范效瑋，湯臘梅，袁曉紅

（1.中南林業(yè)科技大學，湖南長沙，410004;2.湖南工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南長沙，410208）

1、引言

隨著自動控制技術的發(fā)展，越來越多的作業(yè)是在及其危險、惡劣甚至是人類無法生存的環(huán)境中完成的。這種人力無法完成的作業(yè)需要由人遙控操作機器人或者由機器人自主來完成，把人從危險繁瑣的勞動中解脫出來，如人通過電腦遙控火星車在火星上前進、挖掘、探測、采集標本等。在現(xiàn)代戰(zhàn)爭和拆除危險爆炸物中，遙控機器人顯得越來越重要，在戰(zhàn)場上大量使用機器人可以減少人員的傷亡，同樣在拆彈方面，遙控機器人代替人操作也能大大降低傷亡的風險[1]。

美國是機器人的誕生地，早在1962 年就研制出世界上第一臺工業(yè)機器人，比起號稱“機器人王國”的日本起步至少要早五六年[2]。70 年代后期，美國政府和企業(yè)界雖有所重視，但在技術路線上仍把重點放在研究機器人軟件及軍事、宇宙、海洋、核工程等特殊領域的高級機器人的開發(fā)上[3]，致使日本的工業(yè)機器人后來居上，并在工業(yè)生產(chǎn)的應用上及機器人制造業(yè)上很快超過了美國，產(chǎn)品在國際市場上形成了較強的競爭力。80 年代中后期，隨著各大廠家應用機器人的技術日臻成熟，第一代機器人的技術性能越來越滿足不了實際需要，美國開始生產(chǎn)帶有視覺、力覺的第二代機器人，并很快占領了美國60%的機器人市場。盡管美國在機器人發(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。

2 硬件組成

本系統(tǒng)以單片機AT89S52 為MCU，通過L298N 電機驅動模塊來驅動直流電機，無線傳輸采用單片機的串口和XL02-232AP1 無線模塊來完成，電機測速和循跡模塊均用到了紅外對管，通過電壓比較器LM393 將采集的模擬信號轉換為數(shù)字信號。系統(tǒng)的整體結構框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)硬件連接框圖

圖1 無線遙控循跡機器人整體結構框圖系統(tǒng)整體電路如圖2 所示

圖2 多功能單片機音樂播放器原理圖

3 軟件設計

3.1 Keil 開發(fā)系統(tǒng)

單片機幾乎集合了計算機系統(tǒng)的所有部件，包括運算器、控制器、IO 口，主要用來進行數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等，用匯編語言和C 語言[4]進行開發(fā)。

匯編語言是一種用文字助記符來表示機器指令的符號語言，是最接近機器代碼的一種語言。其主要優(yōu)點是占用的資源少，程序執(zhí)行效率高。但編程難度大，程序代碼可讀性差，且對于不同的CPU，語言體系有所差異，不易移植。

C 語言是一種結構化的高級語言。其優(yōu)點是可讀性好，移植容易，應用廣泛。

因此，本設計的單片機程序選用C 語言作為程序設計語言。與之對應，選用基于C51 內核的C 程序軟件開發(fā)平臺Keil C51。

Keil C51 是美國Keil Software 公司出品的51 系列兼容單片機C 語言軟件開發(fā)系統(tǒng)[5]。Kei1 C51 軟件提供豐富的庫函數(shù)和功能強大的集成開發(fā)調試工具，Keil C51 內嵌有多種符合目前工業(yè)現(xiàn)行標準的開發(fā)工具，可以完成從工程建立和管理、編譯、連接，目標代碼的生成，軟件仿真，硬件仿真等完整的開發(fā)流程。尤其C 編譯工具在產(chǎn)生代碼的準確性和效率方面達到了較高水平，可以附加靈活的控制選項，在開發(fā)大型項目時非常理想。Keil C51 集成開發(fā)調試界面如圖3 所示上位機軟件

圖3 Keil C51 集成開發(fā)調試界面

上位機軟件是電腦終端和單片機串口進行通信的重要連接部分，負責傳遞電腦終端和單片機的信息。本設計使用SSCOM作為上位機的軟件，作為電腦終端無線遙控機器人的軟件。

圖4 SSCOM上位機軟件界面

3.3 系統(tǒng)主程序設計

啟動該系統(tǒng)時，首先將串口初始化并設定初始速度的PWM占空比為70，然后等待用戶輸入命令。由于上位機軟件一次只能發(fā)送一個字符，所以前進和后退按鈕只需按一下發(fā)送一次字符，便于發(fā)送加速和減速的字符；在進行左右轉向時，則要一直按著按鈕直至需要停止時松開，便于控制其轉向的角度；需要循跡時，按一下“k”按鈕，繼電器開啟循跡電路的電源便可以開始循跡。機器人運行過程中，每隔1 秒將測量出的運行速度返送回電腦終端。系統(tǒng)主程序流程圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

3.4 串口初始化以及串口程序設計

本程序是控制串口[7]的子程序。串口初始化時，使用定時器1 來產(chǎn)生波特率，設定波特率為9600。發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時，由于發(fā)送和接收數(shù)據(jù)共用一個SBUF 寄存器，傳輸完一個字節(jié)數(shù)據(jù)時，通過標志位RI 或TI 會置位產(chǎn)生中斷。串口初始化程序如下：

3.5 電機驅動程序設計

電機調速由脈沖寬度調制P WM(PWM，Pulse Width Modulation)[6]來實現(xiàn)，通過調節(jié)占空比，調節(jié)L298N 的輸出電壓從而達到控制電機轉速快慢的目的，該技術被廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

占空比是高電平在一個周期之內所占的時間比率，如方波的占空比為50%，占空比為0.5，說明正電平所占時間為0.5 個周期。占空比波形如圖6 所示。

圖6 占空比波形

在初始化時，占空比設定為70，在機器人運行過程中可以通過無線遙控來對占空比進行加減，以實現(xiàn)對機器人的速度控制。電機驅動程序流程圖如圖7 所示。

圖7 電機驅動程序流程圖

3.6 循跡程序設計

機器人有5 路循跡模塊，中間1 路，左右各2 路，運行速度設定適中，以防機器人沖出黑線。循跡程序如下：

運行結果

根據(jù)程序設定，在電腦上用“w”、“s”、“a”、“d”控制機器人的前進，后退，左轉，右轉，“+”，“-”控制占空比，調節(jié)機器人的運行速度，并將適時轉速送回電腦。由于機器人的兩邊的履帶各由一個電機控制，在轉彎時一個電機正轉，另一個電機反轉，從而使機器人可以在原地轉360 度轉彎，實現(xiàn)了對機器人操作的精準性，運行時如圖8 所示。

圖8 總體效果圖

表1 為機器人運行時，通過調節(jié)占空比，得出機器人的運行速度，如表1，機器人處于循跡狀態(tài)時，在不同的速度下可以循跡的角度如表2。

表1 機器人運行速度與占空比的關系

表2 機器人運行速度與循跡角度的關系

機器人運動速度越快，循跡的角度越小。

4 結語

本文設計了無線遙控循跡機器人。無線遙控循跡機器人系統(tǒng)是以單片機AT89S52 為核心，采用無線傳輸模塊XL02-232AP1 進行遙控數(shù)據(jù)傳輸，L298N 電機驅動模塊作為機器人的動力系統(tǒng)，通過終端顯示出機器人的運行狀態(tài)，實現(xiàn)了對機器人進行實時準確的控制。本次設計采用了C 語言來編程，簡單、方便、便于理解。本設計基本上達到了設計的目的和要求。

[1]張俊健.單兵遙控機器人控制系統(tǒng)[J].兵工自動化,2009，（6）：4-5.

[2]吳振彪.工業(yè)機器人（第二版）[M].北京：華中科技大學出版社,2006：10-12.

[3]李云江.機器人概論[M].上海：上海大學出版社,2011：5-8.

[4]王幸之.AT89 系列單片機原理與接口技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2004：189-196.

[5]戴亞文.基于AT89S52 單片機的智能循跡機器人設計[J].機電工程技術,2009，(1)：8-9.

[6]Ma, Wuxing.Elevator System and Control to Achieve Based on MCS-51 Singlechip [J].Com-puter Science and Electronics Engineering (ICCSEE),2012：10-12.

[7]梅開鄉(xiāng).電子電路設計與制作[M].北京：北京理工大學出版社,2010：70-76.