頁第1章緒論1.1選題背景及研究目的1.1.1選題背景智能機(jī)器人是具有思維、感知和行動(dòng)功學(xué)、人工智能，微電子學(xué)，光學(xué)，傳感技術(shù)、材料科學(xué)仿生學(xué)等學(xué)科的綜合成果。智能機(jī)器人可獲取、處理和識(shí)別多種信息，同時(shí)實(shí)時(shí)修正環(huán)境模型，智能地完成比較復(fù)雜的操作任務(wù)，因此，較一般工業(yè)機(jī)器人具有更大的機(jī)動(dòng)性靈、活性和更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。20世紀(jì)電子計(jì)算機(jī)的發(fā)明，使人類的腦力勞動(dòng)自動(dòng)化成為可能，60年代智能機(jī)器人的出現(xiàn)開辟了智能生產(chǎn)自動(dòng)化的新紀(jì)元。機(jī)器和生產(chǎn)系統(tǒng)的智能化，用機(jī)器人代替人完成各種任務(wù)，這是人類智慧發(fā)展和機(jī)器進(jìn)化的飛躍。智能機(jī)器人作為新一代的生產(chǎn)工具，在制造領(lǐng)域中應(yīng)用，能排腺人為的不可控因素，實(shí)現(xiàn)高節(jié)奏、高效和高質(zhì)量生產(chǎn)，并是未來智能生產(chǎn)系統(tǒng)（如CIMS）的重要組成部分。在非制造領(lǐng)域，如核工業(yè)、水下、空間、建筑、采掘、教災(zāi)、排險(xiǎn)和作戰(zhàn)等方面，可代替人完成人所不適或力所不及的各種工作，在原子能、水下和外層空間可開辟新的產(chǎn)業(yè)。1.1.2研究目的及意義隨著數(shù)字技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字技術(shù)被廣泛應(yīng)用于智能控制的領(lǐng)域中。單片機(jī)以體積小、功能全、價(jià)格低廉、開發(fā)方便的優(yōu)勢得到了許多電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)者的青睞。它適合于實(shí)時(shí)控制，可構(gòu)成工業(yè)控制器、智能儀表、智能接口、智能武器裝置以及通用測控單元等。本作品以AT89C51單片機(jī)為核心，利用傳感器作為機(jī)器人的眼睛；單片進(jìn)行處理判斷，然后驅(qū)動(dòng)直流減速電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作，并采用液晶顯示記錄一些有用的信息；本設(shè)計(jì)全部采用通用器件，在達(dá)到指標(biāo)要求的前提下降低了功耗和成本。而且移動(dòng)機(jī)器人在另一些領(lǐng)域也擔(dān)任著重要的角色，在許多人類尚不方便到達(dá)甚至不能觸及的環(huán)境下都需要智能機(jī)器人替我們做一些危險(xiǎn)系數(shù)高且困難的事情。當(dāng)今社會(huì)移動(dòng)機(jī)器人在一下幾個(gè)領(lǐng)域己經(jīng)被廣泛應(yīng)用：在交通領(lǐng)域，無人車輛或者智能輔助駕駛車輛對于提高運(yùn)輸?shù)氖孢m性和安全性；在工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，從事設(shè)備維修、監(jiān)控的工業(yè)機(jī)器人，提高了生產(chǎn)效率；在服務(wù)領(lǐng)域，導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人、家政機(jī)器人等極大地便利了人類的生活。因此，移動(dòng)機(jī)器人的迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，對人類社會(huì)的生活和生產(chǎn)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。所以近年來，智能可移動(dòng)機(jī)器人成為機(jī)器人研究領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)熱點(diǎn)。1.2智能機(jī)器人國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀移動(dòng)機(jī)器人的研究工作始于20世紀(jì)60年代，在移動(dòng)機(jī)器人的研究方面，美、英、德、法、口等發(fā)達(dá)國家走在前列。1968年Stanford機(jī)器人研究中心研制出了世界上第一臺(tái)自主移動(dòng)機(jī)器人Shakey，拉開了第三代機(jī)器人的序幕。智能機(jī)器人是第三代機(jī)器人，這種機(jī)器人帶有多種不同的傳感器，能夠?qū)⒏鱾鞲衅鞯玫降男畔⑦M(jìn)行分析，綜合處理使之能夠有效的適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境，具有很強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力、自適應(yīng)能力和自治功能。

目前我國研制中的智能機(jī)器人水平并不高，只是智能機(jī)器人的初級(jí)階段。當(dāng)前智能機(jī)器人研究中的核心問題有兩個(gè)方面：一方面，是將智能機(jī)器人的自主性提高，即智能機(jī)器人與人的交互而言，希望智能機(jī)器人有更強(qiáng)的獨(dú)立性，具有更為友善的人機(jī)交互界面。從長遠(yuǎn)來說，希望操作人員只要給出任務(wù)，而智能機(jī)器人能自主分析任務(wù)，并自動(dòng)完成它。另一方面，是提高智能機(jī)器人對環(huán)境的適應(yīng)性，增強(qiáng)智能機(jī)器人適應(yīng)實(shí)時(shí)變化的環(huán)境的能力，即智能機(jī)器人與環(huán)境之間的關(guān)系，希望提升它們之間的交互關(guān)系。智能機(jī)器人涉及到多個(gè)領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)的應(yīng)用關(guān)系到智能機(jī)器人的智能的高低。主要有以下幾個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：多傳感信息綜合分析技術(shù)，多傳感器信息分析技術(shù)是指綜合多個(gè)傳感器采集的數(shù)據(jù)，分析，處理以產(chǎn)生更準(zhǔn)確、更全面、更可靠的信息，以便更加精確、完善地反映采集對象的特性，減少信息的不確定性，提高信息的可靠性；定位和導(dǎo)航技術(shù)，在導(dǎo)航自主移動(dòng)的機(jī)器人中，無論是局部的實(shí)時(shí)避障還是全局的路線規(guī)劃，都需要精確的知道機(jī)器人或障礙物的當(dāng)前狀態(tài)及物理位置，以完成避障、導(dǎo)航及全程的路徑規(guī)劃等任務(wù)；路徑規(guī)劃技術(shù)，最優(yōu)路徑就是依據(jù)某些優(yōu)化算法，在機(jī)器人從起始位置到終點(diǎn)位置的行進(jìn)空間中找到一條，可避開障礙物的最佳路線；視覺技術(shù)，機(jī)器人視覺系統(tǒng)包括圖像的獲取，分析和處理、輸出和顯示等，核心任務(wù)是特征提取、分割和辨識(shí)；智能控制技術(shù)，智能控制系統(tǒng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)提高了機(jī)器人的運(yùn)算速度及控制精度；人機(jī)接口技術(shù)，即研究如何使人更方便自然地與計(jì)算機(jī)交互?？v觀各國智能機(jī)器人的發(fā)展，美國一直處于國際領(lǐng)先地位，其技術(shù)全面、先進(jìn)，適應(yīng)性強(qiáng)，性能可靠、功能全面、精確度高，由其市視、觸覺方面的人工智能技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、航天工業(yè)中。由于日本政府的鼓勵(lì)政策，包括智能機(jī)器人的各類機(jī)器人的迅速發(fā)展。歐洲在智能機(jī)器人的研究領(lǐng)域起步很早，應(yīng)用方面在世界上處于公認(rèn)的領(lǐng)先地位。中國起步較晚，而后進(jìn)入了大力發(fā)展的時(shí)期，以期以機(jī)器人為媒介，推動(dòng)整個(gè)制造業(yè)的改變，推動(dòng)整個(gè)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的壯大。英國研制出“土拔鼠”及“野?！眱煞N遙控電動(dòng)排爆機(jī)器人，在波黑及科索沃戰(zhàn)爭中用來探測及處理兩者均采用無線電控制系統(tǒng)，控制距離約1千米。家用機(jī)器人是輪式機(jī)器人在人類日常生活中的一個(gè)重要應(yīng)用。移動(dòng)機(jī)器人正在從工廠環(huán)境進(jìn)入到人們每天的生活環(huán)境，醫(yī)院、辦公室、家庭以及其他不可控環(huán)境。2002年美國iRobot公司推出了吸塵器機(jī)器人Roomba，它能自主避開障礙，自主思考行進(jìn)路線，更重要的是還能在電量不足時(shí)，自動(dòng)駛向充電座。2006年6月，機(jī)器人模塊化、平臺(tái)統(tǒng)一化的趨明顯，比爾·蓋茨預(yù)言，家用機(jī)器人將會(huì)成為人們生活的一部分。值得一提的是，作為“機(jī)器人王國”，日本在移動(dòng)機(jī)器人方面的研究特別先進(jìn)，而且以仿人機(jī)器人技術(shù)見長。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀國內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人的研究起步較晚，但發(fā)展迅速，并取得了長足發(fā)展。我國自“八五”期間開研究這一領(lǐng)域，國家“863”計(jì)劃把智能機(jī)器人的開發(fā)列入高科技發(fā)展規(guī)劃中。機(jī)器人學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室依托于中國科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所，定位于國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展、國家安全和重大科學(xué)工程提供所需要的機(jī)器人技術(shù)與系統(tǒng)。除此之外，全國高校也是移動(dòng)機(jī)器人研究中的主力軍，并取得了大量的學(xué)術(shù)成果。國內(nèi)移動(dòng)機(jī)器人研究主要成果有:中科院自動(dòng)化所研制的CISII-I型自主移動(dòng)機(jī)器人，它不僅能夠?qū)崿F(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制、定點(diǎn)運(yùn)動(dòng)、避障、定位、漫游等功能，還能實(shí)現(xiàn)多機(jī)器人間的無線通信。海爾一哈工大機(jī)器人技術(shù)公司研制的DY-I型導(dǎo)游服務(wù)機(jī)器人具有自主行走、語音對話、場景解說等功能，己在中國科技館進(jìn)行導(dǎo)游服務(wù)；清華大學(xué)研制的THMR-V型智能車，可以在特定校園環(huán)境中自由行走。隨著人們對機(jī)器人研究熱度的提升，國內(nèi)外機(jī)器人技術(shù)的交流也日益增多，人們也逐漸意識(shí)到了機(jī)器人的商業(yè)價(jià)值，出現(xiàn)了專門生產(chǎn)移動(dòng)機(jī)器人的公司如上海廣茂達(dá)。在進(jìn)入21世紀(jì)，中國兩大國際盛會(huì)：08年奧運(yùn)會(huì)和10年世博會(huì)上，形狀功能各異的機(jī)器人成為最吸引游客的科技亮點(diǎn)。由中國民航大學(xué)自主研制的奧運(yùn)福娃機(jī)器人，在08年北京奧運(yùn)會(huì)中亮相，它承擔(dān)機(jī)場候機(jī)樓出港入港、問訊服務(wù)、行李提取等多種環(huán)境和條件下的引導(dǎo)服務(wù)，不僅具有全方位視覺處理判斷能力，而且還能夠進(jìn)行雙向語音信息的交互傳輸。1.3本文研究內(nèi)容系統(tǒng)主要是對巡查機(jī)器人的控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要研究內(nèi)容為:采用AT89C51作為控制芯片，進(jìn)行機(jī)器人的硬件電路設(shè)計(jì)。控制器負(fù)責(zé)對機(jī)器人上的各種傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后給舵機(jī)發(fā)送指令，進(jìn)行控制巡查機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。機(jī)器人主要選用AX-12+舵機(jī)，它體積小巧緊湊，而且可以產(chǎn)生很大扭矩，加上高品質(zhì)材料制造并具有一定的強(qiáng)度可以抵御一定外部沖擊。傳感器方面主要采用紅外傳感器模塊中包含的紅外和氣體傳感器作為巡查機(jī)器人的感知系統(tǒng)，對周圍的環(huán)境信息進(jìn)行探測。在硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上根據(jù)模塊化思想進(jìn)行機(jī)器人的軟件程序設(shè)計(jì)。最后通過軟硬件平臺(tái)上相關(guān)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)和要求。

第2章系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案2.1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案在設(shè)計(jì)巡查機(jī)器人系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)首先考慮機(jī)器人的用途，因?yàn)橛猛静煌?，機(jī)器人的機(jī)械結(jié)構(gòu)也就不同；此外，還要考慮機(jī)器人的穩(wěn)定性、外形尺寸、費(fèi)用以及工作環(huán)境等。巡查機(jī)器人要根據(jù)傳感器獲得的信息，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)避障和避障。根據(jù)這一總體思想，進(jìn)行機(jī)器人的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，本機(jī)器人系統(tǒng)主要包括以下四個(gè)部分：（1）機(jī)械結(jié)構(gòu)：可實(shí)現(xiàn)靈活移動(dòng)的移動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作的機(jī)械臂等；（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：實(shí)現(xiàn)機(jī)器人移動(dòng)及檢測的核心部分；（3）感知系統(tǒng)：可感知周圍環(huán)境并向控制系統(tǒng)反饋相應(yīng)的位置、聲音等信息；（4）控制系統(tǒng):實(shí)時(shí)處理傳感器信息的輸入，并按照傳感器的反饋信息指示驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)作，由機(jī)械設(shè)備執(zhí)行相應(yīng)動(dòng)作。巡查機(jī)器人控制系統(tǒng)的任務(wù)根據(jù)移動(dòng)機(jī)器人所要完成的功能以及從傳感器反饋回來的信號(hào)支配機(jī)器人的執(zhí)行機(jī)構(gòu)完成機(jī)器人的工作目標(biāo)。控制系統(tǒng)由機(jī)器人所要達(dá)到的功能、機(jī)器人的本體結(jié)構(gòu)和機(jī)器人的控制方式?jīng)Q定的。根據(jù)巡查機(jī)器人控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，結(jié)合本機(jī)器人的系統(tǒng)功能和特點(diǎn)，按照模塊化的設(shè)計(jì)思想，提出了機(jī)器人控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案下圖1所示：圖2.1控制系統(tǒng)總體方案2.2系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)方案基于51單片機(jī)的智能機(jī)器人開發(fā)所涉及的研究內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面：（1）熟悉AT89C51、串行通信、擴(kuò)展控制模塊的硬件結(jié)構(gòu)、接口說明及使用方法；了解單片機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)及傳感器工作基本理論、集成電路開發(fā)與設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和流程。（2）構(gòu)建系統(tǒng)硬件平臺(tái)：以AT89C51芯片為核心設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件電路，包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及接口電路設(shè)計(jì)、紅外探測避障及接口電路設(shè)計(jì)、LED顯示控制及接口電路，按鍵電路的設(shè)計(jì)。圖2.2智能機(jī)器人運(yùn)動(dòng)流程圖2.3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)：在單片機(jī)的工作環(huán)境下，設(shè)計(jì)各自程序模塊，子程序包括：系統(tǒng)初始化程序、電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序、紅外遙控程序、光控程序、聲控程序和LED顯示來完成整個(gè)系統(tǒng)的功能。圖2.3電機(jī)主控程序流程圖

第3章硬件電路設(shè)計(jì)此系統(tǒng)的硬件部分由單片機(jī)單元、傳感器單元、電源單元、鍵盤輸入單元、電機(jī)控制單元和顯示單元等部分組成，如下圖。圖3.1硬件電路設(shè)計(jì)方案框圖3.1單片機(jī)單元一個(gè)單片機(jī)系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分：系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如RAM﹑ROM﹑定時(shí)/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)﹑I/O口等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。系統(tǒng)配置，按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，要設(shè)計(jì)合適的接口電路。AT89C51單片機(jī)把那些作為控制應(yīng)用所必需的內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由以下功能部件組成，即微處理器、程序存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、串行口、并行I/O口、中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。（1）微處理器該單片機(jī)與通用的微處理器基本相同，有一個(gè)8位的微處理器，包括了控制器和運(yùn)算器兩大部分，只是增強(qiáng)了面向控制的處理功能，不僅可綜合處理數(shù)據(jù)，還可以進(jìn)行位變量的處理。（2）數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器片內(nèi)為128個(gè)字節(jié)，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)，用來存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的變量、標(biāo)志位、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、運(yùn)算的中間結(jié)果等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。（3）程序存儲(chǔ)器由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器一般容量較小，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。（4）中斷系統(tǒng)具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。（5）定時(shí)器/計(jì)數(shù)器片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。（6）串行口1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。（7）0P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。（8）特殊功能寄存器共有21個(gè)，用于對片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行監(jiān)視、控制、管理。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。（9）引腳功能

VCC：供電電壓。

GND：接地。

P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0

口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。

P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。

P2口：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當(dāng)對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。

P3口：P3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）這是由于上拉的緣故。

P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：

口管腳

備選功能

P3.0

RXD（串行輸入口）

P3.1

TXD（串行輸出口）

P3.2

/INT0（外部中斷0）

P3.3

/INT1（外部中斷1）

P3.4

T0（記時(shí)器0外部輸入）

P3.5

T1（記時(shí)器1外部輸入）

P3.6

/WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通）

P3.7

/RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。

RST：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。

ALE/PROG：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)，

ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。

/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。

/EA/VPP：當(dāng)/EA保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。

XTAL1：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。

XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。由上可見，AT89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)。特別值得一提的是該單片機(jī)CPU中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的1位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的優(yōu)勢。MCS-51單片機(jī)中8位機(jī)和1位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破，這也是MCS-51單片機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理單元，其主要任務(wù)是啟動(dòng)或重啟機(jī)器人，響應(yīng)鍵盤輸入的信號(hào)，在機(jī)器人巡查過程中，不斷的讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合、處理后，根據(jù)不同的情況，智能的控制機(jī)器人行進(jìn)方向。3.1.1單片機(jī)型號(hào)的選擇方案一：采用ATmega16單片機(jī)對信號(hào)進(jìn)行處理，ATmega16是基于增強(qiáng)的AVRRISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。ATmega16AVR內(nèi)核具有豐富的指令集和32個(gè)通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU)相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的CISC微控制器最高至10倍的數(shù)據(jù)吞吐率。ATmega16有如下優(yōu)點(diǎn)：16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash（具有同時(shí)讀寫的能力，即RWW），512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)SRAM，32個(gè)通用I/O口線，32個(gè)通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個(gè)具有比較模式的靈活的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(T/C)，片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，8路10位具有可選差分輸入級(jí)可編程增益（TQFP封裝）的ADC，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個(gè)SPI

串行端口，以及六個(gè)可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。缺點(diǎn)是：價(jià)格比較昂貴，編程較為復(fù)雜，不太適合初學(xué)者選用。圖3.2為ATmega16芯片兩種不同封裝格式的俯視圖。圖3.2ATmega16芯片圖方案二：采用AT89C51單片機(jī)對信號(hào)處理，優(yōu)點(diǎn)是：操作簡單，接口方便，具備所有單片機(jī)的基本功能，容易學(xué)，價(jià)格便宜；缺點(diǎn)是：處理速度不是特別快。圖3.3為AT89C51芯片俯視圖。圖3.3AT89C51芯片圖對于本系統(tǒng)，我們需要的處理數(shù)據(jù)并不是特別大，對于本系統(tǒng)AT89C51已經(jīng)足夠用來處理傳感器所采集到的數(shù)據(jù)，而且其對于大學(xué)生等初學(xué)者來說很容易上手，價(jià)格較便宜，且市面上較易找到，鑒于以上考慮，本系統(tǒng)采用AT89C51作為系統(tǒng)的處理單元。3.1.2單片機(jī)最小電路系統(tǒng)（1）時(shí)鐘電路AT89C51雖然有內(nèi)部振蕩電路，但要形成時(shí)鐘，必須外部附加電路。AT89C51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方法有兩種。內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。本設(shè)計(jì)采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，利用芯片內(nèi)部的振蕩電路，在XTAL1、XTAL2引腳上外接定時(shí)元件，內(nèi)部的振蕩電路便產(chǎn)生自激振蕩。本設(shè)計(jì)采用最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即用外接晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路。振蕩晶體可在1.2MHZ到12MHZ之間選擇。電容值無嚴(yán)格要求，但電容取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小、振蕩電路起振速度有少許影響，CX1、CX2可在20pF到100pF之間取值，但在60pF到70pF時(shí)振蕩器有較高的頻率穩(wěn)定性。所以本設(shè)計(jì)中，振蕩晶體選擇6MHZ，電容選擇65pF。在設(shè)計(jì)印刷電路板時(shí)，晶體和電容應(yīng)盡可能靠近單片機(jī)芯片安裝，以減少寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定和可靠地工作。為了提高溫度穩(wěn)定性，應(yīng)采用NPO電容。（2）復(fù)位電路AT89C51的復(fù)位是由外部的復(fù)位電路來實(shí)現(xiàn)的。復(fù)位引腳RST通過一個(gè)斯密特觸發(fā)器用來抑制噪聲，在每個(gè)機(jī)器周期的S5P2,斯密特觸發(fā)器的輸出電平由復(fù)位電路采樣一次，然后才能得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的信號(hào)。復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和按鈕復(fù)位兩種方式。最簡單的上電自動(dòng)復(fù)位電路中上電自動(dòng)復(fù)位是通過外部復(fù)位電路的電容充電來實(shí)現(xiàn)的。只要Vcc的上升時(shí)間不超過1ms，就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上電復(fù)位。時(shí)鐘頻率用6MHZ時(shí)C取30uF，R取1KΩ。除了上電復(fù)位外，有時(shí)還需要按鍵手動(dòng)復(fù)位。本設(shè)計(jì)就是用的按鍵手動(dòng)復(fù)位。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。其中電平復(fù)位是通過RST端經(jīng)電阻與電源Vcc接通而實(shí)現(xiàn)的。時(shí)鐘頻率選用6MHZ時(shí)，C取30uF，Rs取200Ω，RK取1KΩ。通過AT89C51單片機(jī)對數(shù)據(jù)處理，為了單片機(jī)工作最優(yōu)狀態(tài)，復(fù)位電路、時(shí)鐘電路，連接電路如圖3.4所示。圖3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)圖3.5復(fù)位電路電路圖中是單片機(jī)的主體，負(fù)責(zé)處理傳感器采集到的數(shù)據(jù)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)，右側(cè)是單片機(jī)的復(fù)位電路，其中的RST端連接到單片機(jī)左側(cè)的第9引腳即RST端口，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，或者其他問題需要重啟時(shí)，只需按S1復(fù)位鍵。左下側(cè)的是單片機(jī)晶振電路，控制單片機(jī)的時(shí)鐘。3.2電機(jī)控制單元電機(jī)控制單元主要是負(fù)責(zé)機(jī)器人的動(dòng)力系統(tǒng)，電機(jī)的選擇直接關(guān)系到巡查機(jī)器人移動(dòng)速度和穩(wěn)定性。3.2.1電機(jī)型號(hào)的選擇方案一：采用步進(jìn)電機(jī)，這種電機(jī)是我們平常中用到的最多的一種電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)是：速度正比于脈沖頻率，因而有比較寬的轉(zhuǎn)速范圍優(yōu)秀的起停和反轉(zhuǎn)響應(yīng)。不會(huì)將一步的誤差積累到下一步因而有較好的位置精度和運(yùn)動(dòng)的重復(fù)性，價(jià)格相對便宜；缺點(diǎn)是：難以運(yùn)轉(zhuǎn)到較高的轉(zhuǎn)速。在體積重量方面沒有優(yōu)勢，能源利用率低。圖3.6AX-12舵機(jī)方案二：采用AX-12舵機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是：由精密直流電機(jī)、齒輪減速器和具有串聯(lián)功能的電路板分別單一封裝組成。雖然它體積小巧，但可以產(chǎn)生很大扭矩，加上具有一定的強(qiáng)度高品質(zhì)材料制造，可以抵御一定外部沖擊。它還具有檢測內(nèi)部溫度功能，例如改變內(nèi)部溫度和供電電壓。缺點(diǎn)是：價(jià)格比較貴。圖3.7步進(jìn)電機(jī)實(shí)物圖由于，本系統(tǒng)中對巡查機(jī)器人的控制和自身重量都有比較高的要求，所以決定采用AX-12舵機(jī)。AX-12舵機(jī)盡管它的價(jià)格比較高，但是其質(zhì)量輕，精度高，整體效率高，非常切合系統(tǒng)要求，所以最終還是選擇AX-12舵機(jī)。3.2.1電機(jī)單元電路設(shè)計(jì)圖3.8電機(jī)單元電路圖P3.3~P3.6為LM298的輸入控制端，根據(jù)四個(gè)引腳的電平高低，可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，PWM1，PWM2為LM298的使能端，控制后續(xù)電機(jī)的停止和運(yùn)行。其中INA控制以IN1和IN2作為為輸入控制，OUT1，OUT2作為輸出的電機(jī)，同理，INB控制另一組電機(jī)。下面我們給出一組電機(jī)的邏輯功能表，另一組與之相同。電感回路如果突然斷開將會(huì)導(dǎo)致開路電壓非常高，上圖中的反并聯(lián)上二極管就是為了消除這個(gè)危險(xiǎn)。當(dāng)電路接通時(shí)，二極管不導(dǎo)通，不工作，所以不影響電路。當(dāng)電路斷開時(shí)，電路中會(huì)有反向的感應(yīng)電動(dòng)勢，方向與工作電流相反，此時(shí)反接的二極管導(dǎo)通，使電感回路接通，起到延續(xù)反向感應(yīng)電流的目的，從而消除了感應(yīng)電動(dòng)勢。表3-1電機(jī)邏輯功能表IN1IN2INA電機(jī)狀態(tài)**0停止101順時(shí)針011逆時(shí)針110停止000停止3.2.2電機(jī)轉(zhuǎn)速控制單元在對直流電動(dòng)機(jī)的控制和驅(qū)動(dòng)中，LM298基本上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動(dòng)和開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式。線性放大驅(qū)動(dòng)方式：器件工作在線性區(qū)，控制原理簡單，輸出電壓文波小，線性效果顯著，對外界的電磁效應(yīng)較低，產(chǎn)生的噪聲較小。但是，由于輻射效果較低，所以散熱能力較低，功率較差，耗電量較高。開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式：通過高低電平不斷變化輸出，即脈沖寬度調(diào)制（PWM，PulseWidthModulation）來控制輸出電壓。當(dāng)開關(guān)管的信號(hào)為高電平時(shí)候，開關(guān)管導(dǎo)通，電機(jī)兩端有電壓U。t1秒后，信號(hào)變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電機(jī)兩端電壓為0。t2秒后，驅(qū)動(dòng)信號(hào)又重新置高，如此循環(huán)往返下去。電機(jī)兩端的電壓均值可以表示為：（3-1）公式中的占空比由此式可以看出當(dāng)U不變時(shí)，輸出電壓取決于占空比D的大小，即改變D的大小來實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的目的。將PWM的輸出接在LM298的電機(jī)控制使能端。圖3.9PWM輸出電路3.2.3電機(jī)里程記錄單元電機(jī)里程主要思想是通過轉(zhuǎn)軸每旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生的脈沖來計(jì)數(shù)，從而得到電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，即智能機(jī)器人行走的里程。一般情況下有兩種方法：一是光電傳感器，另一種是霍爾傳感器。但是光電傳感器對外界環(huán)境的要求較高，不適合安裝在環(huán)境條件比較復(fù)雜的車輪上。霍爾傳感器價(jià)格便宜，重量輕，安裝方便，功耗小，功率高，抗震動(dòng)。雖然霍爾傳感器記錄的是整圈的里程，但是對于本設(shè)計(jì)的精度來說，已經(jīng)夠用。3.3傳感器數(shù)據(jù)采集單元傳感器單元的選擇，直接關(guān)系到機(jī)器人的巡查功能的強(qiáng)弱，通過對文獻(xiàn)資料的閱讀，目前市面上最主要的兩類傳感器，一類是超聲波傳感器，另一類是紅外傳感器，本系統(tǒng)將對以上兩種產(chǎn)品進(jìn)行比較，選擇出最適合本系統(tǒng)的避障模塊。3.3.1傳感器單元器件選澤1.避障傳感器選擇方案一：超聲波傳感器；它是利用向目標(biāo)發(fā)射超聲波脈沖，計(jì)算其往返時(shí)間來判定距離的。該方法被廣泛應(yīng)用于移動(dòng)機(jī)器人的研究上。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，易于使用，且在10m以內(nèi)能給出精確的測量。不過在ITS系統(tǒng)中除了上文提出的場景限制外，還有以下問題。首先因其只能在10m以內(nèi)有效使用，所以并不適合ITS系統(tǒng)。另外超聲波傳感器的工作原理基于聲，即使可以使之測達(dá)100m遠(yuǎn)，但其更新頻率為2Hz，而且還有可能在傳輸中受到它信號(hào)的干擾，所以在智能巡查機(jī)器人系統(tǒng)中使用是不實(shí)際的。圖3.10為超聲波探測器。圖3.10超聲波傳感器方案二：采用紅外避障傳感器。它避障的基本原理是利用物體的反射性質(zhì)。在一定范圍內(nèi)，如果沒有障礙物，發(fā)射出去的紅外線，因?yàn)閭鞑ゾ嚯x越遠(yuǎn)而逐漸減弱，最后消失。如果有障礙物，紅外線遇到障礙物，被反射到達(dá)傳感器接收頭。優(yōu)點(diǎn)是：價(jià)格中等，2D掃描保護(hù)，可分區(qū)實(shí)現(xiàn)報(bào)警減速急停功能；缺點(diǎn)是：紅外對抗環(huán)境光干擾能力較差，堆黑色物體識(shí)別較差，基本檢測不到。圖3.11為超聲波傳感器。圖3.11超聲波傳感器通過以上對超聲波和紅外的比較，兩種傳感器都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，由于超聲波的避障有盲區(qū)這對于巡查機(jī)器人來說是致命的，而紅外對深色的障礙物的避障功能比較弱，但是可以通過多放幾只紅外傳感器來彌補(bǔ)，而且紅外還有報(bào)警減速急停功能。通過對上述避障傳感器的分析認(rèn)為紅外避障更適合本系統(tǒng)。2，氧氣濃度傳感器氧傳感器利用了Nernst原理。其核心元件是多孔的ZrO2陶瓷管，它是一種固態(tài)電解質(zhì)，兩側(cè)面分別燒結(jié)上多孔鉑（Pt）電極。在一定溫度下，由于兩側(cè)氧濃度不同，高濃度側(cè)(陶瓷管內(nèi)側(cè)4)的氧分子被吸附在鉑電極上與電子（4e）結(jié)合形成氧離子，使該電極帶正電，離子通過電解質(zhì)中的氧離子空位遷移到低氧濃度側(cè)（廢氣側(cè)），使該電極帶負(fù)電，即產(chǎn)生電勢差。原理圖如圖3.11所示。圖3.11氧傳感器原理圖當(dāng)空燃比較低時(shí)（濃混合氣），廢氣中的氧較少，因此陶瓷管外側(cè)氧離子較少，形成1.0V左右的電動(dòng)勢；當(dāng)空燃比等于14.7時(shí)，此時(shí)陶瓷管內(nèi)外兩側(cè)產(chǎn)生的電動(dòng)勢為0.4V~0.5V，該電動(dòng)勢為基準(zhǔn)電動(dòng)勢;當(dāng)空燃比較高時(shí)（稀混合氣），廢氣中氧含量較高，陶瓷管內(nèi)外的氧離子濃度差較小，所以產(chǎn)生電動(dòng)勢很低，接近為零。氧傳感器是利用陶瓷敏感元件測量各類加熱爐或排氣管道中的氧電勢，由化學(xué)平衡原理計(jì)算出對應(yīng)的氧濃度，達(dá)到監(jiān)測和控制爐內(nèi)燃燒空燃比，保證產(chǎn)品質(zhì)量及尾氣排放達(dá)標(biāo)的測量元件，廣泛應(yīng)用于各類煤燃燒、油燃燒、氣燃燒等爐體的氣氛控制。它是目前最佳的燃燒氣分測量方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、響應(yīng)迅速、維護(hù)容易、使用方便、測量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)。運(yùn)用該傳感器進(jìn)行燃燒氣氛測量和控制既能穩(wěn)定和提高產(chǎn)品質(zhì)量，又可縮短生產(chǎn)周期，節(jié)約能源。氧傳感器的工作原理與干電池相似，傳感器中的氧化鋯元素起類似電解液的作用。其基本工作原理是:在一定條件下（高溫和鉑催化），利用氧化鋯內(nèi)外兩側(cè)的氧濃度差，產(chǎn)生電位差，且濃度差越大，電位差越大。大氣中氧的含量為21%，濃混合氣燃燒后的廢氣實(shí)際上不含氧，稀混合氣燃燒后生成的廢氣或因缺火產(chǎn)生的廢氣中含有較多的氧，但仍比大氣中的氧少得多。在高溫及鉑的催化下，帶負(fù)電的氧離子吸附在氧化鋯套管的內(nèi)外表面上。由于大氣中的氧氣比廢氣中的氧氣

多，套管上與大氣相通一側(cè)比廢氣一側(cè)吸附更多的負(fù)離子，兩側(cè)離子的濃度差產(chǎn)生電動(dòng)勢。當(dāng)套管廢氣一側(cè)的氧濃度低時(shí)，在電極之間產(chǎn)生一個(gè)高電壓(0。6~1V)，這個(gè)電壓信號(hào)被送到ECU放大處理，ECU把高電壓信號(hào)看作濃混合氣，而把低電壓信號(hào)看作稀混合氣。根據(jù)氧傳感器的電壓信號(hào)，電腦按照盡可能接近14.7：1的理論最佳空燃比來稀釋或加濃混合氣。因此氧傳感器是電子控制燃油計(jì)量的關(guān)鍵傳感器。氧傳感器只有在高溫時(shí)（端部達(dá)到300°C以上）其特性才能充分體現(xiàn)，才能輸出電壓。它在約800℃時(shí)，對混合氣的變化反應(yīng)最快，而在低溫時(shí)這種特性會(huì)發(fā)生很大變化。氧傳感器的兩個(gè)電極的輸出電壓跟尾氣中氧與大氣中氧的相對值呈很好的相關(guān)性。然而這個(gè)電壓跟氧含量的關(guān)系并不是線性的。氧傳感器在最佳空燃比附近最敏感（很小的空燃比變化便會(huì)產(chǎn)生很大的輸出電壓變化），而在空燃比過濃或過稀時(shí)不敏感。低電壓對應(yīng)高氧含量，所以0.1-0.4伏的電壓輸出表明稀混合比，而0.6-1.0伏代表濃混合比。當(dāng)氧傳感器輸出電壓為0.45伏的時(shí)候，空燃比最佳。圖3.12氧氣濃度采集電路圖3.12為氧氣濃度采集電路，將采集到的數(shù)據(jù)傳至主控芯片的P0.0引腳（AD引腳），在根據(jù)程序計(jì)算將氧氣濃度顯示到顯示屏上。3.3.2傳感器單元電路設(shè)計(jì)圖3.13為傳感器采集電路。其中，上中下三個(gè)傳感器分別安裝在智能機(jī)器人的左、中、右，將采集到的數(shù)據(jù)通過74LS138等的邏輯運(yùn)算，輸入到單片機(jī)的P2.0和P2.1引腳。表3.2為該電路的邏輯功能表。當(dāng)向左轉(zhuǎn)時(shí)，確定右方和前方有障礙物，當(dāng)向右轉(zhuǎn)時(shí)，確定左方和前方有障礙物。圖3.13傳感器單元電路表3-2邏輯功能表傳感器避障電路輸出（上升沿動(dòng)作）待執(zhí)行命令左中右左轉(zhuǎn)信號(hào)(P2.1)右轉(zhuǎn)信號(hào)（P2.0）000√右轉(zhuǎn)001√右轉(zhuǎn)010√右轉(zhuǎn)011√右轉(zhuǎn)100√左轉(zhuǎn)101√右轉(zhuǎn)110√左轉(zhuǎn)111前進(jìn)3.4顯示單元顯示單元用于來顯示巡查機(jī)器人當(dāng)前電機(jī)的狀態(tài)，轉(zhuǎn)速，以及機(jī)器人行進(jìn)方向上是否有障礙物等信息。3.4.1顯示單元器件選擇方案1：采用1602液晶顯示，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形優(yōu)點(diǎn)操作簡單，電路簡單，小巧，缺點(diǎn)不能顯示漢字。圖3.141602液晶顯示屏方案2：采用12864液晶顯示，它是帶中文字庫的，128X64是一種具有4位/8位并行、2線或3線串行多種接口方式，內(nèi)部含有國標(biāo)一級(jí)、二級(jí)簡體中文字庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為128×64，內(nèi)置8192個(gè)16*16點(diǎn)漢字，以及128個(gè)16*8點(diǎn)ASCII字符集，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令，可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。可以顯示8×4行16×16點(diǎn)陣的漢字也可完成圖形顯示.。優(yōu)點(diǎn)可以串行通信顯示，低電壓低功耗，節(jié)省I/O口，操作簡單，電路簡單，自帶字庫，能顯示漢字，缺點(diǎn)體積較大，價(jià)格略高于1602。圖3.1512864液晶顯示屏由于本系統(tǒng)LED只需要顯示巡查機(jī)器人的當(dāng)前速度，距離等簡單的數(shù)據(jù)，使用1602就已經(jīng)足夠滿足系統(tǒng)要求，且價(jià)格也便宜。3.4.2顯示電路設(shè)計(jì)圖3.16顯示單元電路

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案4.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1.1系統(tǒng)程序流程圖系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于采用定時(shí)器進(jìn)行定時(shí)，并利用計(jì)時(shí)值計(jì)算得到相應(yīng)實(shí)時(shí)距離和位置情況同時(shí)結(jié)合紅外檢測模塊反饋得到的電平信號(hào)，綜合判斷機(jī)器人系統(tǒng)所處的實(shí)時(shí)環(huán)境。在初始化系統(tǒng)以后系統(tǒng)將自動(dòng)校正紅外模塊。開始檢測地面和水平面環(huán)境是否有障礙，如果存在障礙,將執(zhí)行紅外線水平面環(huán)境循檢找到并確認(rèn)安全路線后，執(zhí)行后退或轉(zhuǎn)向操作反之則繼續(xù)前進(jìn)。這樣以確保巡查機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能避障尋路的功能?！D4.1系統(tǒng)程序流程圖4.1.2主程序設(shè)計(jì)voidmain(){ Timer_Init();//定時(shí)器初始化 INT0_Init();//外部中斷初始化 LCD_Init();//LCD1602初始化 TR1=1; //啟動(dòng)定時(shí)器 lcd_write_cmd(0x80); LED1=1; LED2=1; while(1) { PWM(); //pwm調(diào)速 track(); lcd_write_cmd(0x80+0x09); lcd_write_dat(qian); lcd_write_cmd(0x80+0x0a); lcd_write_dat(bai2); lcd_write_cmd(0x80+0x0b); lcd_write_dat(shi2); lcd_write_cmd(0x80+0x0c); lcd_write_dat(ge2); lcd_write_cmd(0x80+0x47); lcd_write_dat(bai1); lcd_write_cmd(0x80+0x48); lcd_write_dat(shi1); lcd_write_cmd(0x80+0x49); lcd_write_dat(ge1); if(flag1==1&&flag2==1) { csb(); //調(diào)用紅外子程序 flag1=0; } } }4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)4.2.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖圖4.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序流程圖如上圖4.2，開始先檢測機(jī)器人的狀態(tài)如果相對預(yù)訂路線是直的，則調(diào)用直走子程序，即左右兩個(gè)電機(jī)都正轉(zhuǎn)；如果小車偏向預(yù)訂路線的左邊則調(diào)用向右走子程序，即左電機(jī)正轉(zhuǎn)右電機(jī)反轉(zhuǎn)；如果小車偏向預(yù)訂路線的右邊則調(diào)用向左走子程序，即左電機(jī)反轉(zhuǎn)右電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果小車到終點(diǎn)了則調(diào)用停止子程序，即兩個(gè)電機(jī)都不轉(zhuǎn)。4.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)voidgoahead()//巡查機(jī)器人直走{ IN1=1; IN2=0; IN3 =1; IN4=0;}voidgoback() //巡查機(jī)器人后退{(lán) IN1=0; IN2=1; IN3=0; IN4=1;}voidturnright() //巡查機(jī)器人向右轉(zhuǎn){ IN1=1; IN2=0; IN3=0; IN4=1;}voidturnleft() //巡查機(jī)器人向左轉(zhuǎn){ IN1=0; IN2=1; IN3=1; IN4=0;}voidzw_turnright() //用于轉(zhuǎn)彎時(shí)的左轉(zhuǎn){ IN1=1; IN2=0; IN3=0; IN4=0;}voidzw_turnleft() //用于轉(zhuǎn)彎時(shí)的右轉(zhuǎn){ IN1=0; IN2=0; IN3=1; IN4=0;}voidstop() //巡查機(jī)器人停止{ IN1=0; IN2=0; IN3=0; IN4=0;}voidPWM(void)//巡查機(jī)器人調(diào)速{PWM_ENA=1;PWM_ENB=1;delayXms(H);PWM_ENA=0;PWM_ENB=1;delayXms(L); PWM_ENA=0;PWM_ENB=0;delayXms(N);}4.3測距模塊程序設(shè)計(jì)4.3.1測距模塊流程圖圖4.3測距模塊流程圖測距模塊流程圖如圖4.3，開始時(shí)單片機(jī)先給紅外測距模塊Trig端發(fā)送一個(gè)高電平且這個(gè)高電平要持續(xù)20us，然后再給Trig端發(fā)送一個(gè)低電平，即啟動(dòng)了紅外測距模塊，紅外測距模塊會(huì)自動(dòng)發(fā)送紅外信號(hào)，等待是否有信號(hào)返回，如果有信號(hào)返回會(huì)通過IO口紅外測距模塊的Echo端輸出一個(gè)高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是紅外從發(fā)射到返回的時(shí)間，測試距離=（高電平時(shí)間*光速）/2，單位為m。如果距離小于50cm，車前的兩個(gè)LED等閃爍提示，如果距離小于7cm，小車自動(dòng)停下。4.3.2紅外測距避障模塊程序設(shè)計(jì)voidcsb(){ TH0=0; TL0=0; TX=1; //Trig發(fā)送端發(fā)出一個(gè)高電平 delay_20us(); //延時(shí)20us TX=0; //Trig發(fā)送端發(fā)出一個(gè)低電平 while(RX==0); //等待接收端為高電平 TR0=1; //啟動(dòng)定時(shí)器 while(RX); //等待接收端為低電平 TR0=0; //關(guān)閉定時(shí)器 time=TH0*256+TL0; juli=time*0.017;//(1/(12*1000000))*340*12*100/2得到的是距離單位為cm； if(juli<=7) { stop(); LED1=!LED1; LED2=!LED2; delayXms(100); flag3=1; } elseif((juli>5)&&(juli<=50)) { LED1=!LED1; LED2=!LED2; delayXms(100); flag3=0; } elseif(juli>50) { LED1=1; LED2=1; flag3=0; }}4.4顯示模塊程序設(shè)計(jì)4.4.1顯示模塊流程圖圖4.4顯示模塊流程圖圖4.4為顯示模塊流程圖，先是初始化LCD1602然后在液晶的第一行顯示"Journey:cm"液晶第二列顯示"Speed:mm/s"然后在主程序不斷的調(diào)用顯示程序刷新cm或者mm前面的數(shù)字。4.4.2顯示模塊程序設(shè)計(jì)bitlcd_busy() //判忙函數(shù){ bitresult; RS=0; RW=1; E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result=(bit)(P0&0x80); E=0; returnresult;}voidlcd_write_cmd(ucharcmd)//液晶寫指令{ while(lcd_busy()); RS=0; RW=0; E=0; _nop_(); _nop_(); P0=cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; }voidlcd_write_dat(uchardat) //液晶寫數(shù)據(jù)指令{ while(lcd_busy()); RS=1; RW=0; E=0; P0=dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; }voidLCD_Init() //液晶初始化指令{ delayXms(12); lcd_write_cmd(0x38); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x0c); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x06); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x01); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x80); for(i=0;i<16;i++)//液晶第一列顯示"Journey:mm" lcd_write_dat(display1[i]); lcd_write_cmd(0x80+0x40);//液晶第二列顯示"Speed:mm/s" for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(display2[i]);}

第5章總結(jié)論文圍繞智能巡查機(jī)器人的自主避障的相關(guān)問題，開展了理論與實(shí)踐緊密結(jié)合的研究。主要的工作有：首先，在閱讀了相關(guān)文獻(xiàn)和充分調(diào)研的的基礎(chǔ)上，總結(jié)了目前國內(nèi)外智能巡查機(jī)器人的自主避障的研究現(xiàn)狀，分析了未來的智能巡查機(jī)器人自主避障的發(fā)展和研究趨勢，總結(jié)了國內(nèi)外應(yīng)用于智能巡查機(jī)器人的多傳感器融合的研究現(xiàn)狀。通過分析了智能巡查機(jī)器人系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和機(jī)械控制系統(tǒng)，闡述了本設(shè)計(jì)所用的機(jī)器人系統(tǒng)平臺(tái)。其次，結(jié)合機(jī)器人的工作模式以及應(yīng)用于智能巡查機(jī)器人自主避障傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)構(gòu)建了基于紅外傳感器來檢測機(jī)器人行進(jìn)方向上的障礙物的檢測系統(tǒng)。通過多傳感器的信息融合的方法，將各個(gè)傳感器的信息進(jìn)行綜合處理，提高智能巡查機(jī)器人的避障能力總的來說，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)順應(yīng)了機(jī)器人開發(fā)的趨勢和要求。目前，機(jī)器人研究進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期，各種開發(fā)平臺(tái)的運(yùn)用越來越豐富。未來，機(jī)器人的發(fā)展空間將更為廣闊，趨勢更加明顯，它必將成為伴隨人類生存發(fā)展的重要工具。智能機(jī)器人研究在當(dāng)前機(jī)器人研究領(lǐng)域具有十分突出的地位，其顯著的特點(diǎn)是具有環(huán)境感知、判斷決策、人機(jī)交互等功能。本機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)在一定程度上模擬人的視覺以及簡單的思考能力，又在一定程度上實(shí)現(xiàn)了一個(gè)機(jī)器人的基本交互和顯示功能。首先本設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)技術(shù)，紅外測距避障技術(shù)構(gòu)成了智能機(jī)器人的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)；其次該智能機(jī)器人可以攜帶其他大量的外置設(shè)備進(jìn)行工作，例如攝像機(jī)，溫度檢測設(shè)備等，可根據(jù)人們的不同需求的以及外界環(huán)境的變化采用相應(yīng)的設(shè)備。

致謝

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Jr.AFlexibleControlArchitectureforMobileRobots: AnApplicationforaWalkingRobot[J].JournalofIntelligentandRoboticSystems,Springer Netherlands,2012,1(30),29-48.

附錄1原理圖

附錄2源程序#include<reg52.h> //包含頭文件，頭文件包含特殊功能寄存器的定義#include<intrins.h>//Keil外部函數(shù)庫包含文件，_nop_函數(shù)在此庫中#defineuintunsignedint#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlong#definediameter60//碼盤直徑#definedisc20//碼盤柵格數(shù)20個(gè)即20個(gè)脈沖是一圈#defineH100#defineL10#defineN20uinti,n,m,time=0;ucharbai1,shi1,ge1,qian,bai2,shi2,ge2,flag1=0,flag2=1;ulongspeed,count1,count2,journey,juli;//以下是定義端口sbitPWM_ENA=P3^0;sbitPWM_ENB=P3^1;sbitIN1=P1^4;sbitIN2=P1^5;sbitIN3=P1^6;sbitIN4=P1^7;sbitRS=P2^5; sbitRW=P2^6; sbitE=P2^7; sbitLED1=P2^0;sbitLED2=P2^1;sbitTX=P3^6; //超聲波模塊Trig觸發(fā)信號(hào)控制端sbitRX=P3^7; //接收回波控制端uchardisplay1[]={"Journey:mm"};uchardisplay2[]={"Speed:mm/s"};voiddelay_20us() //延時(shí)20us{ inta; a=2; while(a>0) a--;}voiddelay1ms(void)//延時(shí)1ms{uintj;for(j=0;j<=120;j++){_nop_();}}voiddelayXms(uintms)延時(shí)n毫秒{ uintk; for(k=0;k<ms;k++) {delay1ms();}}bitlcd_busy() //判忙函數(shù){ bitresult; RS=0; RW=1; E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); result=(bit)(P0&0x80); E=0; returnresult;}voidlcd_write_cmd(ucharcmd)//液晶寫指令{ while(lcd_busy()); RS=0; RW=0; E=0; _nop_(); _nop_(); P0=cmd; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; }voidlcd_write_dat(uchardat) //液晶寫數(shù)據(jù)指令{ while(lcd_busy()); RS=1; RW=0; E=0; P0=dat; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); E=0; }voidLCD_Init() ///液晶初始化指令{ delayXms(12); lcd_write_cmd(0x38); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x0c); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x06); delayXms(4); lcd_write_cmd(0x01); delayXms(4);lcd_write_cmd(0x80); for(i=0;i<16;i++)//液晶第一列顯示"Journey:mm" lcd_write_dat(display1[i]); lcd_write_cmd(0x80+0x40);//液晶第二列顯示"Speed:mm/s" for(i=0;i<16;i++) lcd_write_dat(display2[i]); }voidTimer_Init()//定時(shí)器0和定時(shí)器1初始化函數(shù){ TMOD=0x11; ET0=1; TR0=0; ET1=1; EA=1;TH1=(65535-50000)/256; //初使加載50毫秒 TL1=(65535-50000)%256;}voidINT0_Init()//外部中斷0初始化{ IT0=1; EX0=1; EA=1; }voidEXT_INT0(void)interrupt0//外部中斷0中斷處理函數(shù){count1++; count2++; }voidT0_time()interrupt1 //定時(shí)器0中斷處理函數(shù) { TH0=0; TL0=0; }voidT1_time()interrupt3 //定時(shí)器1中斷處理函數(shù) {TR1=0; TH1=(65535-50000)/256; TL1=(65535-50000)%256; n++; m++; if(m==2) { m=0; flag1=1; } if(n==20) //定時(shí)2秒（40個(gè)50ms為1秒） { n=0; journey=count2*3.14*diameter/disc/10;//路程等于總脈沖輸除以柵格數(shù)乘以周長單位cm qian=(journey/1000)+48; bai2=(journey%1000/100)+48; shi2=(journey%1000%100/10)+48; ge2=(journey%1000%100%10)+48; speed=count1*3.14*diameter/disc/2;//單位是mm/s因?yàn)槎〞r(shí)兩秒所以除以2 bai1=(speed/100)+48; shi1=(speed%100/10)+48; ge1=(speed%100%10)+48; count1=0; } TR1=1;}voidgoahead()//小車直走{ IN1=1; IN2=0; IN3 =1; IN4=0;}voidgoback() //小車后退{(lán) IN1=0; IN2=1; IN3=0; IN4=1;}voidturnright() //小車向右轉(zhuǎn){ IN1=1; IN2=0; IN3=0; IN4=1;}voidturnleft() //小車向左轉(zhuǎn){ IN1=0; IN2=1; IN3=1; IN4=0;}voidzw_turnright() //用于轉(zhuǎn)彎時(shí)的左轉(zhuǎn){ IN1=1; IN2=0; IN3=0; IN4=0;}voidzw_turnleft