基於單片機智能機器人控制系統研究設計
Design And Research of Smart Robot Control System Based On Single——chip M icrocomputer
f鄭州航空工業管理學院)陳 字
CHEN YU
摘要：利用紅外傳感器光電轉換特性．以AT89C51單片機作為核心控制單元對檢測信號進行處理，完成了智能機器人控制
系統的設計。文章詳細介紹了系統構成、軟硬件設計方法。該機器人控制系統基於紅外技術、單片機技術等設計，實現了步
行、跟蹤、避障、步伐調整、語音、聲控、液晶顯示、地面探測等功能。系統在智能性、準確性、實時性方面達到了較高的要求，
具有較好的應用前景。
關鍵詞：單片機；紅外技術；機器人；智能控制系統
中圖分類號：TP216 文獻標識碼：B
AIbstract：By using the photo—voltage characteristics of the pyroelectric infrared sensor．Detection signal was processed wiith the core
of AT89C5 1．Its construction and methods of hardware and software design were introduced in detail．The control system designator of
smart robot based on infrared technology，single—chip microcontroller technology ．This robot realizes talking，tracing，obstacle avoiding，
adjusting step，speaking，noise controlling，liquid crystal displaying，ground detecting etc．The system achieves higher requirement，
such as smart，accuracy and real-time operation，and its application foreground is bright．
Keywords：Single-chip microcomputer，infrared technology，robot．，smart control system
引言
單片機技術作為自動控制技術的核心之壹。被廣泛應用
於工業控制、智能儀器、機電產品、家用電器等領域。隨著微電
子技術的迅速發展，單片機功能也越來越強大，本設計基於單
片機技術、紅外技術完成智能機器人控制系統設計。智能機器
人研究在當前機器人研究領域具有十分突出的地位， 其顯著
的特點是具有環境感知、判斷決策、人機交互等功能? 。本智
能機器人系統主要實現了步行、跟蹤、避障、步伐調整、語音、
聲控、液晶顯示，地面探測等功能。在遇到外界條件發生變化
時．該機器人將采取不同的措施對待，較好地表現出該機器人
的思考能力。
步伐校正
語音模塊
紅外探測
地面探測
單片機控制
器MCU1
單片機控制
器MCU2
驅動電路
光電轉換
觸覺模塊
顯示模塊
圖1機器人控制系統結構圖
1智能機器人簡介
1．1系統框圖
該智能機器人控制系統采用兩片AT89C5 1121控制，壹片單
片機MCU1用於整個系統的控制，另壹片單片機MCU2用於驅
陳宇：講師碩士
動液晶屏LCM1602工作．它們之間通過I／O口通訊，以實現兩
片單片機***同工作的相互協調控制。系統框圖[3l~l圖1所示。
設計中，MCU1的P1．0、P1．3分別接觸覺傳感器，P1．6壹-P1．7
接視覺紅外傳感器．P2．0壹P2A 13控制繼電器驅動電路，P2．5 13
接地面探測傳感器．P2．6壹P2．7接步伐校正光耦器，P3．0-壹P3．5接
ISD25120語音芯片
1．2實現功能
機器人在移動過程中，會發出語音提示：“目標搜索中”，同
時液晶顯示：“'Target is in searching”'；前進過程中發現目標，語
音提示：“發現目標”：液晶顯示：“Find object”，機器人自動向該
目標轉向；對準目標後，語音提示：“鎖定目標”，液晶顯示：
“Lock it”，同時機器人向目標繼續前進；如機器人撞上目標，語
音提示：“前方有障礙物”，液晶顯示：“Obstacles impending”，機
器人根據觸角碰撞的先後順序，向該相反的方向轉角約100
度，繼續前進：當前方地面出現斷層，語音提示：“危險，前方地
面有斷層”，液晶顯示：“Warning，fault ahead”。同時機器人會向
後退幾步，轉向後繼續前進；如果機器人在轉向過程中，步伐錯
亂，便會自動執行步伐調整程序，以校正步伐。
2系統設計
2．1驅動電路
要想讓機器人有穩定行走能力，需要選擇穩定的電動機驅
動系統。本設計利用三極管放大作用對單片機I／O口電流進行
放大，驅動繼電器控制電動機轉動。且不會對輸入電流有任何
影響，完全可以給電動機提供大電流。保證電路工作穩定。
電動機驅動電路采用兩個NPN管對單片機AT89C5 1的I／
O口輸出電流信號放大，利用電阻R19、R20作為三極管基極進
行保護。當單片機I／O口有信號輸出時．該電流經電阻後送入第機器人技術 中文核心期刊《微計算機信息》(嵌入式與SOC)2007年第23卷第12．2期
壹級三極管基極，使第壹級_壹極管導通，導通電流經電阻送人
第二個三極管基極，進壹步放大電流，以達到繼電器驅動電流。
根據計算，送人繼電器的電流是經過兩極放大電路放大了約
S2倍，9014在此做開關作用。經過兩級放大後驅動繼電器。如
圖2所示。
l
圖2電機驅動電路原理圖
每個繼電器相當於壹個單刀雙擲開關．由此．兩個單刀雙
擲開關，組成電動機正反轉控制電路，實現機器人前進、後退
動作。
2．2視覺電路
在此設計中．我們僅要求機器人發現並跟蹤目標，不需要
識別目標。因此采用最常用的紅外線反射傳感器來作為機器人
的視覺功能，檢測機器人前方是否有目標。該功能的實現采用
的是兩個型號為TX05D的紅外線反射傳感器。TX05D常用的
紅外反射式接近開關，它內部有壹紅外線發射管和壹紅外線接
收管。發射管發出紅外線，如果其正前方沒有物體，那麽接收管
接收不到紅外線反饋信號。當前方出現物體時，紅外線信號經
過物體被反射了回來．這時接收管接收到信號，向單片機發出
高電平信號，以告知單片機其前方出現障礙物。
兩個紅外線傳感器安裝在機器人前方的兩側，在機器人工
作時．兩個傳感器始終向外發射紅外線探測信號．當其中壹個
傳感器接收到反饋信號時，便向單片機發出高電平信號，告知
單片機該方向發現目標，單片機經過判斷後，控制電動機向該
方向轉向，以實現跟蹤功能。當兩個傳感器都感應到目標時，機
器人便向著目標直著前進，直到撞上目標。
2．3步伐調整電路
當機器人在前進過程中．如果電機轉速不壹致或者在轉向
過程中打亂了步伐，這時便會啟動步伐調整功能，該功能是利
用兩個光耦來完成的。在機器人腿部，裝有兩片通過光耦的擋
片，當機器人正常行走時，擋片會交替的打開和關閉光耦。如果
兩個光耦的狀態始終不相同。那麽就說明該機器人步伐正常。
當光耦狀態出現相同時，說明機器人步伐錯亂，需要校正步伐。
這時便會隨機停下壹條“腿”，等另壹條“腿”走在合適位置，即
光耦狀態相反時，再作出同步前進。電路如圖3所示。
圖3步伐校正電路原理圖
2．4顯示電路
本功能主要實現了人機交互的視覺平臺。本設計采用
LCM1602液晶顯示模塊，該模塊是最常用的英文顯示模塊．它
內部含有英文字庫，使用方便，價格便宜。液晶顯示功能是配合
語音功能***同使用的附加功能，它的作用就是可以顯示當前的
狀態，以實現機器人的人機交互顯示功能。
LCM1602是壹種16字x2行的字符型液晶模塊．主要有總
線連接方式和模擬口連接方式。本設計采用的是模擬口連接方
式，它和前者相比，電路更加簡潔。在該電路中，P1口給顯示屏
輸送數據，P3．0到P3．2則控制向該顯示屏讀寫數據的狀態。VL
管腳過1K電阻接地，作用是限制液晶顯示的色度深淺。BLA和
BLK則是背光燈電源接口。電路如圖4所示。
圖4顯示電路原理圖
設計中．P2口則是用於與MCU1通訊．它始終監控著
MCU1的狀態．以保持顯示內容和語音同步。
2．5語言電路
為了確保操作的無誤性，運用聲音進行第二重提示．本系
統用到的ISD25120語音芯片是美國ISD公司生產的高保真錄
放壹體化的單片固態語音集成電路，錄放時間為120秒，可運
行多段信息處理，可反復錄音十萬次6，並且ISD25 120使用時
不需要考慮如何驅動語音芯片，只需要直接用51控制該語音
電路的觸發時間，播放出事先錄好的聲音文件，以實現機器人
說話這個功能。電路如圖5所示。
“- -Is 嵩
圖5語音電路原理圖
2．6亞超聲接收電路
機器人上面裝有壹個亞超聲接收模塊．當接收到外部的亞
超聲．機器人會做出停止和運行動作，以實現機器人的聽覺功
能。該部分的實現采用了成品的亞超聲接收板，在設計中，將其
輸出的信號經過光電開關轉換成可以觸發單片機I／0口的低電
平開關信號．以告知單片機目前亞超聲開關的狀態。電路如下
圖6所示.目和其它信息、數據；互聯網接人模塊用於寬帶接人互聯網；紅
外線模塊控制遙控器的發送與接收，選擇電視節目或實現其它
功能；雙口RAM用來實現與STI5518的數據交換。
4 數字網絡機頂盒的軟件和功能
由於嵌人式系統軟件和微處理器密切相關，所以通常采用
分層模型來描述，軟件層次結構自底而上分為固件層、驅動層、
中間件、應用層，這樣，壹旦硬件模塊發生變化，軟件的修改只
發生在和硬件相關的固件層 中間件和應用層可以保持不變，能
夠減少編程工作量，縮短軟件開發時間。層次構建遵循的原則：
某壹層的模塊可調用下層模塊，同時又能被上層調用，同層之
間壹般不能調用。
數字網絡機頂盒的硬件組成相當於壹臺奔Ⅲ的計算機和數
字機頂盒，所以其功能既能夠完成計算機的功能又能夠完成數
字機頂盒的功能。該數字網絡機頂盒的能完成主要功能是：
1)數字電視節目的接收
2)DVB公***解擾算法和條件接收
3)支持PAUNTSC／SECAM
4)支持MPEG壹2圖像和MP3、杜比5．1音質
51遠程教育
6)按次付費電視收看
7)電子節目指南
81互聯網的接人
9)數字電視節目存儲
10)視頻點播(VOD)
11)交互式電視遊戲等等，可以看出，數字網絡電視機頂盒
的功能十分強大。
5 總結
本文作者的創新點是完成了基於ARM9和STi5518的數字
網絡機頂盒硬件平臺的設計。文中對傳統的數字機頂盒和數字
網絡機頂盒作了比較，同時給出了數字網絡機頂盒的硬件邏輯
方框圖，以及軟件模型和功能。該設計實現後，不僅能夠完成傳
統數字機頂盒的功能，還能夠完成電視節目的存儲和連上互聯
網的功能，有理由相信，隨著數字電視時代的到來，該設計能得
到廣泛的應用。
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作者簡介：侯冬U~(1974～)：男(土家族)，湖南張家界人，湖南吉首
大學物理信息學院講師，碩士，主要從事ARM技術和嵌人式系
統的研究。
Biography：Hou Dong—qing (1974壹：male(Tu—jian nationality)．
Hanan Zhangjiajie， the instructor of College of physics Science
and Information Engineering， Jishou University，Hunan． master，
the research direction is the ARM technology and Embedded
system ．
(416000 湖南吉首大學物理科學與信息工程學院)侯冬睛
通訊地~f：(416000 湖南吉首大學物理科學與信息工程學院)
侯冬晴
(收稿日期：2007．9．13)(修稿日期：2007，11．15)
圖6亞超聲接收電路原理圖
3總結
本機器人系統設計在壹定程度上模擬了人類的視覺、觸
覺、聽覺、語音及簡單的思考能力，又在壹定程度上實現了壹個
機器人最基本的人機交互顯示功能，但新的需求和任務也對機
器人的性能提出了更高的要求。本系統利用雙單片機通訊較好
地處理了各傳感器之間的協調問題，以及傳感器之間的優先響
應問題。
本文作者創新點：1、本設計基於單片機技術、紅外技術完
成智能機器人控制系統設計，智能機器人研究在當前機器人研
究領域具有十分突出的地位， 其顯著的特點是具有環境感知、
判斷決策、人機交互等功能：2、該智能機器人在壹定程度上模
擬了人類的視覺、觸覺、聽覺、語音及簡單的思考能力，又在壹
定程度上實現了壹個機器人最基本的人機交互顯示功能：3、系
統設計中采用采用兩片AT89C5l控制，系統模塊化設計，通過
系統功能擴展，具備高度的靈活性和廣泛的適用性。
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作者簡介：陳宇(1978～)，男(漢族)，河南鄭州人，鄭州航院機電工
程系講師，碩士，主要從事電子通訊與自動控制技術教學與科
研工作
Biography：Chen Yu(1978-)，Male，Henan Zhengzhou，Lecturer of
department of Machinery and Electricity Engineering，Zhengzhou
Institute of Aeronautics Industrial Management，Master．Mainly en—
gaged in teaching and researching on the electronics eommunica—
tion and automatic control technique．