1、PAGE PAGE 28 本科生畢業(yè)論文（設計）論文（設計）題目：基于單片機的機器人探討 學 院、 系： 專 業(yè) (方 向)： 年 級、 班： 學 生 姓 名： 指 導 教 師： _年 月 日聲 明本人鄭重聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是本人在導師的指導下取得的成果。對本論文（設計）的研究做出重要貢獻的個人和集體，均已在文中以明確方式標明。因本畢業(yè)論文（設計）引起的法律結果完全由本人承擔。本畢業(yè)論文（設計）成果歸*學院所有。 特此聲明畢業(yè)論文（設計）作者簽名： 2009 年05 月15日基于單片機的機器人技術的探討摘 要 機器人技術代表一個國家的綜合國力，我國也非常重視，經(jīng)常派代表參加國外或組

2、織國內(nèi)的機器人競賽。由亞廣聯(lián)（ABU）倡導舉辦的機器人電視大賽在中國賽區(qū)的主題是鵲橋相會。機器人技術對科學技術發(fā)展和對人類社會進步的巨大推動作用, 在2l世紀必將得到越來越大的發(fā)展,特別是將成熟的單片機技術應用于機器人技術以提高機器人智能性方面的研究一直是一個活躍的研究領域，但我國在這方面的研究相對滯后。本文主要論述，第一機器人的發(fā)展歷史、機器人的發(fā)展趨勢、機器人的核心技術。第二單片機的發(fā)展史、單片機的定義、單片機的用途。第三單片機技術在機器人中的應用。關鍵詞：機器人 單片機 智能機器人Probing into the Robot Technology Basing on SCMAbstrac

3、tRobot technology stands for a countrys national power. Our country shows much attention to this, and usually dispatches delegation to attend international robot contest. The main theme in China of Asia-Pacific Robot Contest held by ABU is meeting on the magpie bridge. According to the rule of the c

4、ontest, the task of the robot is analyzed, and it mainly includes eight items: course identification, space orientation, environment identification, error correction, speed control, auto decision, inside detection and object seizing. A hardware scheme of the robot is designed, and feasible research

5、is done from the following four aspects: first, this paper uses the sensor theory and an experimental program of sensor to prove the feasibility of single-chip controlling the sensor. Second, it uses an experiment on motor to check the feasibility of single-chip controlling driving motor. Third, it

6、analyzes whether the robot can keep balance from the balance viewpoint. Fourth, it deduces that the robot can catch the object from atmospheric pressure.Keyword: Automatic Robot Single-chip Motor目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc231634424 一、前言 PAGEREF _Toc231634424 h 1 HYPERLINK l _Toc231634425 二、

7、機器人 PAGEREF _Toc231634425 h 3 HYPERLINK l _Toc231634426 （一）機器人的發(fā)展 PAGEREF _Toc231634426 h 3 HYPERLINK l _Toc231634427 1、機器人的發(fā)展史 PAGEREF _Toc231634427 h 3 HYPERLINK l _Toc231634428 2、機器人的發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc231634428 h 7 HYPERLINK l _Toc231634429 3、發(fā)展趨勢 PAGEREF _Toc231634429 h 8 HYPERLINK l _Toc23163443

8、0 （二）機器人的應用領域 PAGEREF _Toc231634430 h 10 HYPERLINK l _Toc231634431 （三）機器人的核心技術 PAGEREF _Toc231634431 h 12 HYPERLINK l _Toc231634432 三、單片機 PAGEREF _Toc231634432 h 12 HYPERLINK l _Toc231634433 （一）單片機的發(fā)展史 PAGEREF _Toc231634433 h 12 HYPERLINK l _Toc231634434 （二）單片機的定義 PAGEREF _Toc231634434 h 13 HYPERLIN

9、K l _Toc231634435 （三）單片機介紹 PAGEREF _Toc231634435 h 14 HYPERLINK l _Toc231634436 四、單片機技術在機器人中的應用 PAGEREF _Toc231634436 h 16 HYPERLINK l _Toc231634437 （一）單片機技術在機器人視覺系統(tǒng)中的應用 PAGEREF _Toc231634437 h 17 HYPERLINK l _Toc231634438 （二）單片機技術在機器人運動系統(tǒng)中的應用 PAGEREF _Toc231634438 h 18 HYPERLINK l _Toc231634439 （三）

10、單片機在智能機器人設計中的應用 PAGEREF _Toc231634439 h 19 HYPERLINK l _Toc231634440 五、結論 PAGEREF _Toc231634440 h 26 HYPERLINK l _Toc231634441 參考文獻 PAGEREF _Toc231634441 h 27 HYPERLINK l _Toc231634442 致謝 PAGEREF _Toc231634442 h 28基于單片機的機器人探討一、前言 機器人工程是一門綜合性的學科，它集工程力學、機械制造、電子技術、技術科學、自動控制等為一體。機器人技術的發(fā)展，是一個科學技術發(fā)展的一個綜合性

11、的結果，也是對社會經(jīng)濟發(fā)展產(chǎn)生重大影響的一門科學技術。 機器人技術的發(fā)展把我們從危險和枯燥中解脫出來。機器人技術已經(jīng)被開發(fā)用于處理核能和放射性化學制品的很多不同用途，包括核武器、電廠、環(huán)境清潔和某些藥品的處理。機器人也用于執(zhí)行很多乏味、不愉快但必需的任務，如焊接和看門工作。另外機器人還可用于干人干不了的活，比方說人們對太空的認識，人上不的時候，叫機器人上天，上月球，以及到海洋，進入到人體的小機器人，還有在微觀環(huán)境下，對原子分子進行搬遷的機器人，都是人們不可達的工作。 其次，發(fā)展機器人技術可以提高國防實力。在海灣戰(zhàn)爭、波黑戰(zhàn)爭、科索沃戰(zhàn)爭中，各種無人機和地面軍用機器人系統(tǒng)在戰(zhàn)場偵察、探雷排雷、監(jiān)

12、視、通訊中繼、電子對抗、火力導引、戰(zhàn)果評估、騷擾、攻擊等方面都起了特殊的作用。鑒于高新技術對未來戰(zhàn)爭的指揮系統(tǒng)、戰(zhàn)場環(huán)境將產(chǎn)生重大影響。另外，機器人可以形成一個巨大的產(chǎn)業(yè)。盡管目前發(fā)展相對成熟的只有工業(yè)機器人，但從世界機器人的發(fā)展趨勢看，服務機器人、個人機器人具有巨大的市場潛力，可以預見，個人機器人將會像個人電腦一樣走進千家萬戶，成為揉社會必不可少的生活用品。 近年來本等開發(fā)了多種可以應用于常生活里的機器人。例如在電視上頻頻露面的類人型機器人ASIMO（由日本田開發(fā)）。2007年8月，ASIMO隨日本首相訪問捷克，開始了它的“外交”之路。SONY亦不甘落后，先是開發(fā)了風靡全球的AIBO機器狗，

13、后來又推出拎人型機器人SDR-4X。美國一家公司開發(fā)了一種iBot自動平衡輪椅，并已經(jīng)獲得FDA的認證。這種輪椅可以為殘疾人的行動帶來更多的便利，將為他們的生活帶來革命性的變化。 機器人技術成了科技經(jīng)濟的必爭之地，世界各國都非常重視機器人技術的開發(fā)與研究。目前本繼前兩個機器人計劃“極限作業(yè)機器人”計劃和“微機械技術”開發(fā)計劃之后，正在實施第三個“人型機器人”計劃；美國僅花在無人機上的費用就已達25億美元。我國政府也非常重視機器人的研究，早在“七五”期間就開始了工業(yè)機器人和水下機器人攻關計劃，并取得了一定的成績。1986年，國家“863”計劃將智能機器人列入其中。經(jīng)過十幾年的艱苦奮斗，從跟蹤世界

14、先進水平到自主開發(fā)，取得了舉世矚目的成果。例如，我國在爭取公海海域優(yōu)先開采權的過程中，由國家“863”計劃研制的6000米水下無纜自治機器人系統(tǒng)先后兩次出海，獲得了海底錳結核分布的珍資料，使我國成為世界上少數(shù)幾個具有深海探測能力的國家之一。 我國對培養(yǎng)機器人時代所需要的人才也非常重視。近幾年來，我國舉辦了多次機器人大賽，也派隊伍參加許多國際性的競賽，比如機器人足球、機器人滅火、機器人走迷宮、機器人相撲等等。二、機器人（一）機器人的發(fā)展1、機器人的發(fā)展史“機器人”一詞起源于捷克語，意為強迫勞動力或奴隸。這個詞是由劇作家Karel Capek引入的，他虛構創(chuàng)作的機器人很象 Frankenstein

15、 博士的怪物由化學和生物學方法而不是機械方法創(chuàng)造的生物。 美國：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。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國現(xiàn)已成為世界上的機器人強國之一，基礎雄厚，技術先進。綜觀它的發(fā)展史，道路是曲折的，不平坦的。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。其技術全面、先進，適應性也很強。具體表現(xiàn)在：（1）性能可靠，功能全面，精確度高；（2）機器人語言研究發(fā)展較快，語言類型多、應用廣，水平高居世界之首；（3）智能技術發(fā)展快，其視覺、觸覺等人

16、工智能技術已在航天、汽車工業(yè)中廣泛應用；（4）高智能、高難度的軍用機器人、太空機器人等發(fā)展迅速，主要用于掃雷、布雷、偵察、站崗及太空探測方面。 英國：早在1966年，美國Unimation公司的尤尼曼特機器人和AMF公司的沃莎特蘭機器人就已經(jīng)率先進入英國市場。1967年英國的兩家大機械公司還特地為美國這兩家機器人公司在英國推銷機器人。接著，英國 Hall Automation公司研制出自己的機器人RAMP。70年代初期，由于英國政府科學研究委員會頒布了否定人工智能和機器人的Lighthall報告，對工業(yè)機器人實行了限制發(fā)展的嚴厲措施，因而機器人工業(yè)一蹶不振，在西歐差不多居于末位。但是，國際上機

17、器人蓬勃發(fā)展的形勢很快使英政府意識到：機器人技術的落后，導致其商品在國際市場上的競爭力大為下降。于是，從70年代末開始，英國政府轉而采取支持態(tài)度，推行并實施了一系列支持機器人發(fā)展的政策和措施，如廣泛宣傳使用機器人的重要性、在財政上給購買機器人企業(yè)以補貼、積極促進機器人研究單位與企業(yè)聯(lián)合等，使英國機器人開始了在生產(chǎn)領域廣泛應用及大力研制的興盛時期。 法國：法國不僅在機器人擁有量上居于世界前列，而且在機器人應用水平和應用范圍上處于世界先進水平。這主要歸功于法國政府一開始就比較重視機器人技術，特別是把重點放在開展機器人的應用研究上。 德國：德國工業(yè)機器人的總數(shù)占世界第三位，僅次于日本和美國。這里所說

18、的德國，主要指的是原聯(lián)邦德國。它比英國和瑞典引進機器人大約晚了五六年。其所以如此，是因為德國的機器人工業(yè)一起步，就遇到了國內(nèi)經(jīng)濟不景氣。但是德國的社會環(huán)境卻是有利于機器人工業(yè)發(fā)展的。因為戰(zhàn)爭，導致勞動力短缺，以及國民技術水平高，都是實現(xiàn)使用機器人的有利條件。到了70年代中后期，政府采用行政手段為機器人的推廣開辟道路；在“改善勞動條件計劃”中規(guī)定，對于一些有危險、有毒、有害的工作崗位，必須以機器人來代替普通人的勞動。這個計劃為機器人的應用開拓了廣泛的市場，并推動了工業(yè)機器人技術的發(fā)展。日爾曼民族是一個重實際的民族，他們始終堅持技術應用和社會需求相結合的原則。除了像大多數(shù)國家一樣，將機器人主要應用

19、在汽車工業(yè)之外，突出的一點是德國在紡織工業(yè)中用現(xiàn)代化生產(chǎn)技術改造原有企業(yè)，報廢了舊機器，購買了現(xiàn)代化自動設備、電子計算機和機器人，使紡織工業(yè)成本下降、質(zhì)量提高，產(chǎn)品的花色品種更加適銷對路。到1984年終于使這一被喻為快完蛋的行業(yè)重新振興起來。與此同時，德國看到了機器人等先進自動化技術對工業(yè)生產(chǎn)的作用，提出了1985年以后要向高級的、帶感覺的智能型機器人轉移的目標。經(jīng)過近十年的努力，其智能機器人的研究和應用方面在世界上處于公認的領先地位。 俄羅斯：在前蘇聯(lián)，從理論和實踐上探討機器人技術是從50年代后半期開始的。到了50年代后期開始了機器人樣機的研究工作。1968年成功地試制出一臺深水作業(yè)機器人。

20、1971年研制出工廠用的萬能機器人。早在前蘇聯(lián)第九個五年計劃（1970年1975年）開始時，就把發(fā)展機器人列入國家科學技術發(fā)展綱領之中。到1975年，已研制出30個型號的120臺機器人，經(jīng)過20年的努力，前蘇聯(lián)的機器人在數(shù)量、質(zhì)量水乎上均處于世界前列地位。國家有目的地把提高科學技術進步當作推動社會生產(chǎn)發(fā)展的手段，來安排機器人的研究制造；有關機器人的研究生產(chǎn)、應用、推廣和提高工作，都由政府安排，有計劃、按步驟地進行。 中國：有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能

21、為我國的經(jīng)濟建設帶來高度的生產(chǎn)力和巨大的經(jīng)濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內(nèi)容，撥巨款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、 HYPERLINK http:/www.P/key_16257/ o 裝配 裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，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運行。1986年3月

22、開始的國家863高科技發(fā)展規(guī)劃已列入研究、開發(fā)智能機器人的內(nèi)容。就目前來看，我們應從生產(chǎn)和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產(chǎn)結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。 日本：日本在60年代末正處于經(jīng)濟高度發(fā)展時期，年增長率達11。第二次世界大戰(zhàn)后，日本的勞動力本來就緊張，而高速度的經(jīng)濟發(fā)展更加劇了勞動力嚴重不足的困難。為此，日本在1967年由川崎重工業(yè)公司從美國Unimation公司引進機器人及其技術，建立起生產(chǎn)車間，并于1968年試制出第一臺川崎的“尤尼曼特”機器人。日本政府的一系列扶植政策，使日本機器人產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展起來，經(jīng)過短短的十幾年，到80年代中期，已一躍而為“機器人王國”

23、，其機器人的產(chǎn)量和安裝的臺數(shù)在國際上躍居首位。按照日本產(chǎn)業(yè)機器人工業(yè)會常務理事米本完二的說法：“日本機器人的發(fā)展經(jīng)過了60年代的搖籃期，70年代的實用期，到80年代進人普及提高期?！辈⒄桨?980年定為“產(chǎn)業(yè)機器人的普及元年”，開始在各個領域內(nèi)廣泛推廣使用機器人。2、機器人的發(fā)展現(xiàn)狀隨著計算機技術、微電子技術、網(wǎng)絡技術等的快速發(fā)展，機器人技術也得到了迅猛發(fā)展。除了工業(yè)機器人水平不斷提高之外，各種用于非制造業(yè)的先進機器人系統(tǒng)也有了很大的進展。 國際上，工業(yè)機器人的發(fā)展呈以下特點：(1) 通過有限元分析、模態(tài)分析及仿真設計等現(xiàn)代設計方法的運用,國外機器人操作機已實現(xiàn)了優(yōu)化設計。(2) 通過采用并

24、聯(lián)機器人機構,實現(xiàn)高精度測量及加工,這是機器人技術向數(shù)控技術的拓展,為將來實現(xiàn)機器人和數(shù)控技術一體化奠定了基礎。 (3) 控制系統(tǒng)性能進一步提高,已由過去控制標準的6 軸機器人發(fā)展到現(xiàn)在能夠控制21 軸甚至27 軸,并且實現(xiàn)了軟件伺服和全數(shù)字控制,人機界面更加友好,基于圖形操作的界面也已問世,在某些領域的離線編程已實現(xiàn)實用化。激光傳感器、視覺傳感器和力傳感器在機器人系統(tǒng)中已得到成功應用,大大提高了機器人的作業(yè)性能和對環(huán)境的適應性。(4) 許多新產(chǎn)品具有網(wǎng)絡通信功能,使機器人由過去的獨立應用向網(wǎng)絡化應用邁進了一大步,也使機器人由過去的專用設備向標準化設備發(fā)展了一大步。(5) 由于微電子技術的快速

25、發(fā)展和大規(guī)模集成電路應用,使機器人系統(tǒng)的可靠性有了很大提高。 國內(nèi)機器人的發(fā)展狀況：從80 年代開始至今,我國已基本掌握了機器人操作機的設計制造技術、控制系統(tǒng)硬件、軟件設計技術、運動學和軌跡規(guī)劃技術,生產(chǎn)了部分機器人關鍵元器件,開發(fā)出用于噴漆、弧焊、點焊、裝配、搬運等機器人。但總的來看,我國的工業(yè)機器人技術及其工程應用的水平和國外比還有一定的距離。3、發(fā)展趨勢工業(yè)機器人性能不斷提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和維修），而單機價格不斷下降，平均單機價格從91年的103萬美元降至97年的65萬美元。 機械結構向模塊化、可重構化發(fā)展。例如關節(jié)模塊中的伺服電機、減速機、檢測系統(tǒng)三位一體化；由關

26、節(jié)模塊、連桿模塊用重組方式構造機器人整機；國外已有模塊化裝配機器人產(chǎn)品問市。工業(yè)機器人控制系統(tǒng)向基于PC機的開放型控制器方向發(fā)展，便于標準化、網(wǎng)絡化；器件集成度提高，控制柜日見小巧，且采用模塊化結構；大大提高了系統(tǒng)的可靠性、易操作性和可維修性。機器人中的傳感器作用日益重要，除采用傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，裝配、焊接機器人還應用了視覺、力覺等傳感器，而遙控機器人則采用視覺、聲覺、力覺、觸覺等多傳感器的融合技術來進行環(huán)境建模及決策控制；多 HYPERLINK http:/www.P/key_1676/ o 傳感器 傳感器融合配置技術在產(chǎn)品化系統(tǒng)中已有成熟應用。虛擬現(xiàn)實技術在機器人中的作用

27、已從仿真、預演發(fā)展到用于過程控制，如使遙控機器人操作者產(chǎn)生置身于遠端作業(yè)環(huán)境中的感覺來操縱機器人。當代遙控機器人系統(tǒng)的發(fā)展特點不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機器人的人機交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構成完整的監(jiān)控遙控操作系統(tǒng)，使智能機器人走出實驗室進入實用化階段。美國發(fā)射到火星上的“索杰納”機器人就是這種系統(tǒng)成功應用的最著名實例。機器人化機械開始興起。從94年美國開發(fā)出“虛擬軸機床”以來，這種新型裝置已成為國際研究的熱點之一，紛紛探索開拓其實際應用的領域。（二）機器人的應用領域 （1）水下機器人：美國的AUSS、俄羅斯的MT-88、法國的EPAVLARD等水下機器人已用于海洋石油開采，

28、海底勘查、救撈作業(yè)、管道敷設和檢查、電纜敷設和維護、以及大壩檢查等方面，形成了有纜水下機器人（remote operated vehicle）和無纜水下機器人（autonomous under water vehicle）兩大類。 （2）空間機器人：空間機器人一直是先進機器人的重要研究領域。目前美、俄、加拿大等國已研制出各種空間機器人。如美國NASA的空間機器人Sojanor等。Sljanor是一輛自主移動車，重量為11.5kg，尺寸63048mm，有6個車輪，它在火星上的成功應用，引起了全球的廣泛關注。 （3）核工業(yè)用機器人：國外的研究主要集中在機構靈巧，動作準確可靠、反應快、重量輕、剛度好

29、、便于裝卸與維修的高性能伺服手，以及半自主和自主移動機器人。已完成的典型系統(tǒng)，如美國ORML基于機器人的放射性儲罐清理系統(tǒng)、反應堆用雙臂操作器，加拿來大研制成功的輻射監(jiān)測與故障診斷系統(tǒng)，德國的C7靈巧手等。 （4）地下機器人：地下機器人主要包括采掘機器人和地下管道檢修機器人兩在類。主要研究內(nèi)容為：機械結構、行走系統(tǒng)、傳感器及定位系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、通信及遙控技術。目前日、美、德等發(fā)達國家已研制出了地下管道和石油、天然氣等大型管道檢修用的機器人，各種采機器人及自動化系統(tǒng)正在研制中。 （5）醫(yī)用機器人：醫(yī)用機器人的主要研究內(nèi)容包括：醫(yī)療外科手術的規(guī)劃與仿真、機器人輔助外科手術、最小損傷外科、臨場感外科

30、手術等。美國已開展臨場感外科（telepresence surgery）的研究，用于戰(zhàn)場模擬、手術培訓、解剖教學等。法、英、意、德等國家聯(lián)合開展了圖像引導型矯形外科（telematics）計劃、袖珍機器人（biomed）計劃以及用于外科手術的機電手術工具等項目的研究，并已取得一些卓有成效的結果。 （6）建筑機器人：日本已研制出20多種建筑機器人。如高層建筑抹灰機器人、預制件安裝機器人、室內(nèi)裝修機器人、地面拋光機器人、擦玻璃機器人等，并已實際應有和。美國卡內(nèi)基梅隆重大學、麻省理工學院等都在進行管道挖掘和埋設機器人、內(nèi)墻安裝機器人等型號的研制、并開展了傳感器、移動技術和系統(tǒng)自動化施工方法等基礎研究

31、。英、德、法等國也在開展這方面的研究。 （7）軍用機器人：近年來，美、英、法、德等國已研制出第二代軍用智能機器人。其特點是采用自主控制方式，能完成偵察、作戰(zhàn)和后勤支援等任務，在戰(zhàn)場上具有看、嗅和角摸能力，能夠 自動跟蹤地形和選擇道路，并且具有自動搜索、識別和消滅敵方目標的功能。如美國的Navplab自主導航車、SSV半自主地面戰(zhàn)車，法國的自主式快速運動偵察車（DARDS），德國MV4爆炸物處理機器人等。目前美國ORNL正在研制和開發(fā)Abrams坦克、愛國者導彈裝電池用機器人等各種用途的軍用機器人。 可以預見，在21世紀各種先進的機器人系統(tǒng)將會進入人類生活的各個領域，成為人類良好的助手和親密的伙

32、伴。 （三）機器人的核心技術一個機器人包括兩個主要部分：機器人的身體和某種形式的人工智能（artificial intelligence，AI）系統(tǒng)。很多不同的身體部分都可以叫做機器人。關節(jié)手臂被用于焊接和上漆；起重機和傳送帶系統(tǒng)在工廠中運送零件；巨型機器人機器搬運礦井深處的泥土。一般說來，機器人最有趣的一個方面是它們的行為，這需要一種形式的智能。機器人最簡單的行為是移動。典型地，輪子被作為讓機器人從一點移動到下一點的基本機械裝置。還需要某種力（如電力）讓輪子在命令時轉動。三、單片機（一）單片機的發(fā)展史單片機誕生于20世紀70年代末，經(jīng)歷了SCM、MCU、SoC三大階段。 1.SCM即單片微型

33、計算機（Single Chip Microcomputer）階段，主要是尋求最佳的單片形態(tài)嵌入式系統(tǒng)的最佳體系結構?！皠?chuàng)新模式”獲得成功，奠定了SCM與通用計算機完全不同的發(fā)展道路。在開創(chuàng)嵌入式系統(tǒng)獨立發(fā)展道路上，Intel公司功不可沒。 2.MCU（Micro Controller Unit，微控制器）階段，主要的技術發(fā)展方向是：不斷擴展?jié)M足嵌入式應用時，對象系統(tǒng)要求的各種外圍電路與接口電路，突顯其對象的智能化控制能力。它所涉及的領域都與對象系統(tǒng)相關，因此，發(fā)展MCU的重任不可避免地落在電氣、電子技術廠家。從這一角度來看，Intel逐漸淡出MCU的發(fā)展也有其客觀因素。在發(fā)展MCU方面，最著名

34、的廠家當數(shù)Philips公司。Philips公司以其在嵌入式應用方面的巨大優(yōu)勢，將MCS-51從單片微型計算機迅速發(fā)展到微控制器。因此，當我們回顧嵌入式系統(tǒng)發(fā)展道路時，不要忘記Intel和Philips的歷史功績。 3.單片機是嵌入式系統(tǒng)的獨立發(fā)展之路，向MCU階段發(fā)展的重要因素，就是尋求應用系統(tǒng)在芯片上的最大化解決；因此，專用單片機的發(fā)展自然形成了SoC化趨勢。隨著微電子技術、IC設計、EDA工具的發(fā)展，基于SoC的單片機應用系統(tǒng)設計會有較大的發(fā)展。因此，對單片機的理解可以從單片微型計算機、單片微控制器延伸到單片應用系統(tǒng)。（二）單片機的定義單片機是指一個集成在一塊 HYPERLINK /vi

35、ew/26651.htm t _blank 芯片上的完整計算機 HYPERLINK /view/25302.htm t _blank 系統(tǒng)。盡管他的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： HYPERLINK /view/2089.htm t _blank CPU、 HYPERLINK /view/1082.htm t _blank 內(nèi)存、內(nèi)部和外部 HYPERLINK /view/1389.htm t _blank 總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、 HYPERLINK /view/281961.htm t _blank 定時器，實時時

36、鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機也被稱為 HYPERLINK /view/368297.htm t _blank 微控制器（Microcontroller），是因為它最早被用在工業(yè)控制領域。單片機由芯片內(nèi)僅有CPU的專用 HYPERLINK /view/50152.htm t _blank 處理器發(fā)展而來。最早的設計理念是通過將大量外圍設備和CPU集成在一個芯片中，使計算機系統(tǒng)更小，更容易集成進復雜的而對體積要求嚴格的控制設備當中。單片機是微型計算機發(fā)展的一個分支，是一種專門面向控制的微處理器件，故又稱之為微控制器(M

37、icro Controller Unit，MCU)。單片機通常以單一芯片的形式出現(xiàn)，但是它已具有了微型計算機所包含的基本組成結構和特有的控制應用功能，是一種芯片級的微型計算機。另外，由于單片機的體積、結構和功能特點，在實際應用中可以完全融入應用系統(tǒng)之中，故而也稱為嵌入式微控制器(Embedded Micro-Controller)最基本的單片機系統(tǒng)由單片機芯片和軟件程序共同組建而成，是用戶為了實現(xiàn)某種控制用途的需要而設計的實際裝置。在單片機系統(tǒng)中，單片機芯片內(nèi)部的中央處理單元(CPU)處于核心地位，CPU通過執(zhí)行軟件程序調(diào)動硬件電路完成控制功能。根據(jù)這種工作方式，單片機系統(tǒng)可以劃分為硬件和軟件

38、兩個組成部分。（三）單片機介紹單片機又稱單片微控制器,它不是完成某一個邏輯功能的芯片,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結構的最佳選擇。單片機內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過10元即可用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、排煙罩、VCD等等的家電里面都可以看到它的身影！它主要是作為

39、控制部分的核心部件。 它是一種在線式實時控制計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用PC）的主要區(qū)別。 單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序實現(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國50年代開發(fā)的74系列，或者60年代的CD4000系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大PCB板！但是如果要是用美國70年代成功投放市場的系列單片機，結果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于

40、單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級 HYPERLINK /view/33704.htm t _blank 匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個按鈕，也會達到幾十K的尺寸！對于家用PC的硬盤來講沒什么，可是對于單片機來講是不能接受的。 單片機在硬件資源方面的利用率必須很高才行，所以匯編雖然原始卻還是在大量使用。一樣的道理，如果把巨型計算機上的操作系統(tǒng)和應

41、用軟件拿到家用PC上來運行，家用PC的也是承受不了的。可以說，二十世紀跨越了三個“電”的時代，即電氣時代、電子時代和現(xiàn)已進入的電腦時代。不過，這種電腦，通常是指個人計算機，簡稱PC機。它由主機、鍵盤、顯示器等組成。還有一類計算機，大多數(shù)人卻不怎么熟悉。這種計算機就是把智能賦予各種機械的單片機（亦稱微控制器）。顧名思義，這種計算機的最小系統(tǒng)只用了一片集成電路，即可進行簡單運算和控制。因為它體積小，通常都藏在被控機械的“肚子”里。它在整個裝置中，起著有如人類頭腦的作用，它出了毛病，整個裝置就癱瘓了。現(xiàn)在，這種單片機的使用領域已十分廣泛，如智能儀表、實時工控、通訊設備、導航系統(tǒng)、家用電器等。各種產(chǎn)品

42、一旦用上了單片機，就能起到使產(chǎn)品升級換代的功效，常在產(chǎn)品名稱前冠以形容詞“智能型”，如智能型洗衣機等?，F(xiàn)在有些工廠的技術人員或其它業(yè)余電子開發(fā)者搞出來的某些產(chǎn)品，不是電路太復雜，就是功能太簡單且極易被仿制。究其原因，可能就卡在產(chǎn)品未使用單片機或其它可編程邏輯器件上。四、單片機技術在機器人中的應用單片機技術作為自動控制技術的核心之一, 被廣泛應用于工業(yè)控制、智能儀器、機電產(chǎn)品、家用電器等領域。隨著微電子技術的迅速發(fā)展, 單片機功能也越來越強大,在機器人的設計中單片機技術、紅外技術完成智能機器人控制系統(tǒng)設計的基礎。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(huán)境感知、

43、判斷決策、人機交互等功能?，F(xiàn)在智能機器人系統(tǒng)主要實現(xiàn)了步行、跟蹤、避障、步伐調(diào)整、語音、聲控、液晶顯示, 地面探測等功能。在遇到外界條件發(fā)生變化時, 該機器人將采取不同的措施對待, 較好地表現(xiàn)出該機器人的思考能力。通過單片機來實現(xiàn)不同的工作。（一）單片機技術在機器人視覺系統(tǒng)中的應用輪式機器人導航控制系統(tǒng)的硬件組成如圖1 所示。整個系統(tǒng)由三部分組成, 即: 由單片機AT89C52構成的單片機應用系統(tǒng); 由電磁感應傳感器、放大調(diào)理電路和A /D轉換電路構成的前向通道; 由互鎖保護和PWM直流調(diào)速電路構成的后向通道。工作時,由電磁感應傳感器檢測機器人的位置, 經(jīng)過放大調(diào)理電路和A /D轉換, 將位置

44、信號送入單片機; 單片機將位置信號進行數(shù)字濾波, 與系統(tǒng)設定值進行比較,按照模糊控制算法進行運算, 通過輸出PWM信號去控制直流電動機按照一定的速度轉動, 帶動機器人沿誘導線的軌跡行走。 在整個單片機控制系統(tǒng)中, CPU 既是運算處理中心, 又是控制中心, 是最關鍵的器件。本系統(tǒng)中選用與MCS - 51系列完全兼容的AT89C52 單片機, 它是一種低功耗、高性能、CMOS 八位微處理器。AT89C52可構成真正的單片機最小應用系統(tǒng), 縮小系統(tǒng)體積, 提高系統(tǒng)可靠性, 降低系統(tǒng)成本。本系統(tǒng)的鍵盤顯示接口電路采用專用的接口芯片8279。它是Intel公司生產(chǎn)的8位微處理器鍵盤/顯示通用接口芯片,

45、 其主要功能是: 接收來自鍵盤的輸入數(shù)據(jù)并作預處理以及對數(shù)據(jù)顯示的管理和顯示器的控制。系統(tǒng)采用8279管理鍵盤和顯示器, 可減輕CPU的負擔, 充分提高CPU 的工作效率, 可減少軟件編程工作量, 而且顯示穩(wěn)定。（二）單片機技術在機器人運動系統(tǒng)中的應用本設計基于單片機及多種傳感器, 完成了一個自主式移動機器人的制作。單片機作為系統(tǒng)檢測和控制的核心, 實現(xiàn)對機器人小車的智能控制。反射式紅外光電傳感器檢測引導線, 使機器人沿軌道自主行走; 使用霍爾集成片, 通過計車輪轉過的圈數(shù)完成機器人行走路程測量; 接近開關可探測到軌道下埋藏的金屬片, 發(fā)出聲光信息進行指示, 并能實時顯示金屬片距起點的位置。本

46、設計中為提高檢測精度, 采用了多傳感器信息融合技術。設計中,在車頭均勻布置三個光電傳感器, 其中, 中間一個(Q1)安裝在小車正中央。Q1 的輸出經(jīng)一級比較器和非門, 接單片機的P1.3腳.Q1 左右兩端分別布置一個傳感器, 經(jīng)與圖2相同的電路后也連接到單片機P1 口。若兩側某一傳感器檢測到黑線, 表明小車正脫離軌道, 將3 個檢測點的結果融合后作為單片機的輸入, 機器人按照單片機P1 口信息進行判斷調(diào)整, 實現(xiàn)路徑跟蹤和自動糾偏。圖2光電檢測轉換電路（三）單片機在智能機器人設計中的應用1、智能機器人簡介該智能機器人控制系統(tǒng)采用兩片AT89C512控制, 一片單片機MCU1 用于整個系統(tǒng)的控制

47、, 另一片單片機MCU2 用于驅動液晶屏LCM1602 工作, 它們之間通過I/O 口通訊, 以實現(xiàn)兩片單片機共同工作的相互協(xié)調(diào)控制。系統(tǒng)框圖如圖3 所示。圖3機器人控制系統(tǒng)結構圖設計中, MCU1 的P1.0、P1.3 分別接觸覺傳感器, P1.6- P1.7接視覺紅外傳感器, P2.0- P2.4 口控制繼電器驅動電路, P2.5 口接地面探測傳感器, P2.6- P2.7 接步伐校正光耦器, P3.0- P3.5 接ISD25120 語音芯片。1.1 實現(xiàn)功能：機器人在移動過程中, 會發(fā)出語音提示: “目標搜索中”, 同時液晶顯示: “Target is in searching”; 前

48、進過程中發(fā)現(xiàn)目標, 語音提示: “發(fā)現(xiàn)目標”; 液晶顯示: “Find object”, 機器人自動向該目標轉向; 對準目標后, 語音提示: “鎖定目標”, 液晶顯示:“Lock it”, 同時機器人向目標繼續(xù)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(jù)觸角碰撞的先后順序, 向該相反的方向轉角約100度, 繼續(xù)前進; 當前方地面出現(xiàn)斷層, 語音提示: “危險, 前方地面有斷層”, 液晶顯示: “Warning, fault ahead”, 同時機器人會向后退幾步, 轉向后繼續(xù)前進; 如果機器人在轉向過程中, 步

49、伐錯亂, 便會自動執(zhí)行步伐調(diào)整程序, 以校正步伐。2、系統(tǒng)設計2.1 驅動電路：要想讓機器人有穩(wěn)定行走能力, 需要選擇穩(wěn)定的電動機驅動系統(tǒng)。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(wěn)定。電動機驅動電路采用兩個NPN 管對單片機AT89C51 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/陳宇: 講師碩士O口有信號輸出時, 該電流經(jīng)電阻后送入第一級三極管基極, 使第一級三極管導通, 導通電流經(jīng)電阻送入第二個三極管基極, 進一步放大電流,

50、 以達到繼電器驅動電流。根據(jù)計算, 送入繼電器的電流是經(jīng)過兩極放大電路放大了約2 倍, 9014 在此做開關作用。經(jīng)過兩級放大后驅動繼電器。如圖4所示。圖4電機驅動電路原理圖每個繼電器相當于一個單刀雙擲開關, 由此, 兩個單刀雙擲開關, 組成電動機正反轉控制電路, 實現(xiàn)機器人前進、后退動作。2.2 視覺電路：在此設計中, 我們僅要求機器人發(fā)現(xiàn)并跟蹤目標, 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(xiàn)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(nèi)部有一紅外線發(fā)射管和一紅外線接收管。

51、發(fā)射管發(fā)出紅外線, 如果其正前方?jīng)]有物體, 那么接收管接收不到紅外線反饋信號。當前方出現(xiàn)物體時, 紅外線信號經(jīng)過物體被反射了回來, 這時接收管接收到信號, 向單片機發(fā)出高電平信號, 以告知單片機其前方出現(xiàn)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(fā)射紅外線探測信號, 當其中一個傳感器接收到反饋信號時, 便向單片機發(fā)出高電平信號, 告知單片機該方向發(fā)現(xiàn)目標, 單片機經(jīng)過判斷后, 控制電動機向該方向轉向, 以實現(xiàn)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(diào)整電路：當機器人在前進過程中, 如果電機轉速不一致或者在轉向過程中打亂了步伐, 這時便會啟動步伐調(diào)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(tài)始終不相同。那么就說明該機器人步伐正常。當光耦狀