基于单片机及传感器机器人设计与实现

1 前言

机器人技术是融合了、、传感器、计算机、人工智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，也普及智能机器人的知识.[1]

开展机器人的制作活动，是培养大学生的创新精神和实践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。

2 机器人要完成的功能

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。

3 硬件设计方案

机器人总体构成

 
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，调压方式原理简单，易与实现。

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状态，实现调速。

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[2]。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。