摘要机器人的出现及发展，己经使传统生产的面貌发生了根本性的变化，使人类 的生产方式从手工作业、机械化、自动化跨入了智能化的新时代而机器人技术 一直又是人们关注的科学研究领域之一机器人研究集力学、机械工程学、电子 学、计算机科学和自动控制为一体，是一门综合性学科本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电 传感器传感器检测道路上的障碍，控制电动小车自动避障，快慢速行驶，以及自 动停车，并可以自动寻迹，自动记录时间整个系统的电路结构简单，可靠性能 高实验测试结果满足要求，本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果 分析采用的技术主要有：（1） 通过编程来控制小车的速度；（2） 传感器的有效应用；关键词80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车一、 设计任务：（1） 自动寻迹小车从安全区域启动2） 小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处避障， 实现灵活前进、转弯等功能，在轨道上划出设定的地图3） 小车按循迹路线运行，实现绕8字线循迹，整个过程显示运行时间，并可 自动停车二、 方案论证：1 .寻迹检测方案的选择探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的 反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。
利用这个原理， 可以控制小车行走的路迹下面几种可行的方案是根据本原理设计的：方案一：采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，如图1-1 所示其工作原理：当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电 阻R2无压降三极管截止，三极管的集电极输出高电平；反之，当有光照的时候， 光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通， 输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向本方案能达到基本 的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行 迹，损坏了信号采集的效果主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、 材料的反射情况有关直接影响到检测效果vccvcc图2-1发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器由于采用该有交流分量的调制 信号，侧可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接收管的最大工作电流取决于平 均电流如果采用占空比小的调制信号，再平均电流不变的情况下，瞬时电流很 大（50〜100mA），则大大提高了信噪比并且其反应灵敏，外围电路也很简单 如图1-2所示它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度，制作比较简单。
VCC,1R1150RPR220图2-2脉冲调制的反射式红外发射接收方案由以上两种方案比较可知方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点 探头也都基于这个原理其电路简单，工作可靠，性能比较稳定从而避免了电 路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统2 .电动机驱动方案的选择方案一：采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对 小车的速度进行调整这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时 间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小方案二：采用电机驱动芯片L298L298为单块集成电路，高电压，高电流， 四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路通过单片机的I/O输入 改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦 能满足直流减速电机的大电流要求调试时在依照上表，用程序输入对应的码值， 能够实现对应的动作表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系EN A (B)IN1 (IN3)IN2 (IN4)电机运行情况HHL正转HLH反转H同 IN2 (IN4)同 IN2 (IN4)快速停止LXX停止表1 L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系基于以上分析，我们选择了方案二，用L298N来做为电机的驱动芯片。
3 .障碍物探测方案的选择方案一：脉冲调制的反射式红外线发射接受器由于采用该有交流分量的调 制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平 均电流如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很 大（50〜100mA），则大大提高了信噪比并且其反应灵敏，外围电路也很简单 如图1-2所示它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度方案二：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片 机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶市场上很多红外光电探头也都 是基于这个原理这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性我们在这里采用的和寻迹传感器相同的电路，也就是第一种方案如图1-2 所示因为第二种方案超声波传感器价格比较昂贵通过以上各部分方案比较，我们选择STC89C51作为控制核心器件、脉冲调 制的反射式红外发射接收器作为寻迹和蔽障器件、采用普通直流电机来驱动小 车、采用电机驱动芯片L298驱动直流电机、采用单一电源供电为整个系统供电 整个系统我们做了细心的比较、与现实情况相联系起来，最终选取的图2-3系统原理框图三、分析与计算：1. 机械方案的设计小车的驱动设计为二轮驱动。
而二轮驱动又分为前轮和后轮驱动前轮驱动的好处是： 转向性能得到改善前轮是转向轮，使得转向时的行驶方向容易控制，不容易出现过度转向 的现象，转向安全性也得到提高2. 电子线路的设计采用一块微处理器AT89C51为控制系统的核心，负责控制电机、障碍检测 信号处理、循迹、液晶显示等电机驱动模块采用单片机作为电机的控制单元， 使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而实现电机调速单片机完成控 制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到电机，由于单片机系统是一个数 字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工 作可直流电机控制，液晶显示模块和单片机最小系统由一个电源供电障碍检 测模块用于检测小车前进路上的障碍物，如有障碍则进行避让自动循迹模块用 于检测黑线并进行循迹功能液晶显示模块用于显示当前小车运行状态⑵3. 车体结构设计为了满足机器人的性能要求，机器人的机械结构应该具有稳定性，运动灵活 性和足够强度的特点，同时尺寸要小，容量要大，重量要轻循迹小车的机械结 构组成部分主要有：车体的设计，传感器的安装3.1车体的设计为了保证小车良好的直线性，采用双电机驱动左右两轮的方式，在车体的后 端装有一个不锈钢万向滚珠，这样可以使小车获取较好的机动性和灵活性。
底盘 采用铝合金框架，以增大其坚固性，减轻重量3.2传感器的安装在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的 方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循 迹的可靠性小车行走时，始终保持黑线在两个第一级传感器之间，当小车偏离 黑线时，第一级探测器一旦探测到有黑线，单片机就会按照预先编定的程序发送 指令给小车的控制系统，控制系统再对小车路径予以纠正若小车回到了轨道 上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依 旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级动作，再次对小 车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去可以看出，第二级方向探测器实际 是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性4. 单片机AT89C51的系统设计由于51系列单片机在我国普及的时间比较早，开发和应用的实例比较多， 在学习编写程序时有丰富的实例可以参考和借鉴因此，我选择51系列单片机 进行控制本设计中我选用了 ATMEL公司的AT89C514.1 AT89C51 的特点AT89C51具有以下几个特点：-AT89C51与MCS-51系列的单片机在指令系统和引脚上完全兼容；•片内有4k字节可重复编程快擦写程序存储器；•全静态工作，工作范围：0Hz〜33MHz；•三级程序存储器加密；• 128x8 位内部 RAM；• 32位双向输入输出线；•两个十六位定时器/计数器；•五个中断源，两级中断优先级；•一个全双工的异步串行口；•间歇和掉电两种工作方式。
4.2 AT89C51的功能描述AT89C51是一种低损耗、高性能、CMOS八位微处理器，片内有4k字节的 可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年它与MCS-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容， 不仅可完全代替MCS-51系列单片机，而且能使系统具有许多MCS-51系列产品 没有的功能［5］AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的 可靠性，降低系统的成本只要程序长度小于4k，四个I/O 口全部提供给用户 可用5V电压编程，而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87C51的擦除时间的 百分之一,与8751/87C51的12V电压擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源 的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域工作电压范围宽(2.7V〜 6V)，全静态工作，工作频率宽在0Hz〜24MHz之间，比8751/87C51等51系列 的6MHz〜12MHz更具有灵活性，系统能快能慢AT89C51芯片提供三级程序存 储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿 制P0 口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部存储 器的读/写操作。
4.3 AT89C51引脚功能AT89C51单片机为40引脚芯片如图4-12345678910111213141516171819201P1.0VCCP1.1P0.0P1.2P0.1P1.3P0.2P1.4PCI .3P1.5P0.4P1.6P0.5P1.7P0.6RESETPCI .7P3.0EAP3.1ALEP3.2PSENP3.3P2.7P3.4P2.6P3.5P2.5P3.6P2.4P3.7P2.3XTAL2P2.2XTAL1P2.1GNDP2.0AT89C513938373635343332313029282726252423222140图3-1 AT89C51管脚图(1) 口线：P0、P1、P2、P3共四个八位口① P0 口是三态双向口，通称数据总线口，因为只有该口能直接用于对外部 存储器的读/写操作P0 口也用以输出外部存储器的低8位地图1址由于是分 时输出，故应在外部加锁存器将此地址数据锁存，地址锁存信号用ALE② P1 口是专门供用户使用的I/O 口，是准双向口③ P2 口是从系统扩展时作高8位地址线用不扩展外部存储器时,P2 口也 可以作为用户I/O 口线使用,P2 口也是准双向口。
④ P3 口是双功能口，该口的每一位均可独立地定义为第一 I/O功能或第二 I/O功能作为第一功能使用时操作同P1 口P3 口的第二功能如表4-1所示2） 控制口线:PSEN（片外选取控制）、ALE（地址锁存控制）、EA（片外存 储器选择）、RESET （复位控制）；（3） 电源及时钟：VCC、VSS、XTAL1、XTAL2操作方法4.4 AT89C51复位电路设计89系列单片机与其。