅ，ｐｈｄ． Ｃａｎｄｉｄａｔｅ， ｍａｊｏｒｉｎｇ ｉｎ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｄａｔａ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅｓｅａｒｃｈ；ＬＩ， Ｓｈｕｑｉｕ （１９６３ － ），ｆｅｍａｌｅ， ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ ｐｒｏｆｅｓｓｏｒ，ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｕｎｄｅｒｗａｔｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｒｅｓｅａｒｃｈ； ＺＨＡＮＧ Ｚｈｅｎ （１９８１－ ），ｍａｌｅ ，ｍａｓｔｅｒ ｃａｎｄｉｄａｔｅ，ｍａｊｏｒｉｎｇ ｉｎ ｓｉｇｎａｌ ａｎｄ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，ｄｅｄｉｃａｔｅｄ ｉｎ ｅｍｂｅｄｄｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｒｅ－ ｓｅａｒｃｈ． （１０００８０ 北京 中国科学院声学所）闫景富 李淑秋 张 震 （１０００８０ 北京 中国科学院研究生院）闫景富 张 震 （Ｉｎｓｔｉｔｕｅ ｏｆ Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃｅｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ
能力的最佳实践活动之一， 特别是机电专业学生开展综合知识
训 练 的 最 佳 平 台 。本 文 针 对 具 有 引 导 线 环 境 下 的 路 径 跟 踪 这 一 热点问题， 基于单片机控制及传感器原理， 通过硬件电路制作 和软件编程， 制作了一个机器人， 实现了机器人的路径跟踪和 自动纠偏的功能， 并能探测金属， 实时显示距离。