【正文】 基于單片機的多信息采集紅外避障機器人（福州大學物理與信息工程學院，福建 福州）摘 要 主要設計基于單片機控制的多信息采集自動避障機器人小車。采用AT89S52單片機進行實時控制，實現(xiàn)智能避障，另外通過車載的無線溫度采集，將采集到的溫度發(fā)送到上位機顯示在PC機上，從而實現(xiàn)溫度、光強、氣體濃度等等多信息采集的目的。研究內容包括：模塊化系統(tǒng)設計、單片機程序知識、pcb板制作、各個信息子系統(tǒng)的軟硬件設計。關鍵詞 多信息、智能避障、無線傳輸、VB上位機、單片機一、 引言：隨著社會的日益發(fā)展，智能機器人在現(xiàn)實生活中發(fā)揮其重要作用。研究基于單片機的多信息采集避障機器人，可以在此基礎上研發(fā)出更多自動化產(chǎn)品，例如自動巡邏機器人、自動吸塵器等從而提高人們的生活水平和質量。隨著超級商場、大型物流倉庫規(guī)模和數(shù)量的不斷擴大,高層高檔商用樓的日益增多,其保安巡邏自動化需求將日趨迫切。目前依賴于人力巡邏或CCD定位監(jiān)控已不能滿足夜間保安的要求,采用機器人實行定時、定點監(jiān)控巡邏與不間斷流動巡邏結合將解決這些場所的巡邏保安問題，所以很多國家都在研究這個方面，力求更加智能化，能夠基本取代人力。美國在機器人發(fā)展史上走過一條重視理論研究，忽視應用開發(fā)研究的曲折道路，但是美國的機器人技術在國際上仍一直處于領先地位。其技術全面、先進，適應性也很強。其他像英國、俄羅斯、法國、日本也都在機器人研究方面處于領先水平。目前，中國示教再現(xiàn)型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產(chǎn)的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入生產(chǎn)，所以機器人研究在中國已經(jīng)初步成型，不過還是有很大的空白需要填補。紅外的典型應用領域為自主式智能導航系統(tǒng)，機器人要實現(xiàn)自動避障功能就必須要感知障礙物，感知障礙物相當給機器人一個視覺功能。智能避障是基于紅外傳感系統(tǒng)，采用紅外傳感器實現(xiàn)前方障礙物檢測，并判斷障礙物遠近。綜合考慮各種因素，我們選擇多功能信息采集避障小車作為我們的制作項目。二、系統(tǒng)組成及電路設計：1. 系統(tǒng)組成部分紅外光電開關89C52單片機主系統(tǒng)電源模塊7805穩(wěn)壓模塊89C52單片機從系統(tǒng) （無線溫度發(fā)送）MQ煙霧、光敏傳感器模塊蜂鳴器報警12864大板液晶顯示89C52單片機從系統(tǒng) （無線溫度接受）蜂鳴器報警蜂鳴器報警VB上位機顯示（GUI界面）本系統(tǒng)組成如圖一所示，主要由三部分組成：1) 傳感器及信號處理部分：MQ煙霧信號、光強信號經(jīng)過處理后變成可處理的數(shù)字信號0或1以及溫度數(shù)據(jù)無線發(fā)射和傳輸部分；2) 以89C52組成的中央處理單元及其從系統(tǒng)2塊：處理信號并發(fā)出控制命令；3) 電源驅動避障控制電路 ：根據(jù)路況給出避障信號，并由89C52給出的命令控制小車走向，同時將時間信息顯示在板子上。整個系統(tǒng)在89C52控制下工作。其工作過程為：主控制單元根據(jù)光電開關的信號控制底層驅動使機器人小車正確避障，并向二層的溫度數(shù)據(jù)采集發(fā)送模塊供應5V穩(wěn)壓電，此時溫度數(shù)據(jù)通過DS18B20采集，通過從單片機的處理，將數(shù)據(jù)顯示在數(shù)碼管上，同時通過無線傳輸模塊NRF2401傳送至接受方板子上，通過串口，將數(shù)據(jù)進一步顯示于上位機上，形成友好的GUI采集信息界面（VB），該軟件系統(tǒng)能夠自動繪制溫度曲線，并且可以自動生成text文檔，方便觀測人員檢測溫度數(shù)值；另外，我們還在底層再添加了相應的MQ煙霧和光明電阻的信息采集模塊，可以對諸如烷烴類等可燃氣體和光度強暗進行判定報警。整個系統(tǒng)動態(tài)運動就可以進行實時地實現(xiàn)火檢等功能了。1）單片機最小系統(tǒng)控制模塊 作為微處理器部分，主要控制直流電機的轉速，機械輪的轉向，以及對脈沖調制的反射式紅外線的接收和處理，達到自主控制行進路線。下面是各系統(tǒng)概念模塊圖： a）51單片機基本介紹 51單片機是對目前所有兼容Intel 8031指令系統(tǒng)的單片機的統(tǒng)稱。該系列單片機的始祖是Intel的8031單片機，后來隨著Flash rom技術的發(fā)展，8031單片機取得了長足的進展，成為目前應用最廣泛的8位單片機之一，其代表型號是ATMEL公司的AT89系列，它廣泛應用于工業(yè)測控系統(tǒng)之中。目前很多公司都有51系列的兼容機型推出，在目前乃至今后很長的一段時間內將占有大量市場。51單片機是基礎入門的一個單片機，還是應用最廣泛的一種。需要注意的是52系列的單片機一般不具備自編程能力。用C 語言編寫單片機應用程序和編寫標準的C 語言程序的不同之處，在于根據(jù)單片機的存儲結構及內部資源定義C 語言中的數(shù)據(jù)類型和變量，其他的語法規(guī)定、程序結構及程序設計方法與標準的C 語言相同，所以在后面的幾節(jié)中主要介紹如何定義C51 中的變量的數(shù)據(jù)類型、存儲類型、特殊功能寄存器以及中斷函數(shù)，與標準C 相同的部分就不再贅述。b)51單片機主要功能：8位CPU4kbytes 程序存儲器(ROM) (52為8K) 　　256bytes的數(shù)據(jù)存儲器(RAM) （52有384bytes的RAM） 　　32條I/O口線111條指令，大部分為單字節(jié)指令 　　21個專用寄存器 　　2個可編程定時/計數(shù)器5個中斷源，2個優(yōu)先級（52有6個） 　　一個全雙工串行通信口 　　外部數(shù)據(jù)存儲器尋址空間為64kB 　　外部程序存儲器尋址空間為64kB 　　邏輯操作位尋址功能雙列直插40PinDIP封裝 　　單一+5V電源供電 　　五個中斷源的中斷控制系統(tǒng)； 　　一個全雙工UART（通用異步接收發(fā)送器）的串行I/O口，用于實現(xiàn)單片機之間或單片機與微機之間的串行通信； 　　片內振蕩器和時鐘產(chǎn)生電路，石英晶體和微調電容需要外接。最高振蕩頻率為12M。c)電路設計部分單片機最小系統(tǒng)核心電路圖： 2）紅外光電開關傳感器模塊a）分類與工作方式1)槽開光電開關把一個光發(fā)射器和一個接收器面對面地裝在一個槽的兩側的是槽形光電。發(fā)光器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下光接收器能收到光。但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作。輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。槽形開關的檢測距離因為受整體結構的限制一般只有幾厘米。2)對射式光電開光若把發(fā)光器和收光器分離開，就可使檢測距離加大。由一個發(fā)光器和一個收光器組成的光電開關就稱為以射分離式光電開光，簡稱對射式光電開關。它的檢測距離可達幾米乃至幾十米。使用時把發(fā)光器和收光器分別裝在檢測物通過路徑的兩側，檢測物通過時阻擋光路，收光器就動作輸出一個開關控制信號?！　?)反光板反射式光電傳感器把發(fā)光器和收光器裝入同一個裝置內，在它的前方裝一塊反光板，利用反射原理完成光電控制作用的稱為反光板反射式(或反射鏡反射式)光電開關。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到。一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號。　　4)擴散反射式光電開關它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是收不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關控制信號。5)光纖式光電開關把發(fā)光器發(fā)出的光用光纖引導到檢測點，再把檢測到的光信號用光纖引導到光接收器就組成光纖式光電開關。按動作方式的不同，光纖式光電開關也可分成對射式、反光板反射式、擴散反射式等多種類型。b）光電開光傳感器工作原理光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電傳感器在一般情況下，有三部分構成，它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測電路。發(fā)送器對準目標發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來源于半導體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測電路，它能濾出有效信號和應用該信號。此外，光電開關的結構元件中還有發(fā)射板和光導纖維。三角反射板是結構牢固的發(fā)射裝置。它由很小的三角錐體反射材料組成，能夠使光束準確地從反射板中返回，具有實用意義。它可以在與光軸0到25的范圍改變發(fā)射角，使光束幾乎是從一根發(fā)射線，經(jīng)過反射后，還是從這根反射線返回。正常情況下，發(fā)光器發(fā)出的光被反光板反射回來被收光器收到；一旦光路被檢測物擋住，收光器收不到光時，光電開關就動作，輸出一個開關控制信號它的檢測頭里也裝有一個發(fā)光器和一個收光器，但前方?jīng)]有反光板。正常情況下發(fā)光器發(fā)出的光收光器是找不到的。當檢測物通過時擋住了光，并把光部分反射回來，收光器就收到光信號，輸出一個開關信號。 C）紅外探測模塊原理圖探測障礙原理框圖3）LCD顯示模塊a） LCD顯示基本原理通常所說的12864LCD顯示塊是所說的點陣液晶顯示模塊，就是由128*64個液晶顯示點組成的一個128列*64行的陣列，所以也就叫成了12864。每個顯示點都對應著有一位二進制數(shù)，0表示滅，1表示亮。存儲這些點陣信息的RAM被稱為顯示數(shù)據(jù)存儲器。如果要顯示某個圖形或漢字就是將相應的點陣信息寫入到對應的存儲單元中。圖形或漢字的點陣信息是由自己設計，這時候問題的關鍵是顯示點在液晶屏上的位置與其在存儲器中的地址之間的關系。顯示點在6