1、基于單片機的自動巡線輪式機器人控制系統設計來源：國外電子元器件 作者：大連理工大學 關慧貞，邱鐵，葉希貴摘 要：設計了一種自動巡線輪式行走機器人控制系統，采用AT89S52型單片機作為主控CPU，外加一個復雜可鳊程邏輯器件(CPID)協助CPU處理數據，擴展了程序參數存儲器，能夠進行檢測引導線和直流電機、舵機的PWM控制。關鍵詞：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 輪式移動機器人是機器人研究領域的一項重要內容它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體。在各種移動機構中，輪式移動機構最為常見。輪式移動機構之所以得到廣泛的應用。主要是因為容易控制其移動速度和移動方向

2、。因此有必要研制一套完整的輪式機器人系統。并進行相應的運動規劃和控制算法研究。筆者設計和開發了基于5l型單片機的自動巡線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31 CPLD設計 在機器人控制系統中需要控制多個電動機和行程開關還要進行光電檢測如果所有的任務都由AT89S52型單片機來完成CPU的負擔就會過重。影響系統的處理速度。因此擴展1個CPLD型號為EPM7128。它屬于MAX7000系列器件。包括2個通用1/0口2個專用IO口，專用IO口可作為每個宏單元和

3、輸入輸出引腳的高速控制信號(時鐘、清除和輸出使能等)，電動機的。PWM信號也由其產生。 EPM7128的引腳排列如圖2所示。MlPM4P引腳的輸出為PWM脈寬調制信號，M1FBM4FB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個通用IO口，SIlS17引腳為行程開關輸入信號，LI11一LI17引腳為光電探頭輸入信號。CPLD的編程用VHDL語言，產生1路PWM信號的部分程序源代碼如下： 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： 調節這個信號的占空比可以使直流電動機獲得O-25

4、5級的轉速。32 機器人運行參數存儲器的擴展 機器人運行路徑和動作可以根據比賽情況的不同而發生變化，這樣，每改變1次運行參數就必須對單片機的Flash進行1次擦寫。為了解決這一問題擴展了程序參數存儲器，用來存放機器人的運行路徑和動作參數擴展電路如圖3所示。 其中IC1為24LC08B，是I2E總線的串行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，實現計算機與單片機之間通過串行口傳輸數據，使單片機完成對24LC08B的數據存儲操作。單片機運行時，直接從24LC08中讀取機器人的運行參數，控

5、制機器人運行。4 光電檢測模塊設計41 光電檢測過程 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。光電檢測電路主要包括發射部分和接收部分，其原理如圖4所示。 發射部分的波形調制采用了頻率調制方法。由于發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，能夠滿足要求。光源驅動主要負責把調制波形放大到足夠的功率去驅動光源發光。光源采用紅外發光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調制光的發射。 接收部分采用光敏二極管接收調制光線，將光信號轉變為電信號。這種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大后才能進行處理。調制信號的放大采用交流放

6、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行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，此模塊的本質是將“交流”的、有用的調制光信號從“直流”的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗干擾的目的。42 光電探頭 光電探頭安裝在機器人底盤前部，共設置了5個檢測點。從理論上講，檢測點越多、越密，識別的準確性與可靠性就越高，但是硬件的開銷與軟件的復雜程度也相應的增加。采用該巡線系統保證了檢測的精確度，節約了硬件的開銷。發光二極管發出的調制光經地面反射到光敏二極管。光敏二極管產生的光電流隨反射光的強弱而線性變化。把這種變化檢測出來，就可以判斷某一個檢測點是否在白色引導線的上方，從而判斷機器人和白色引導線的相對位置。5 電機驅動模塊 機器人的驅動件主要是電機和舵機，都可以采用PWM進行調速與控制。根據脈沖編碼器的反饋信號，對機器人的運動狀態進行實時控制。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