智能机器人的组成与结构
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基于单片机智能机器人控制系统研究设计
Design And Research of Smart Robot Control System Based On Single——chip M icrocomputer
f郑州航空工业管理学院)陈 字
CHEN YU
摘要：利用红外传感器光电转换特性．以AT89C51单片机作为核心控制单元对检测信号进行处理，完成了智能机器人控制
系统的设计。文章详细介绍了系统构成、软硬件设计方法。该机器人控制系统基于红外技术、单片机技术等设计，实现了步
行、跟踪、避障、步伐调整、语音、声控、液晶显示、地面探测等功能。系统在智能性、准确性、实时性方面达到了较高的要求，
具有较好的应用前景。
关键词：单片机；红外技术；机器人；智能控制系统
中图分类号：TP216 文献标识码：B
AIbstract：By using the photo—voltage characteristics of the pyroelectric infrared sensor．Detection signal was processed wiith the core
of AT89C5 1．Its construction and methods of hardware and software design were introduced in detail．The control system designator of
smart robot based on infrared technology，single—chip microcontroller technology ．This robot realizes talking，tracing，obstacle avoiding，
adjusting step，speaking，noise controlling，liquid crystal displaying，ground detecting etc．The system achieves higher requirement，
such as smart，accuracy and real-time operation，and its application foreground is bright．
Keywords：Single-chip microcomputer，infrared technology，robot．，smart control system
引言
单片机技术作为自动控制技术的核心之一。被广泛应用
于工业控制、智能仪器、机电产品、家用电器等领域。随着微电
子技术的迅速发展，单片机功能也越来越强大，本设计基于单
片机技术、红外技术完成智能机器人控制系统设计。智能机器
人研究在当前机器人研究领域具有十分突出的地位， 其显著
的特点是具有环境感知、判断决策、人机交互等功能? 。本智
能机器人系统主要实现了步行、跟踪、避障、步伐调整、语音、
声控、液晶显示，地面探测等功能。在遇到外界条件发生变化
时．该机器人将采取不同的措施对待，较好地表现出该机器人
的思考能力。
步伐校正
语音模块
红外探测
地面探测
单片机控制
器MCU1
单片机控制
器MCU2
驱动电路
光电转换
触觉模块
显示模块
图1机器人控制系统结构图
1智能机器人简介
1．1系统框图
该智能机器人控制系统采用两片AT89C5 1121控制，一片单
片机MCU1用于整个系统的控制，另一片单片机MCU2用于驱
陈宇：讲师硕士
动液晶屏LCM1602工作．它们之间通过I／O口通讯，以实现两
片单片机***同工作的相互协调控制。系统框图[3l~l图1所示。
设计中，MCU1的P1．0、P1．3分别接触觉传感器，P1．6一-P1．7
接视觉红外传感器．P2．0一P2A 13控制继电器驱动电路，P2．5 13
接地面探测传感器．P2．6一P2．7接步伐校正光耦器，P3．0-一P3．5接
ISD25120语音芯片
1．2实现功能
机器人在移动过程中，会发出语音提示：“目标搜索中”，同
时液晶显示：“'Target is in searching”'；前进过程中发现目标，语
音提示：“发现目标”：液晶显示：“Find object”，机器人自动向该
目标转向；对准目标后，语音提示：“锁定目标”，液晶显示：
“Lock it”，同时机器人向目标继续前进；如机器人撞上目标，语
音提示：“前方有障碍物”，液晶显示：“Obstacles impending”，机
器人根据触角碰撞的先后顺序，向该相反的方向转角约100
度，继续前进：当前方地面出现断层，语音提示：“危险，前方地
面有断层”，液晶显示：“Warning，fault ahead”。同时机器人会向
后退几步，转向后继续前进；如果机器人在转向过程中，步伐错
乱，便会自动执行步伐调整程序，以校正步伐。
2系统设计
2．1驱动电路
要想让机器人有稳定行走能力，需要选择稳定的电动机驱
动系统。本设计利用三极管放大作用对单片机I／O口电流进行
放大，驱动继电器控制电动机转动。且不会对输入电流有任何
影响，完全可以给电动机提供大电流。保证电路工作稳定。
电动机驱动电路采用两个NPN管对单片机AT89C5 1的I／
O口输出电流信号放大，利用电阻R19、R20作为三极管基极进
行保护。当单片机I／O口有信号输出时．该电流经电阻后送入第机器人技术 中文核心期刊《微计算机信息》(嵌入式与SOC)2007年第23卷第12．2期
一级三极管基极，使第一级_一极管导通，导通电流经电阻送人
第二个三极管基极，进一步放大电流，以达到继电器驱动电流。
根据计算，送人继电器的电流是经过两极放大电路放大了约
S2倍，9014在此做开关作用。经过两级放大后驱动继电器。如
图2所示。
l
图2电机驱动电路原理图
每个继电器相当于一个单刀双掷开关．由此．两个单刀双
掷开关，组成电动机正反转控制电路，实现机器人前进、后退
动作。
2．2视觉电路
在此设计中．我们仅要求机器人发现并跟踪目标，不需要
识别目标。因此采用最常用的红外线反射传感器来作为机器人
的视觉功能，检测机器人前方是否有目标。该功能的实现采用
的是两个型号为TX05D的红外线反射传感器。TX05D常用的
红外反射式接近开关，它内部有一红外线发射管和一红外线接
收管。发射管发出红外线，如果其正前方没有物体，那么接收管
接收不到红外线反馈信号。当前方出现物体时，红外线信号经
过物体被反射了回来．这时接收管接收到信号，向单片机发出
高电平信号，以告知单片机其前方出现障碍物。
两个红外线传感器安装在机器人前方的两侧，在机器人工
作时．两个传感器始终向外发射红外线探测信号．当其中一个
传感器接收到反馈信号时，便向单片机发出高电平信号，告知
单片机该方向发现目标，单片机经过判断后，控制电动机向该
方向转向，以实现跟踪功能。当两个传感器都感应到目标时，机
器人便向着目标直着前进，直到撞上目标。
2．3步伐调整电路
当机器人在前进过程中．如果电机转速不一致或者在转向
过程中打乱了步伐，这时便会启动步伐调整功能，该功能是利
用两个光耦来完成的。在机器人腿部，装有两片通过光耦的挡
片，当机器人正常行走时，挡片会交替的打开和关闭光耦。如果
两个光耦的状态始终不相同。那么就说明该机器人步伐正常。
当光耦状态出现相同时，说明机器人步伐错乱，需要校正步伐。
这时便会随机停下一条“腿”，等另一条“腿”走在合适位置，即
光耦状态相反时，再作出同步前进。电路如图3所示。
图3步伐校正电路原理图
2．4显示电路
本功能主要实现了人机交互的视觉平台。本设计采用
LCM1602液晶显示模块，该模块是最常用的英文显示模块．它
内部含有英文字库，使用方便，价格便宜。液晶显示功能是配合
语音功能***同使用的附加功能，它的作用就是可以显示当前的
状态，以实现机器人的人机交互显示功能。
LCM1602是一种16字x2行的字符型液晶模块．主要有总
线连接方式和模拟口连接方式。本设计采用的是模拟口连接方
式，它和前者相比，电路更加简洁。在该电路中，P1口给显示屏
输送数据，P3．0到P3．2则控制向该显示屏读写数据的状态。VL
管脚过1K电阻接地，作用是限制液晶显示的色度深浅。BLA和
BLK则是背光灯电源接口。电路如图4所示。
图4显示电路原理图
设计中．P2口则是用于与MCU1通讯．它始终监控着
MCU1的状态．以保持显示内容和语音同步。
2．5语言电路
为了确保操作的无误性，运用声音进行第二重提示．本系
统用到的ISD25120语音芯片是美国ISD公司生产的高保真录
放一体化的单片固态语音集成电路，录放时间为120秒，可运
行多段信息处理，可反复录音十万次6，并且ISD25 120使用时
不需要考虑如何驱动语音芯片，只需要直接用51控制该语音
电路的触发时间，播放出事先录好的声音文件，以实现机器人
说话这个功能。电路如图5所示。
“- -Is 嵩
图5语音电路原理图
2．6亚超声接收电路
机器人上面装有一个亚超声接收模块．当接收到外部的亚
超声．机器人会做出停止和运行动作，以实现机器人的听觉功
能。该部分的实现采用了成品的亚超声接收板，在设计中，将其
输出的信号经过光电开关转换成可以触发单片机I／0口的低电
平开关信号．以告知单片机目前亚超声开关的状态。电路如下
图6所示.目和其它信息、数据；互联网接人模块用于宽带接人互联网；红
外线模块控制遥控器的发送与接收，选择电视节目或实现其它
功能；双口RAM用来实现与STI5518的数据交换。
4 数字网络机顶盒的软件和功能
由于嵌人式系统软件和微处理器密切相关，所以通常采用
分层模型来描述，软件层次结构自底而上分为固件层、驱动层、
中间件、应用层，这样，一旦硬件模块发生变化，软件的修改只
发生在和硬件相关的固件层 中间件和应用层可以保持不变，能
够减少编程工作量，缩短软件开发时间。层次构建遵循的原则：
某一层的模块可调用下层模块，同时又能被上层调用，同层之
间一般不能调用。
数字网络机顶盒的硬件组成相当于一台奔Ⅲ的计算机和数
字机顶盒，所以其功能既能够完成计算机的功能又能够完成数
字机顶盒的功能。该数字网络机顶盒的能完成主要功能是：
1)数字电视节目的接收
2)DVB公***解扰算法和条件接收
3)支持PAUNTSC／SECAM
4)支持MPEG一2图像和MP3、杜比5．1音质
51远程教育
6)按次付费电视收看
7)电子节目指南
81互联网的接人
9)数字电视节目存储
10)视频点播(VOD)
11)交互式电视游戏等等，可以看出，数字网络电视机顶盒
的功能十分强大。
5 总结
本文作者的创新点是完成了基于ARM9和STi5518的数字
网络机顶盒硬件平台的设计。文中对传统的数字机顶盒和数字
网络机顶盒作了比较，同时给出了数字网络机顶盒的硬件逻辑
方框图，以及软件模型和功能。该设计实现后，不仅能够完成传
统数字机顶盒的功能，还能够完成电视节目的存储和连上互联
网的功能，有理由相信，随着数字电视时代的到来，该设计能得
到广泛的应用。
参考文献
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[5]Samsung Electronics Co．，Ltd．$3C2410X Microprocessor User’S
Manual[OL]．2003．
作者简介：侯冬U~(1974～)：男(土家族)，湖南张家界人，湖南吉首
大学物理信息学院讲师，硕士，主要从事ARM技术和嵌人式系
统的研究。
Biography：Hou Dong—qing (1974一：male(Tu—jian nationality)．
Hanan Zhangjiajie， the instructor of College of physics Science
and Information Engineering， Jishou University，Hunan． master，
the research direction is the ARM technology and Embedded
system ．
(416000 湖南吉首大学物理科学与信息工程学院)侯冬睛
通讯地~f：(416000 湖南吉首大学物理科学与信息工程学院)
侯冬晴
(收稿日期：2007．9．13)(修稿日期：2007，11．15)
图6亚超声接收电路原理图
3总结
本机器人系统设计在一定程度上模拟了人类的视觉、触
觉、听觉、语音及简单的思考能力，又在一定程度上实现了一个
机器人最基本的人机交互显示功能，但新的需求和任务也对机
器人的性能提出了更高的要求。本系统利用双单片机通讯较好
地处理了各传感器之间的协调问题，以及传感器之间的优先响
应问题。
本文作者创新点：1、本设计基于单片机技术、红外技术完
成智能机器人控制系统设计，智能机器人研究在当前机器人研
究领域具有十分突出的地位， 其显著的特点是具有环境感知、
判断决策、人机交互等功能：2、该智能机器人在一定程度上模
拟了人类的视觉、触觉、听觉、语音及简单的思考能力，又在一
定程度上实现了一个机器人最基本的人机交互显示功能：3、系
统设计中采用采用两片AT89C5l控制，系统模块化设计，通过
系统功能扩展，具备高度的灵活性和广泛的适用性。
参考文献：
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信息[M]．2005，21，4，158—159．
作者简介：陈宇(1978～)，男(汉族)，河南郑州人，郑州航院机电工
程系讲师，硕士，主要从事电子通讯与自动控制技术教学与科
研工作
Biography：Chen Yu(1978-)，Male，Henan Zhengzhou，Lecturer of
department of Machinery and Electricity Engineering，Zhengzhou
Institute of Aeronautics Industrial Management，Master．Mainly en—
gaged in teaching and researching on the electronics eommunica—
tion and automatic control technique．