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1、本科生毕业论文（设计）论文（设计）题目：基于单片机的机器人探讨 基于单片机的机器人技术的探讨摘 要 机器人技术代表一个国家的综合国力，我国也非常重视，经常派代表参加国外或组织国内的机器人竞赛。由亚广联（ABU）倡导举办的机器人电视大赛在中国赛区的主题是鹊桥相会。机器人技术对科学技术发展和对人类社会进步的巨大推动作用, 在2l世纪必将得到越来越大的发展,特别是将成熟的单片机技术应用于机器人技术以提高机器人智能性方面的研究一直是一个活跃的研究领域，但我国在这方面的研究相对滞后。本文主要论述，第一机器人的发展历史、机器人的发展趋势、机器人的核心技术。第二单片机的发展史、单片机的定义、单片机的用途。第
2、三单片机技术在机器人中的应用。关键词：机器人 单片机 智能机器人Probing into the Robot Technology Basing on SCMAbstractRobot technology stands for a countrys national power. Our country shows much attention to this, and usually dispatches delegation to attend international robot contest. The main theme in China of Asia-Pacific Rob
3、ot Contest held by ABU is meeting on the magpie bridge. According to the rule of the contest, the task of the robot is analyzed, and it mainly includes eight items: course identification, space orientation, environment identification, error correction, speed control, auto decision, inside detection
4、and object seizing. A hardware scheme of the robot is designed, and feasible research is done from the following four aspects: first, this paper uses the sensor theory and an experimental program of sensor to prove the feasibility of single-chip controlling the sensor. Second, it uses an experiment
5、on motor to check the feasibility of single-chip controlling driving motor. Third, it analyzes whether the robot can keep balance from the balance viewpoint. Fourth, it deduces that the robot can catch the object from atmospheric pressure.Keyword: Automatic Robot Single-chip Motor目 录一、前言1二、机器人3（一）机器
6、人的发展31、机器人的发展史32、机器人的发展现状73、发展趋势8（二）机器人的应用领域10（三）机器人的核心技术12三、单片机12（一）单片机的发展史12（二）单片机的定义13（三）单片机介绍14四、单片机技术在机器人中的应用16（一）单片机技术在机器人视觉系统中的应用17（二）单片机技术在机器人运动系统中的应用18（三）单片机在智能机器人设计中的应用19五、结论26参考文献27致谢28基于单片机的机器人探讨一、前言 机器人工程是一门综合性的学科，它集工程力学、机械制造、电子技术、技术科学、自动控制等为一体。机器人技术的发展，是一个科学技术发展的一个综合性的结果，也是对社会经济发展产生重大影
7、响的一门科学技术。 机器人技术的发展把我们从危险和枯燥中解脱出来。机器人技术已经被开发用于处理核能和放射性化学制品的很多不同用途，包括核武器、电厂、环境清洁和某些药品的处理。机器人也用于执行很多乏味、不愉快但必需的任务，如焊接和看门工作。另外机器人还可用于干人干不了的活，比方说人们对太空的认识，人上不的时候，叫机器人上天，上月球，以及到海洋，进入到人体的小机器人，还有在微观环境下，对原子分子进行搬迁的机器人，都是人们不可达的工作。 其次，发展机器人技术可以提高国防实力。在海湾战争、波黑战争、科索沃战争中，各种无人机和地面军用机器人系统在战场侦察、探雷排雷、监视、通讯中继、电子对抗、火力导引、战
8、果评估、骚扰、攻击等方面都起了特殊的作用。鉴于高新技术对未来战争的指挥系统、战场环境将产生重大影响。另外，机器人可以形成一个巨大的产业。尽管目前发展相对成熟的只有工业机器人，但从世界机器人的发展趋势看，服务机器人、个人机器人具有巨大的市场潜力，可以预见，个人机器人将会像个人电脑一样走进千家万户，成为揉社会必不可少的生活用品。 近年来本等开发了多种可以应用于常生活里的机器人。例如在电视上频频露面的类人型机器人ASIMO（由日本田开发）。2007年8月，ASIMO随日本首相访问捷克，开始了它的“外交”之路。SONY亦不甘落后，先是开发了风靡全球的AIBO机器狗，后来又推出拎人型机器人SDR-4X。
9、美国一家公司开发了一种iBot自动平衡轮椅，并已经获得FDA的认证。这种轮椅可以为残疾人的行动带来更多的便利，将为他们的生活带来革命性的变化。 机器人技术成了科技经济的必争之地，世界各国都非常重视机器人技术的开发与研究。目前本继前两个机器人计划“极限作业机器人”计划和“微机械技术”开发计划之后，正在实施第三个“人型机器人”计划；美国仅花在无人机上的费用就已达25亿美元。我国政府也非常重视机器人的研究，早在“七五”期间就开始了工业机器人和水下机器人攻关计划，并取得了一定的成绩。1986年，国家“863”计划将智能机器人列入其中。经过十几年的艰苦奋斗，从跟踪世界先进水平到自主开发，取得了举世瞩目的
10、成果。例如，我国在争取公海海域优先开采权的过程中，由国家“863”计划研制的6000米水下无缆自治机器人系统先后两次出海，获得了海底锰结核分布的珍资料，使我国成为世界上少数几个具有深海探测能力的国家之一。 我国对培养机器人时代所需要的人才也非常重视。近几年来，我国举办了多次机器人大赛，也派队伍参加许多国际性的竞赛，比如机器人足球、机器人灭火、机器人走迷宫、机器人相扑等等。二、机器人（一）机器人的发展1、机器人的发展史“机器人”一词起源于捷克语，意为强迫劳动力或奴隶。这个词是由剧作家Karel Capek引入的，他虚构创作的机器人很象 Frankenstein 博士的怪物由化学和生物学方法而不是
11、机械方法创造的生物。 美国：美国是机器人的诞生地，早在1962年就研制出世界上第一台工业机器人，比起号称机器人王国的日本起步至少要早五六年。经过30多年的发展，美国现已成为世界上的机器人强国之一，基础雄厚，技术先进。综观它的发展史，道路是曲折的，不平坦的。尽管美国在机器人发展史上走过一条重视理论研究，忽视应用开发研究的曲折道路，但是美国的机器人技术在国际上仍一直处于领先地位。其技术全面、先进，适应性也很强。具体表现在：（1）性能可靠，功能全面，精确度高；（2）机器人语言研究发展较快，语言类型多、应用广，水平高居世界之首；（3）智能技术发展快，其视觉、触觉等人工智能技术已在航天、汽车工业中广泛应
12、用；（4）高智能、高难度的军用机器人、太空机器人等发展迅速，主要用于扫雷、布雷、侦察、站岗及太空探测方面。 英国：早在1966年，美国Unimation公司的尤尼曼特机器人和AMF公司的沃莎特兰机器人就已经率先进入英国市场。1967年英国的两家大机械公司还特地为美国这两家机器人公司在英国推销机器人。接着，英国 Hall Automation公司研制出自己的机器人RAMP。70年代初期，由于英国政府科学研究委员会颁布了否定人工智能和机器人的Lighthall报告，对工业机器人实行了限制发展的严厉措施，因而机器人工业一蹶不振，在西欧差不多居于末位。但是，国际上机器人蓬勃发展的形势很快使英政府意识到
13、：机器人技术的落后，导致其商品在国际市场上的竞争力大为下降。于是，从70年代末开始，英国政府转而采取支持态度，推行并实施了一系列支持机器人发展的政策和措施，如广泛宣传使用机器人的重要性、在财政上给购买机器人企业以补贴、积极促进机器人研究单位与企业联合等，使英国机器人开始了在生产领域广泛应用及大力研制的兴盛时期。 法国：法国不仅在机器人拥有量上居于世界前列，而且在机器人应用水平和应用范围上处于世界先进水平。这主要归功于法国政府一开始就比较重视机器人技术，特别是把重点放在开展机器人的应用研究上。 德国：德国工业机器人的总数占世界第三位，仅次于日本和美国。这里所说的德国，主要指的是原联邦德国。它比英
14、国和瑞典引进机器人大约晚了五六年。其所以如此，是因为德国的机器人工业一起步，就遇到了国内经济不景气。但是德国的社会环境却是有利于机器人工业发展的。因为战争，导致劳动力短缺，以及国民技术水平高，都是实现使用机器人的有利条件。到了70年代中后期，政府采用行政手段为机器人的推广开辟道路；在“改善劳动条件计划”中规定，对于一些有危险、有毒、有害的工作岗位，必须以机器人来代替普通人的劳动。这个计划为机器人的应用开拓了广泛的市场，并推动了工业机器人技术的发展。日尔曼民族是一个重实际的民族，他们始终坚持技术应用和社会需求相结合的原则。除了像大多数国家一样，将机器人主要应用在汽车工业之外，突出的一点是德国在纺
15、织工业中用现代化生产技术改造原有企业，报废了旧机器，购买了现代化自动设备、电子计算机和机器人，使纺织工业成本下降、质量提高，产品的花色品种更加适销对路。到1984年终于使这一被喻为快完蛋的行业重新振兴起来。与此同时，德国看到了机器人等先进自动化技术对工业生产的作用，提出了1985年以后要向高级的、带感觉的智能型机器人转移的目标。经过近十年的努力，其智能机器人的研究和应用方面在世界上处于公认的领先地位。 俄罗斯：在前苏联，从理论和实践上探讨机器人技术是从50年代后半期开始的。到了50年代后期开始了机器人样机的研究工作。1968年成功地试制出一台深水作业机器人。1971年研制出工厂用的万能机器人。
16、早在前苏联第九个五年计划（1970年1975年）开始时，就把发展机器人列入国家科学技术发展纲领之中。到1975年，已研制出30个型号的120台机器人，经过20年的努力，前苏联的机器人在数量、质量水乎上均处于世界前列地位。国家有目的地把提高科学技术进步当作推动社会生产发展的手段，来安排机器人的研究制造；有关机器人的研究生产、应用、推广和提高工作，都由政府安排，有计划、按步骤地进行。 中国：有人认为，应用机器人只是为了节省劳动力，而我国劳动力资源丰富，发展机器人不一定符合我国国情。这是一种误解。在我国，社会主义制度的优越性决定了机器人能够充分发挥其长处。它不仅能为我国的经济建设带来高度的生产力和巨
17、大的经济效益，而且将为我国的宇宙开发、海洋开发、核能利用等新兴领域的发展做出卓越的贡献。我国已在“七五”计划中把机器人列人国家重点科研规划内容，拨巨款在沈阳建立了全国第一个机器人研究示范工程，全面展开了机器人基础理论与基础元器件研究。十几年来，相继研制出示教再现型的搬运、点焊、弧焊、喷漆、装配等门类齐全的工业机器人及水下作业、军用和特种机器人。目前，示教再现型机器人技术已基本成熟，并在工厂中推广应用。我国自行生产的机器人喷漆流水线在长春第一汽车厂及东风汽车厂投入运行。1986年3月开始的国家863高科技发展规划已列入研究、开发智能机器人的内容。就目前来看，我们应从生产和应用的角度出发，结合我国
18、国情，加快生产结构简单、成本低廉的实用型机器人和某些特种机器人。 日本：日本在60年代末正处于经济高度发展时期，年增长率达11。第二次世界大战后，日本的劳动力本来就紧张，而高速度的经济发展更加剧了劳动力严重不足的困难。为此，日本在1967年由川崎重工业公司从美国Unimation公司引进机器人及其技术，建立起生产车间，并于1968年试制出第一台川崎的“尤尼曼特”机器人。日本政府的一系列扶植政策，使日本机器人产业迅速发展起来，经过短短的十几年，到80年代中期，已一跃而为“机器人王国”，其机器人的产量和安装的台数在国际上跃居首位。按照日本产业机器人工业会常务理事米本完二的说法：“日本机器人的发展经
19、过了60年代的摇篮期，70年代的实用期，到80年代进人普及提高期。”并正式把1980年定为“产业机器人的普及元年”，开始在各个领域内广泛推广使用机器人。2、机器人的发展现状随着计算机技术、微电子技术、网络技术等的快速发展，机器人技术也得到了迅猛发展。除了工业机器人水平不断提高之外，各种用于非制造业的先进机器人系统也有了很大的进展。 国际上，工业机器人的发展呈以下特点：(1) 通过有限元分析、模态分析及仿真设计等现代设计方法的运用,国外机器人操作机已实现了优化设计。(2) 通过采用并联机器人机构,实现高精度测量及加工,这是机器人技术向数控技术的拓展,为将来实现机器人和数控技术一体化奠定了基础。
20、(3) 控制系统性能进一步提高,已由过去控制标准的6 轴机器人发展到现在能够控制21 轴甚至27 轴,并且实现了软件伺服和全数字控制,人机界面更加友好,基于图形操作的界面也已问世,在某些领域的离线编程已实现实用化。激光传感器、视觉传感器和力传感器在机器人系统中已得到成功应用,大大提高了机器人的作业性能和对环境的适应性。(4) 许多新产品具有网络通信功能,使机器人由过去的独立应用向网络化应用迈进了一大步,也使机器人由过去的专用设备向标准化设备发展了一大步。(5) 由于微电子技术的快速发展和大规模集成电路应用,使机器人系统的可靠性有了很大提高。 国内机器人的发展状况：从80 年代开始至今,我国已基
21、本掌握了机器人操作机的设计制造技术、控制系统硬件、软件设计技术、运动学和轨迹规划技术,生产了部分机器人关键元器件,开发出用于喷漆、弧焊、点焊、装配、搬运等机器人。但总的来看,我国的工业机器人技术及其工程应用的水平和国外比还有一定的距离。3、发展趋势工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修），而单机价格不断下降，平均单机价格从91年的103万美元降至97年的65万美元。 机械结构向模块化、可重构化发展。例如关节模块中的伺服电机、减速机、检测系统三位一体化；由关节模块、连杆模块用重组方式构造机器人整机；国外已有模块化装配机器人产品问市。工业机器人控制系统向基于PC机的开放型
22、控制器方向发展，便于标准化、网络化；器件集成度提高，控制柜日见小巧，且采用模块化结构；大大提高了系统的可靠性、易操作性和可维修性。机器人中的传感器作用日益重要，除采用传统的位置、速度、加速度等传感器外，装配、焊接机器人还应用了视觉、力觉等传感器，而遥控机器人则采用视觉、声觉、力觉、触觉等多传感器的融合技术来进行环境建模及决策控制；多传感器融合配置技术在产品化系统中已有成熟应用。虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控
23、加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段。美国发射到火星上的“索杰纳”机器人就是这种系统成功应用的最著名实例。机器人化机械开始兴起。从94年美国开发出“虚拟轴机床”以来，这种新型装置已成为国际研究的热点之一，纷纷探索开拓其实际应用的领域。（二）机器人的应用领域 （1）水下机器人：美国的AUSS、俄罗斯的MT-88、法国的EPAVLARD等水下机器人已用于海洋石油开采，海底勘查、救捞作业、管道敷设和检查、电缆敷设和维护、以及大坝检查等方面，形成了有缆水下机器人（remote operated vehicle）和无缆水下机器人（autonomous under
24、 water vehicle）两大类。 （2）空间机器人：空间机器人一直是先进机器人的重要研究领域。目前美、俄、加拿大等国已研制出各种空间机器人。如美国NASA的空间机器人Sojanor等。Sljanor是一辆自主移动车，重量为11.5kg，尺寸63048mm，有6个车轮，它在火星上的成功应用，引起了全球的广泛关注。 （3）核工业用机器人：国外的研究主要集中在机构灵巧，动作准确可靠、反应快、重量轻、刚度好、便于装卸与维修的高性能伺服手，以及半自主和自主移动机器人。已完成的典型系统，如美国ORML基于机器人的放射性储罐清理系统、反应堆用双臂操作器，加拿来大研制成功的辐射监测与故障诊断系统，德国的
25、C7灵巧手等。 （4）地下机器人：地下机器人主要包括采掘机器人和地下管道检修机器人两在类。主要研究内容为：机械结构、行走系统、传感器及定位系统、控制系统、通信及遥控技术。目前日、美、德等发达国家已研制出了地下管道和石油、天然气等大型管道检修用的机器人，各种采机器人及自动化系统正在研制中。 （5）医用机器人：医用机器人的主要研究内容包括：医疗外科手术的规划与仿真、机器人辅助外科手术、最小损伤外科、临场感外科手术等。美国已开展临场感外科（telepresence surgery）的研究，用于战场模拟、手术培训、解剖教学等。法、英、意、德等国家联合开展了图像引导型矫形外科（telematics）计划
26、、袖珍机器人（biomed）计划以及用于外科手术的机电手术工具等项目的研究，并已取得一些卓有成效的结果。 （6）建筑机器人：日本已研制出20多种建筑机器人。如高层建筑抹灰机器人、预制件安装机器人、室内装修机器人、地面抛光机器人、擦玻璃机器人等，并已实际应有和。美国卡内基梅隆重大学、麻省理工学院等都在进行管道挖掘和埋设机器人、内墙安装机器人等型号的研制、并开展了传感器、移动技术和系统自动化施工方法等基础研究。英、德、法等国也在开展这方面的研究。 （7）军用机器人：近年来，美、英、法、德等国已研制出第二代军用智能机器人。其特点是采用自主控制方式，能完成侦察、作战和后勤支援等任务，在战场上具有看、嗅
27、和角摸能力，能够 自动跟踪地形和选择道路，并且具有自动搜索、识别和消灭敌方目标的功能。如美国的Navplab自主导航车、SSV半自主地面战车，法国的自主式快速运动侦察车（DARDS），德国MV4爆炸物处理机器人等。目前美国ORNL正在研制和开发Abrams坦克、爱国者导弹装电池用机器人等各种用途的军用机器人。 可以预见，在21世纪各种先进的机器人系统将会进入人类生活的各个领域，成为人类良好的助手和亲密的伙伴。 （三）机器人的核心技术一个机器人包括两个主要部分：机器人的身体和某种形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系统。很多不同的身体部分都可以叫做机器人。关节手
28、臂被用于焊接和上漆；起重机和传送带系统在工厂中运送零件；巨型机器人机器搬运矿井深处的泥土。一般说来，机器人最有趣的一个方面是它们的行为，这需要一种形式的智能。机器人最简单的行为是移动。典型地，轮子被作为让机器人从一点移动到下一点的基本机械装置。还需要某种力（如电力）让轮子在命令时转动。三、单片机（一）单片机的发展史单片机诞生于20世纪70年代末，经历了SCM、MCU、SoC三大阶段。 1.SCM即单片微型计算机（Single Chip Microcomputer）阶段，主要是寻求最佳的单片形态嵌入式系统的最佳体系结构。“创新模式”获得成功，奠定了SCM与通用计算机完全不同的发展道路。在开创嵌入
29、式系统独立发展道路上，Intel公司功不可没。 2.MCU（Micro Controller Unit，微控制器）阶段，主要的技术发展方向是：不断扩展满足嵌入式应用时，对象系统要求的各种外围电路与接口电路，突显其对象的智能化控制能力。它所涉及的领域都与对象系统相关，因此，发展MCU的重任不可避免地落在电气、电子技术厂家。从这一角度来看，Intel逐渐淡出MCU的发展也有其客观因素。在发展MCU方面，最著名的厂家当数Philips公司。Philips公司以其在嵌入式应用方面的巨大优势，将MCS-51从单片微型计算机迅速发展到微控制器。因此，当我们回顾嵌入式系统发展道路时，不要忘记Intel和Ph
30、ilips的历史功绩。 3.单片机是嵌入式系统的独立发展之路，向MCU阶段发展的重要因素，就是寻求应用系统在芯片上的最大化解决；因此，专用单片机的发展自然形成了SoC化趋势。随着微电子技术、IC设计、EDA工具的发展，基于SoC的单片机应用系统设计会有较大的发展。因此，对单片机的理解可以从单片微型计算机、单片微控制器延伸到单片应用系统。（二）单片机的定义单片机是指一个集成在一块芯片上的完整计算机系统。尽管他的大部分功能集成在一块小芯片上，但是它具有一个完整计算机所需要的大部分部件：CPU、内存、内部和外部总线系统，目前大部分还会具有外存。同时集成诸如通讯接口、定时器，实时时钟等外围设备。而现在
31、最强大的单片机系统甚至可以将声音、图像、网络、复杂的输入输出系统集成在一块芯片上。单片机也被称为微控制器（Microcontroller），是因为它最早被用在工业控制领域。单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。单片机是微型计算机发展的一个分支，是一种专门面向控制的微处理器件，故又称之为微控制器(Micro Controller Unit，MCU)。单片机通常以单一芯片的形式出现，但是它已具有了微型计算机所包含的基本组成结构和特有的控制应用功能，是一种芯片级的微
32、型计算机。另外，由于单片机的体积、结构和功能特点，在实际应用中可以完全融入应用系统之中，故而也称为嵌入式微控制器(Embedded Micro-Controller)最基本的单片机系统由单片机芯片和软件程序共同组建而成，是用户为了实现某种控制用途的需要而设计的实际装置。在单片机系统中，单片机芯片内部的中央处理单元(CPU)处于核心地位，CPU通过执行软件程序调动硬件电路完成控制功能。根据这种工作方式，单片机系统可以划分为硬件和软件两个组成部分。（三）单片机介绍单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的体
33、积小、质量轻、价格便宜、为学习、应用和开发提供了便利条件。同时，学习使用单片机是了解计算机原理与结构的最佳选择。单片机内部也用和电脑功能类似的模块，比如CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件，不同的是它的这些部件性能都相对我们的家用电脑弱很多，不过价钱也是低的，一般不超过10元即可.用它来做一些控制电器一类不是很复杂的工作足矣了。我们现在用的全自动滚筒洗衣机、排烟罩、VCD等等的家电里面都可以看到它的身影！.它主要是作为控制部分的核心部件。 它是一种在线式实时控制计算机，在线式就是现场控制，需要的是有较强的抗干扰能力，较低的成本，这也是和离线式计算机的（比如家用PC）的主要区别。
34、 单片机是靠程序的，并且可以修改。通过不同的程序实现不同的功能，尤其是特殊的独特的一些功能，这是别的器件需要费很大力气才能做到的，有些则是花大力气也很难做到的。一个不是很复杂的功能要是用美国50年代开发的74系列，或者60年代的CD4000系列这些纯硬件来搞定的话，电路一定是一块大PCB板！但是如果要是用美国70年代成功投放市场的系列单片机，结果就会有天壤之别！只因为单片机的通过你编写的程序可以实现高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于单片机对成本是敏感的，所以目前占统治地位的软件还是最低级汇编语言，它是除了二进制机器码以上最低级的语言了，既然这么低级为什么还要用呢？很多高级的语言已经达到了可视
35、化编程的水平为什么不用呢？原因很简单，就是单片机没有家用计算机那样的CPU，也没有像硬盘那样的海量存储设备。一个可视化高级语言编写的小程序里面即使只有一个按钮，也会达到几十K的尺寸！对于家用PC的硬盘来讲没什么，可是对于单片机来讲是不能接受的。 单片机在硬件资源方面的利用率必须很高才行，所以汇编虽然原始却还是在大量使用。一样的道理，如果把巨型计算机上的操作系统和应用软件拿到家用PC上来运行，家用PC的也是承受不了的。可以说，二十世纪跨越了三个“电”的时代，即电气时代、电子时代和现已进入的电脑时代。不过，这种电脑，通常是指个人计算机，简称PC机。它由主机、键盘、显示器等组成。还有一类计算机，大多
36、数人却不怎么熟悉。这种计算机就是把智能赋予各种机械的单片机（亦称微控制器）。顾名思义，这种计算机的最小系统只用了一片集成电路，即可进行简单运算和控制。因为它体积小，通常都藏在被控机械的“肚子”里。它在整个装置中，起着有如人类头脑的作用，它出了毛病，整个装置就瘫痪了。现在，这种单片机的使用领域已十分广泛，如智能仪表、实时工控、通讯设备、导航系统、家用电器等。各种产品一旦用上了单片机，就能起到使产品升级换代的功效，常在产品名称前冠以形容词“智能型”，如智能型洗衣机等。现在有些工厂的技术人员或其它业余电子开发者搞出来的某些产品，不是电路太复杂，就是功能太简单且极易被仿制。究其原因，可能就卡在产品未使
37、用单片机或其它可编程逻辑器件上。四、单片机技术在机器人中的应用单片机技术作为自动控制技术的核心之一, 被广泛应用于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。随着微电子技术的迅速发展, 单片机功能也越来越强大,在机器人的设计中单片机技术、红外技术完成智能机器人控制系统设计的基础。智能机器人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位, 其显著的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能。现在智能机器人系统主要实现了步行、跟踪、避障、步伐调整、语音、声控、液晶显示, 地面探测等功能。在遇到外界条件发生变化时, 该机器人将采取不同的措施对待, 较好地表现出该机器人的思考能力。通过单片机来实现不同
38、的工作。（一）单片机技术在机器人视觉系统中的应用轮式机器人导航控制系统的硬件组成如图1 所示。整个系统由三部分组成, 即: 由单片机AT89C52构成的单片机应用系统; 由电磁感应传感器、放大调理电路和A /D转换电路构成的前向通道; 由互锁保护和PWM直流调速电路构成的后向通道。工作时,由电磁感应传感器检测机器人的位置, 经过放大调理电路和A /D转换, 将位置信号送入单片机; 单片机将位置信号进行数字滤波, 与系统设定值进行比较,按照模糊控制算法进行运算, 通过输出PWM信号去控制直流电动机按照一定的速度转动, 带动机器人沿诱导线的轨迹行走。 在整个单片机控制系统中, CPU 既是运算处理
39、中心, 又是控制中心, 是最关键的器件。本系统中选用与MCS - 51系列完全兼容的AT89C52 单片机, 它是一种低功耗、高性能、CMOS 八位微处理器。AT89C52可构成真正的单片机最小应用系统, 缩小系统体积, 提高系统可靠性, 降低系统成本。本系统的键盘显示接口电路采用专用的接口芯片8279。它是Intel公司生产的8位微处理器键盘/显示通用接口芯片, 其主要功能是: 接收来自键盘的输入数据并作预处理以及对数据显示的管理和显示器的控制。系统采用8279管理键盘和显示器, 可减轻CPU的负担, 充分提高CPU 的工作效率, 可减少软件编程工作量, 而且显示稳定。（二）单片机技术在机器
40、人运动系统中的应用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。本设计中为提高检测精度, 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2
41、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。图2光电检测转换电路（三）单片机在智能机器人设计中的应用1、智能机器人简介该智能机器人控制系统采用两片AT89C512控制, 一片单片机MCU1 用于整个系统的控制, 另一片单片机MCU2 用于驱动液晶屏LCM1602 工作, 它们之间通过I/O 口通讯, 以实现两片单片机共同工作的相互协调控制。系统框图如图3 所示。图3机器人控制系统结构图设计中, MCU1 的P1.0、P1.3 分别接触觉传
42、感器, P1.6- P1.7接视觉红外传感器, P2.0- P2.4 口控制继电器驱动电路, P2.5 口接地面探测传感器, P2.6- P2.7 接步伐校正光耦器, P3.0- P3.5 接ISD25120 语音芯片。1.1 实现功能：机器人在移动过程中, 会发出语音提示: “目标搜索中”, 同时液晶显示: “Target is in searching”; 前进过程中发现目标, 语音提示: “发现目标”; 液晶显示: “Find object”, 机器人自动向该目标转向; 对准目标后, 语音提示: “锁定目标”, 液晶显示:“Lock it”, 同时机器人向目标继续前进; 如机器人撞上目标
43、, 语音提示: “前方有障碍物”, 液晶显示: “Obstacles impending”, 机器人根据触角碰撞的先后顺序, 向该相反的方向转角约100度, 继续前进; 当前方地面出现断层, 语音提示: “危险, 前方地面有断层”, 液晶显示: “Warning, fault ahead”, 同时机器人会向后退几步, 转向后继续前进; 如果机器人在转向过程中, 步伐错乱, 便会自动执行步伐调整程序, 以校正步伐。2、系统设计2.1 驱动电路：要想让机器人有稳定行走能力, 需要选择稳定的电动机驱动系统。本设计利用三极管放大作用对单片机I/O 口电流进行放大, 驱动继电器控制电动机转动。且不会对输
44、入电流有任何影响, 完全可以给电动机提供大电流, 保证电路工作稳定。电动机驱动电路采用两个NPN 管对单片机AT89C51 的I/O 口输出电流信号放大, 利用电阻R19、R20 作为三极管基极进行保护。当单片机I/陈宇: 讲师硕士O口有信号输出时, 该电流经电阻后送入第一级三极管基极, 使第一级三极管导通, 导通电流经电阻送入第二个三极管基极, 进一步放大电流, 以达到继电器驱动电流。根据计算, 送入继电器的电流是经过两极放大电路放大了约2 倍, 9014 在此做开关作用。经过两级放大后驱动继电器。如图4所示。图4电机驱动电路原理图每个继电器相当于一个单刀双掷开关, 由此, 两个单刀双掷开关
45、, 组成电动机正反转控制电路, 实现机器人前进、后退动作。2.2 视觉电路：在此设计中, 我们仅要求机器人发现并跟踪目标, 不需要识别目标。因此采用最常用的红外线反射传感器来作为机器人的视觉功能, 检测机器人前方是否有目标。该功能的实现采用的是两个型号为TX05D 的红外线反射传感器。TX05D 常用的红外反射式接近开关, 它内部有一红外线发射管和一红外线接收管。发射管发出红外线, 如果其正前方没有物体, 那么接收管接收不到红外线反馈信号。当前方出现物体时, 红外线信号经过物体被反射了回来, 这时接收管接收到信号, 向单片机发出高电平信号, 以告知单片机其前方出现障碍物。两个红外线传感器安装在
46、机器人前方的两侧, 在机器人工作时, 两个传感器始终向外发射红外线探测信号, 当其中一个传感器接收到反馈信号时, 便向单片机发出高电平信号, 告知单片机该方向发现目标, 单片机经过判断后, 控制电动机向该方向转向, 以实现跟踪功能。当两个传感器都感应到目标时, 机器人便向着目标直着前进, 直到撞上目标。2.3 步伐调整电路：当机器人在前进过程中, 如果电机转速不一致或者在转向过程中打乱了步伐, 这时便会启动步伐调整功能, 该功能是利用两个光耦来完成的。在机器人腿部, 装有两片通过光耦的挡片, 当机器人正常行走时, 挡片会交替的打开和关闭光耦。如果两个光耦的状态始终不相同。那么就说明该机器人步伐
47、正常。当光耦状态出现相同时, 说明机器人步伐错乱, 需要校正步伐。这时便会随机停下一条“腿”, 等另一条“腿”走在合适位置, 即光耦状态相反时, 再作出同步前进。电路如图5 所示。图5步伐校正电路原理图2.4 显示电路：本功能主要实现了人机交互的视觉平台。本设计采用LCM1602 液晶显示模块, 该模块是最常用的英文显示模块, 它内部含有英文字库, 使用方便, 价格便宜。液晶显示功能是配合语音功能共同使用的附加功能, 它的作用就是可以显示当前的状态, 以实现机器人的人机交互显示功能。LCM1602 是一种16 字2 行的字符型液晶模块, 主要有总线连接方式和模拟口连接方式。本设计采用的是模拟口
48、连接方式, 它和前者相比, 电路更加简洁。在该电路中, P1 口给显示屏输送数据, P3.0 到P3.2 则控制向该显示屏读写数据的状态。VL管脚过1K 电阻接地, 作用是限制液晶显示的色度深浅。BLA 和BLK 则是背光灯电源接口。电路如图6 所示。 图6显示电路原理图设计中, P2 口则是用于与MCU1 通讯, 它始终监控着MCU1的状态, 以保持显示内容和语音同步。2.5 语言电路：为了确保操作的无误性, 运用声音进行第二重提示, 本系统用到的ISD25120 语音芯片是美国ISD 公司生产的高保真录放一体化的单片固态语音集成电路, 录放时间为120 秒, 可运行多段信息处理, 可反复录音十万次6, 并且ISD25120 使用时不需要考虑如何驱动语音芯片, 只需要直接用51 控制该语音电路的触发时间, 播放出事先录好的声音文件, 以实现机器人说话这个功能。电路如图7 所示。图7语音电路原理图2.6 亚超声接收电路：机器人上面装有一个亚超声接
