【導(dǎo)讀】通信、傳感器信息融合、電源技術(shù)等多個領(lǐng)域。自主巡線機(jī)器人能跨越線。路附件、線塔等障礙物，實(shí)施大范圍、長時(shí)間的線路巡檢作業(yè)。本文介紹了一種沿高壓電力線行走并自動跨越障礙物的巡線機(jī)器人，統(tǒng)硬件和軟件的幾種抗干擾措施，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制。機(jī)正反轉(zhuǎn)，完成巡線機(jī)器人的各種動作，按照預(yù)定的固定路線行走。構(gòu)較簡單，易于實(shí)現(xiàn)。

　　

【正文】 檢測動 作 ， 大 臂 下降 無檢測、 、 行走無 無 無有 有有 有 有無 工作流程圖21 主程序 下面為該巡線機(jī)器人遇障完成一只臂動作的部分主程序：ORG 0000HAJMP STARTORG 0050HSETB START: MOV P3,0FFH CLR CLR CLR ；驅(qū)動行走電機(jī)全啟動 MOV R6,14H LCALL DELAY ；延時(shí)1s NOP NOPLCALL LED MOV P0,0FFHMOV P2,0FFHJB ,LOOP2 ；LOOP2為傳感器K2繼續(xù)檢測的循環(huán)程序LCALL LED ；檢測到障礙，顯示燈提示行走行走電機(jī)停止SETB ；控制行走電機(jī)停下SETB SETB LOOP1: MOV P0,0FEH ；小臂A2張開MOV R6,14H LCALL DELAY ；延時(shí)1sJB ,LOOP1LCALL LED ；檢測到小臂到位，提示小臂動作完成L1: MOV P0,7FH ；大臂A3動作下降 LCALL DELAY JB ,L1 SETB LCALL LED ；檢測到大臂到位，提示大臂動作完成L2: CLR 22 CLR ；驅(qū)動行走電機(jī)B1C1，機(jī)器人行走 MOV R6,28H ；延時(shí)稍長 LCALL DELAY JB ,L2 ；紅外傳感器 K2檢測 LCALL LED SETB SETB ；檢測到障礙物，行走電機(jī)停止 MOV P1,07FH ；小臂A4上升巡線 MOV R6,7CH LCALL DELAYS1: LCALL DELAY ；延時(shí)稍長 JB ,L3 LCALL LED AJMP L4L3: MOV P1,0BFH ；大臂A3 上升尋線 MOV R6,14H AJMP S1L4: MOV P1,0FFH MOV P0,0FDH ；A2閉合 MOV R6,7CH LCALL DELAY JB ,L4 ；k7檢測 LCALL LED AJMP S3 ……機(jī)器人的一只臂越障成功后，后面的手臂利用傳感器繼續(xù)檢測，并由單片機(jī)發(fā)出信號，控制驅(qū)動電機(jī)按預(yù)定的路線動作，完成越障過程。在這個過程中，機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了整個系統(tǒng)的閉環(huán)控制，該系統(tǒng)的硬件電路和軟件編程相配合有效地完成了巡線機(jī)器人沿高壓電力線行走功能，完成了檢測并跨越障礙物的任務(wù)，運(yùn)行較穩(wěn)定、可靠。 延時(shí)子程序的應(yīng)用 除上面介紹的 RC 電路去除觸點(diǎn)開關(guān)的抖動問題外，應(yīng)用軟件也可以去抖動。下面的延時(shí)子程序法就是軟件去抖動的一個例子。 圖 所示為開關(guān)輸入控制的例子。單片機(jī) 口接傳感器的限位開關(guān) S1，當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)燈 LED 亮，斷開時(shí)則滅。 口在讀入 S1 的狀態(tài)時(shí)要采取軟件延時(shí)方法，以克服按鈕抖動。23 程序如下： START: CLR 。燈滅 LOOP1: JB ,START 。=1 則等待 MOV R6,64H 。軟件延時(shí) LOOP2: MOV R7,0FAH LOOP3: DJNZ R7,LOOP3 。內(nèi)循環(huán) 250 次 DJNZ R6,LOOP2 。外循環(huán) 100 次 JB ,LOOP1 SETB 。燈亮 SJMP LOOP1 NOPAT89S51 單片機(jī)晶振為 12MHz，則每個機(jī)器周期為 1μs。指令 MOV R6,64H 執(zhí)行 1 個機(jī)器周期；指令 MOV R7,0FAH 執(zhí)行一次為 1 個機(jī)器周期，共執(zhí)行 100 次；DJNZ R7,LOOP3 執(zhí)行一次為 2 個機(jī)器周期，內(nèi)循環(huán)為 250 次，外循環(huán) 100 次；DJNZ R6,LOOP2 執(zhí)行一次為 2 個機(jī)器周期，共執(zhí)行 100 次。由此可計(jì)算軟件延時(shí)為： 1μS+（1μS+2μS250+4μS）100≈50ms1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 25May2021 Sheet of File: D:\業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)業(yè)\IEEE\業(yè)業(yè)\yuanlitu\ By: AT89S51R11KD1LEDS1SWSPST+5圖 口按鈕接入 延時(shí)子程序除上面介紹的觸點(diǎn)去抖動外，還用于機(jī)器人每次動作后的延時(shí)等待過程。延時(shí)子程序配合主程序，完成了系統(tǒng)需要的越障功能。 軟件編程的抗干擾措施在提高硬件系統(tǒng)抗干擾能力的同時(shí)，軟件抗干擾以其設(shè)計(jì)靈活、節(jié)省24硬件資源、可靠性好越來越受到重視。采用硬件抗干擾措施，只能抑制某個頻率段的干擾，仍有一些干擾會侵入系統(tǒng)。因此，除了采用硬件抗干擾方法外，還要采取軟件抗干擾措施。常用的軟件抗干擾措施為：①數(shù)字濾波方法；②輸入口信號重復(fù)檢測方法；③輸出端口數(shù)據(jù)刷新方法；④軟件攔截技術(shù)（指令冗余、軟件陷阱） ；⑤“看門狗”技術(shù)等。 指令冗余技術(shù)MCS51 的操作時(shí)序完全由程序計(jì)數(shù)器 PC 控制， CPU 取指令過程是先取操作碼，再取操作數(shù)。一旦 PC 因干擾出現(xiàn)錯誤，程序便脫離正常運(yùn)行軌道，出現(xiàn)“亂飛” ，出現(xiàn)操作數(shù)數(shù)值改變以及將操作數(shù)當(dāng)作操作碼的錯誤。在關(guān)鍵地方人為插入一些單字節(jié)指令，或?qū)⒂行巫止?jié)指令重寫稱為指令冗余。通常是在雙字節(jié)指令和三字節(jié)指令后插入兩個字節(jié)以上的NOP。這樣即使亂飛程序飛到操作數(shù)上，由于空操作指令 NOP 的存在，避免了后面的指令被當(dāng)作操作數(shù)執(zhí)行，程序自動納入正軌。 攔截技術(shù) 所謂攔截，是指將亂飛的程序引向指定位置，再進(jìn)行出錯處理。通常用軟件陷阱來攔截亂飛的程序。因此先要合理設(shè)計(jì)陷阱，其次要將陷阱安排在適當(dāng)?shù)奈恢?。軟件陷阱的設(shè)計(jì)：當(dāng)亂飛程序進(jìn)入非程序區(qū)，冗余指令便無法起作用。通過軟件陷阱，攔截亂飛程序，將其引向指定位置，再進(jìn)行出錯處理。軟件陷阱是指用來將捕獲的亂飛程序引向復(fù)位入口地址 0000H 的指令。通常在 EPROM 中非程序區(qū)填入以下指令作為軟件陷阱： NOP NOP LJMP 0000H 其機(jī)器碼為 0000020210。陷阱的安排：通常在程序中未使用的 EPROM 空間填 0000020210。最后一條應(yīng)填入 020210，當(dāng)亂飛程序落到此區(qū)，即可自動入軌。在用戶程序區(qū)各模塊之間的空余單元也可填入陷阱指令。當(dāng)使用的中斷因干擾而開放時(shí)，在對應(yīng)的中斷服務(wù)程序中設(shè)置軟件陷阱，能及時(shí)捕獲錯誤的中斷。如某應(yīng)用系統(tǒng)雖未用到外部中斷 1，外部中斷 1 的中斷服務(wù)程序可為如下形式： NOP NOP 25 RETI 返回指令可用“RETI”，也可用“LJMP 0000H”。如果故障診斷程序與系統(tǒng)自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)可靠、 完善，用“LJMP 0000H”作返回指令可直接進(jìn)入故障診斷程序，盡早地處理故障并恢復(fù)程序的運(yùn)行。 軟件看門狗技術(shù) 若失控的程序進(jìn)入“死循環(huán)”，通常采用“看門狗”技術(shù)使程序脫離“死循環(huán)”。通過不斷檢測程序循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，若發(fā)現(xiàn)程序循環(huán)時(shí)間超過最大循環(huán)運(yùn)行時(shí)間，則認(rèn)為系統(tǒng)陷入“死循環(huán)”，需進(jìn)行出錯處理。 “看門狗”技術(shù)可由硬件實(shí)現(xiàn)，也可由軟件實(shí)現(xiàn)。 在工業(yè)應(yīng)用中，嚴(yán)重的干擾有時(shí)會破壞中斷方式控制字，關(guān)閉中斷。則系統(tǒng)無法定時(shí)“喂狗”，硬件看門狗電路失效。而軟件看門狗可有效地解決這類問題。 在實(shí)際應(yīng)用中，采用環(huán)形中斷監(jiān)視系統(tǒng)。用定時(shí)器 T0 監(jiān)視定時(shí)器T1，用定時(shí)器 T1 監(jiān)視主程序，主程序監(jiān)視定時(shí)器 T0。采用這種環(huán)形結(jié)構(gòu)的軟件“看門狗”具有良好的抗干擾性能，大大提高了系統(tǒng)可靠性。對于軟件抗干擾的一些其它常用方法如數(shù)字濾波、系統(tǒng)故障處理、自恢復(fù)程序的設(shè)計(jì)、非正常復(fù)位的識別、非正常復(fù)位后系統(tǒng)自恢復(fù)運(yùn)行的程序設(shè)計(jì)、RAM 數(shù)據(jù)保護(hù)與糾錯等，限于篇幅，本文不再做討論。在工程實(shí)踐中通常都是幾種抗干擾方法并用，互相補(bǔ)充 完善，才能取得較好的抗干擾效果。從根本上來說，硬件抗干擾是主動的，而軟件是抗干擾是被動的。細(xì)致周到地分析干擾源，硬件與軟件抗干擾相結(jié)合，完善系統(tǒng)監(jiān)控程序，設(shè)計(jì)一個穩(wěn)定可靠的單片機(jī)系統(tǒng)是完全可行的。軟件編程在該機(jī)器人系統(tǒng)中占有非常重要的地位，也是大量科研結(jié)構(gòu)投入大量的人力物力進(jìn)行研究的方向。 小結(jié)AT89 系列單片機(jī)與 MCS51 系列在軟件上完全兼容，編制的匯編語言程序可運(yùn)行于這兩種系列的單片機(jī)。也就是說，AT89 系列單片機(jī)采用的也是 MCS51 指令系統(tǒng)。本章主要是根據(jù)巡線機(jī)器人要完成的功能，配合硬件電路完成了整個越障過程的軟件編程。并在實(shí)驗(yàn)室條件下，焊接電路板，完成了硬件電路的調(diào)試。經(jīng)過調(diào)試，該系統(tǒng)能夠按預(yù)定的路線有效地工作，很好地完成越障過程。265 結(jié)束本研究課題是在山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的基礎(chǔ)上，完成了硬件電路設(shè)計(jì)和軟件編程，實(shí)現(xiàn)了巡線移動機(jī)器人的計(jì)算機(jī)控制。對巡線機(jī)器人的越障系統(tǒng)在硬件和軟件方面進(jìn)行探討，為今后實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供了一定的理論依據(jù)和經(jīng)驗(yàn)。由于本人知識、經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)條件的限制，以及對科學(xué)研究手段和方法認(rèn)識不足，對實(shí)驗(yàn)機(jī)器人的研制還處于探索階段，有待于進(jìn)一步的學(xué)習(xí)。今后尚需開展的工作主要有以下幾個方面:借助計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人在軟件方面的控制作用。此次，由于本人在編程方面的水平較低，使單片機(jī)在機(jī)器人的控制過程中實(shí)現(xiàn)的功能較簡單，并未深入。采用更高級的聲光報(bào)警裝置、更高檔的單片機(jī)真正實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人在硬件方面的控制，并對單片機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。通過安裝各種傳感器，使巡線機(jī)器人具有自動定位，循環(huán)掃描在任何時(shí)刻都能判斷發(fā)生的隨機(jī)狀況，從而提高機(jī)器人的定位精度和自適應(yīng)性。27參考文獻(xiàn)[1]秦曾煌 主編，電工學(xué)（上冊）電工技術(shù)（第五版） ，高等教育出版社，1962。[2]秦曾煌 主編，電工學(xué)（下冊）電子技術(shù)（第五版） ，高等教育出版社，1964。[3]王幸之、王雷、翟成等編著 ，單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)抗干擾技術(shù)，北京航空航天大學(xué)出版社，2021。[4]胡漢才編著，單片機(jī)原理及其接口技術(shù)，清華大學(xué)出版社，1996。[5]譚浩強(qiáng) 主編，MCS51 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