基于單片機的自動(dòng)巡線(xiàn)輪式機器人控制系統設計

摘  要：設計了一種自動(dòng)巡線(xiàn)輪式行走機器人控制系統，采用AT89S52型單片機作為主控CPU，外加一個(gè)復雜可鳊程邏輯器件(CPID)協(xié)助CPU處理數據，擴展了程序參數存儲器，能夠進(jìn)行檢測引導線(xiàn)和直流電機、舵機的PWM控制。

關(guān)鍵詞：控制系統；復雜可編程邏輯器件；存儲器；光電檢測；脈沖寬度調制

1 引言

    輪式移動(dòng)機器人是機器人研究領(lǐng)域的一項重要內容．它集機械、電子、檢測技術(shù)與智能控制于一體。在各種移動(dòng)機構中，輪式移動(dòng)機構最為常見(jiàn)。輪式移動(dòng)機構之所以得到廣泛的應用。主要是因為容易控制其移動(dòng)速度和移動(dòng)方向。因此．有必要研制一套完整的輪式機器人系統。并進(jìn)行相應的運動(dòng)規劃和控制算法研究。筆者設計和開(kāi)發(fā)了基于5l型單片機的自動(dòng)巡線(xiàn)輪式機器人控制系統。

2  控制系統總體設計

    機器人控制系統由主控制電路模塊、存儲器模塊、光電檢測模塊、電機及舵機驅動(dòng)模塊等部分組成，控制系統的框圖如圖1所示。

3  主控制模塊設計

3．1  CPLD設計

    在機器人控制系統中．需要控制多個(gè)電動(dòng)機和行程開(kāi)關(guān)．還要進(jìn)行光電檢測．如果所有的任務(wù)都由AT89S52型單片機來(lái)完成．CPU的負擔就會(huì )過(guò)重。影響系統的處理速度。因此擴展1個(gè)CPLD．型號為EPM7128。它屬于．MAX7000系列器件。包括2個(gè)通用1/0口．2個(gè)專(zhuān)用I／O口，專(zhuān)用I／O口可作為每個(gè)宏單元和輸入輸出引腳的高速控制信號(時(shí)鐘、清除和輸出使能等)，電動(dòng)機的。PWM信號也由其產(chǎn)生。
 
    EPM7128的引腳排列如圖2所示。MlP—M4P引腳的輸出為PWM脈寬調制信號，M1FB—M4FB引腳為電機的方向控制信號，P00一P07接單片機的PO口，100一1015為擴展的2個(gè)通用I／O口，SIl—S17引腳為行程開(kāi)關(guān)輸入信號，LI11一LI17引腳為光電探頭輸入信號。CPLD的編程用VHDL語(yǔ)言，產(chǎn)生1路PWM信號的部分程序源代碼如下：{{分頁(yè)}}

    單片機采用24MHz的晶體振蕩器，ALE信號的頻率fALE=f16=6MHz，最終輸出PWM信號的引腳MlP的頻率為：

    調節這個(gè)信號的占空比可以使直流電動(dòng)機獲得O-255級的轉速。{{分頁(yè)}}

3．2  機器人運行參數存儲器的擴展

    機器人運行路徑和動(dòng)作可以根據比賽情況的不同而發(fā)生變化，這樣，每改變1次運行參數就必須對單片機的Flash進(jìn)行1次擦寫(xiě)。為了解決這一問(wèn)題．擴展了程序參數存儲器，用來(lái)存放機器人的運行路徑和動(dòng)作參數．擴展電路如圖3所示。

    其中IC1為24LC08B，是I2E總線(xiàn)的串行E2PROM存儲器，最多能夠存儲lK字節的數據。IC2為MAX3232型電平轉換器，其內部有1個(gè)電源電壓變換器，可以將計算機的電平轉換為標準TTL電平，實(shí)現計算機與單片機之間通過(guò)串行口傳輸數據，使單片機完成對24／LC08B的數據存儲操作。單片機運行時(shí)，直接從24LC08中讀取機器人的運行參數，控制機器人運行。

4 光電檢測模塊設計

4．1 光電檢測過(guò)程

    設計光電檢測模塊是為了讓機器人能夠檢測地面上的白色引導線(xiàn)。光電檢測電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖4所示。

    發(fā)射部分的波形調制采用了頻率調制方法。由于發(fā)光二極管的響應速度快，其工作頻率可達幾MHz或十幾MHz，而檢測系統的調制頻率在幾十至幾百kHz的范圍內，能夠滿(mǎn)足要求。光源驅動(dòng)主要負責把調制波形放大到足夠的功率去驅動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調制光的發(fā)射。{{分頁(yè)}}

    接收部分采用光敏二極管接收調制光線(xiàn)，將光信號轉變?yōu)殡娦盘?。這種電信號通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調制信號的放大采用交流放大的形式，可使調制光信號與背景光信號分離，為信號處理提供方便。調制信號處理部分對放大后的信號進(jìn)行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，此模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調制光信號從“直流”的、無(wú)用的背景光信號中分離出來(lái)，從而達到抗干擾的目的。

4．2  光電探頭

    光電探頭安裝在機器人底盤(pán)前部，共設置了5個(gè)檢測點(diǎn)。從理論上講，檢測點(diǎn)越多、越密，識別的準確性與可靠性就越高，但是硬件的開(kāi)銷(xiāo)與軟件的復雜程度也相應的增加。采用該巡線(xiàn)系統保證了檢測的精確度，節約了硬件的開(kāi)銷(xiāo)。發(fā)光二極管發(fā)出的調制光經(jīng)地面反射到光敏二極管。光敏二極管產(chǎn)生的光電流隨反射光的強弱而線(xiàn)性變化。把這種變化檢測出來(lái)，就可以判斷某一個(gè)檢測點(diǎn)是否在白色引導線(xiàn)的上方，從而判斷機器人和白色引導線(xiàn)的相對位置。

5  電機驅動(dòng)模塊

    機器人的驅動(dòng)件主要是電機和舵機，都可以采用PWM進(jìn)行調速與控制。根據脈沖編碼器的反饋信號，對機器人的運動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制。直流伺服電機的控制原理如圖5所示。調節：PWM的信號就能夠快速調節舵機的轉角，從而實(shí)現機器人的方向控制。

6  結束語(yǔ)

    基于5l型單片機的自動(dòng)巡線(xiàn)輪式機器人控制系統運行平穩可靠，抗干擾能力強，不僅滿(mǎn)足了機器人大賽的設計要求，同時(shí)也為智能機器人搭建了良好的控制平臺。