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1、单片机结课作业单片机结课作业飞飞 思思 卡卡 尔尔片片 机机 原原 理理 及及 应应结课作业结课作业学学院：土院：土 木木 工工 程程 学学 院院专业班级：专业班级：1111 级土木工程级土木工程 5 5 班班学学号：号：1130051711300517姓姓名：贾名：贾兴兴电电话：话：1829838891118298388911用用单单单片机在智能机器人中的应用单片机在智能机器人中的应用单片机以其功能强、体积小、可靠性高、价格廉价的特点，广泛应单片机以其功能强、体积小、可靠性高、价格廉价的特点，广泛应用于智能仪器仪表、电子玩具、家用电器和智能机器人中。机器人自二用于智能仪器仪表、电子玩具、家用
2、电器和智能机器人中。机器人自二十世纪十世纪6O6O年代问世以来历经年代问世以来历经4O4O年的潜心研究，有了飞跃的开展。早期的年的潜心研究，有了飞跃的开展。早期的机器人不具备感觉装置，机器人不具备感觉装置，只是依靠人们给予的程序，只是依靠人们给予的程序，重复进行各种操作，重复进行各种操作，故也称它们为机械手；第二代机器人具有简单的传感器反响信息，能对故也称它们为机械手；第二代机器人具有简单的传感器反响信息，能对自身的实际位置、方向、速度等进行测量，从而由这些反响信息在事先自身的实际位置、方向、速度等进行测量，从而由这些反响信息在事先编好的程序指导下对操作过程进行调整，以到达预先设计的目标；第三
3、编好的程序指导下对操作过程进行调整，以到达预先设计的目标；第三代机器人是能感知外界环境与对象，并具有对复杂信息进行准确处理，代机器人是能感知外界环境与对象，并具有对复杂信息进行准确处理，对自身行为做出自主决策能力的智能机器人。它能识别景物，有触觉、对自身行为做出自主决策能力的智能机器人。它能识别景物，有触觉、视觉、力觉、听觉和味觉；能实现搜索、追踪、辩色识图等多种仿生动视觉、力觉、听觉和味觉；能实现搜索、追踪、辩色识图等多种仿生动作；具有专家知识、语音功能和自学能力。因此，人类已将智能机器人作；具有专家知识、语音功能和自学能力。因此，人类已将智能机器人应用于科学探索、工业制造、农业生产、军事行
4、动、医疗卫生以及生活应用于科学探索、工业制造、农业生产、军事行动、医疗卫生以及生活效劳等各行各业，我们用机器人去完成那些危险性高的、环境恶劣有害效劳等各行各业，我们用机器人去完成那些危险性高的、环境恶劣有害健康的、繁重的或精确的、总之人们难以胜任的工作。可以相信，二十健康的、繁重的或精确的、总之人们难以胜任的工作。可以相信，二十一世纪机器人将对人类社会的开展和进步，产生更加深远的影响。一世纪机器人将对人类社会的开展和进步，产生更加深远的影响。本文以上海广茂达电子信息有限公司产品本文以上海广茂达电子信息有限公司产品 能力风暴个人机能力风暴个人机器人为例，简要介绍单片机在智能机器人中的应用。能力风
5、暴个人机器器人为例，简要介绍单片机在智能机器人中的应用。能力风暴个人机器人是一种靠两个轮子移动的个人机器人，它以单片机为核心，输入由传人是一种靠两个轮子移动的个人机器人，它以单片机为核心，输入由传感器检测、感器检测、经经电子线路放大、电子线路放大、滤波、滤波、整形和线性化处理后的现场信息，整形和线性化处理后的现场信息，单片机根据事先编制的程序，对输入信息进行分析、比较、判断，然后单片机根据事先编制的程序，对输入信息进行分析、比较、判断，然后上碰到障碍物时，碰撞环受力使该方向上的碰撞开关闭合，碰撞传上碰到障碍物时，碰撞环受力使该方向上的碰撞开关闭合，碰撞传感器能感知来自前、后、左、右、前右、前左
6、、后右、后左感器能感知来自前、后、左、右、前右、前左、后右、后左 8 8个方向上个方向上的碰撞信息，碰撞开关将这些信息转换成电压信号输入单片机的模拟输的碰撞信息，碰撞开关将这些信息转换成电压信号输入单片机的模拟输入端口。入端口。3 3红外传感器红外传感器如果希望个人机器人在即将碰上障碍物时，就改变移动方向，那么如果希望个人机器人在即将碰上障碍物时，就改变移动方向，那么红外传感器就用来感知与个人机器人有一定距离障碍物的传感器。红外红外传感器就用来感知与个人机器人有一定距离障碍物的传感器。红外传感器由位于机器人前面的左右两个红外发射装置和位于中间的一个传感器由位于机器人前面的左右两个红外发射装置和
7、位于中间的一个红外接收模块组成，检测时，先关闭左右两个红红外接收模块组成，检测时，先关闭左右两个红外发射装置，让红外接收模块先接收一次信息，然后启动左发射装外发射装置，让红外接收模块先接收一次信息，然后启动左发射装置，再接收第二次，与第一次接收到的信息进行比较，判断置，再接收第二次，与第一次接收到的信息进行比较，判断左前方是否有障碍物，同样再按上述步骤启动右发射装置，接收第左前方是否有障碍物，同样再按上述步骤启动右发射装置，接收第三次信息，与第一次比较，判断右前方是否有障碍物，正前方三次信息，与第一次比较，判断右前方是否有障碍物，正前方是否有障碍物。由于红外传感器是利用障碍物上反射的红外光信号
8、是否有障碍物。由于红外传感器是利用障碍物上反射的红外光信号进行检测的，因此假设遇到的障碍物颜色太深或面积太小，将使红外光进行检测的，因此假设遇到的障碍物颜色太深或面积太小，将使红外光反射信号太弱，而导致无法正确检测。红外传感器的接收模块中除有接反射信号太弱，而导致无法正确检测。红外传感器的接收模块中除有接收装置外，还包括信号放大、滤波、整形等电子线路，它的输出信号可收装置外，还包括信号放大、滤波、整形等电子线路，它的输出信号可直接送单片机的模拟输入端口。直接送单片机的模拟输入端口。4 4其他传感器其他传感器能力风暴个人机器人还配备了一些其他传感器：能检测光线强弱的能力风暴个人机器人还配备了一些
9、其他传感器：能检测光线强弱的光敏传感器、能区分声音大小的麦克风声音传感器；用于检测运动人体光敏传感器、能区分声音大小的麦克风声音传感器；用于检测运动人体的人体热释片传感器，以及超声传感器、火焰传感器、温度传感器和视的人体热释片传感器，以及超声传感器、火焰传感器、温度传感器和视觉传感器等，这些传感器的扩展，可大大增强个人机器人对周围环境的觉传感器等，这些传感器的扩展，可大大增强个人机器人对周围环境的感知能力，它们检测的信号经过电子线路处理后，均输入单片机的模拟感知能力，它们检测的信号经过电子线路处理后，均输入单片机的模拟输入端口。输入端口。二、执行机构二、执行机构能力风暴个人机器人的执行机构主要
10、是带动机器人移动的两台高能力风暴个人机器人的执行机构主要是带动机器人移动的两台高性能直流电机。机器人移动的速度和方向都是通过调节直流电机的速度性能直流电机。机器人移动的速度和方向都是通过调节直流电机的速度来实现的。直流电机的转速与转距和电压有关，电压一定时，转速与转来实现的。直流电机的转速与转距和电压有关，电压一定时，转速与转距成反比，距成反比，转矩一定时转速随电压变化而变化。转矩一定时转速随电压变化而变化。由于机器人的负载一定，由于机器人的负载一定，即转矩一定，因此我们可以通过改变电压来控制电机转速。直流电机的即转矩一定，因此我们可以通过改变电压来控制电机转速。直流电机的工作电压由单片机输出
11、提供，单片机输出的是脉冲信号，如图工作电压由单片机输出提供，单片机输出的是脉冲信号，如图 2 2所示。所示。单片机通过改变脉冲的宽度来调节输入到直流电机的平均电压，即采用单片机通过改变脉冲的宽度来调节输入到直流电机的平均电压，即采用脉宽调制来控制电机转速，另外，电机的驱动由专用芯片提供。脉宽调制来控制电机转速，另外，电机的驱动由专用芯片提供。三、单片机及其接口三、单片机及其接口能能力力风风暴暴个个人人机机器器人人采采用用MotorolaMotorola公公司司的的高高性性能能8 8位位单单片片机机MC68HCl1MC68HCl1，它的片内含，它的片内含CPUCPU、存贮器、并行口、串行口、存贮
12、器、并行口、串行口、D D转换电路、定时器系统以及中断和复位系统。单片机输入传感器检转换电路、定时器系统以及中断和复位系统。单片机输入传感器检测的现场信息，进行测的现场信息，进行 D D转换，并按事先编制的程序，对现场信息分析、转换，并按事先编制的程序，对现场信息分析、比较、判断，然后根据设计要求，输出脉宽调制信号控制机器人的行为比较、判断，然后根据设计要求，输出脉宽调制信号控制机器人的行为动作。动作。同时，同时，单片机还扩展了输出设备单片机还扩展了输出设备LCDLCD显示器和喇叭，显示器和喇叭，2 21616字符字符LCDLCD显示器用于显示机器人的工作状态，喇叭只是在需要时发出声响或歌显示
13、器用于显示机器人的工作状态，喇叭只是在需要时发出声响或歌唱。唱。单片机的通用输入输出端口有单片机的通用输入输出端口有 5 5个：个：PAPA口、口、PBPB 口、口、PCPC口、口、PDPD 口和口和PEPE 口，口，它们除了作为通用它们除了作为通用I I O O 口使用外，口使用外，还有其他功能：还有其他功能：PAPA 口的口的PA0PA0PA2PA2还具有输入捕捉功能还具有输入捕捉功能PA3PA3PA7PA7有输出比较功能；有输出比较功能；PBPB 口和口和PCPC口在系口在系统扩展时作为数据总线和地址总线使用；统扩展时作为数据总线和地址总线使用；PDPD 口可作为串行口用于数据口可作为串
14、行口用于数据通信；通信；PEPE 口是单片机的模拟输入通道。口是单片机的模拟输入通道。1 1单片机的输入单片机的输入在个人机器人中，碰撞传感器、红外传感器等将现场信息经电子线在个人机器人中，碰撞传感器、红外传感器等将现场信息经电子线路处理后，由单片机的模拟输入通道路处理后，由单片机的模拟输入通道 PEPE 口输入；而光电编码器检测的口输入；而光电编码器检测的机器人位移信息，那么由单片机机器人位移信息，那么由单片机 PAPA 口的输入捕捉引脚输入。输入捕捉口的输入捕捉引脚输入。输入捕捉是是MC86HCl1MC86HCl1单片机定时器系统的功能之一。定时系统有单片机定时器系统的功能之一。定时系统有
15、 3 3个独立的输入个独立的输入捕捉功能，可自动记录定时器输入引脚上脉冲触发边沿捕捉功能，可自动记录定时器输入引脚上脉冲触发边沿(可正、可负、可正、可负、可又正又负可又正又负)出现的时刻，可测量脉冲数量、周期和相位，还可在允许出现的时刻，可测量脉冲数量、周期和相位，还可在允许时向时向CPUCPU 提供一个输入捕捉中断。提供一个输入捕捉中断。完成输入捕捉功能的模块有完成输入捕捉功能的模块有3 3个，每个模块都包括一个个，每个模块都包括一个l6l6位定时器位定时器输入捕捉锁存器，输入信号沿检测逻辑和中断控制逻辑。每当输入捕捉输入捕捉锁存器，输入信号沿检测逻辑和中断控制逻辑。每当输入捕捉模块检测到光
16、电编码器一次有效跳变时，便将定时器的计数值装入模块模块检测到光电编码器一次有效跳变时，便将定时器的计数值装入模块中的输入捕捉锁存器，同时在允许情况下产生一次中断，并在中断程序中的输入捕捉锁存器，同时在允许情况下产生一次中断，并在中断程序中处理锁存器的值。中处理锁存器的值。2 2单片机的输出单片机的输出机器人执行机构直流电机是由单片机机器人执行机构直流电机是由单片机 PAPA 口的比较输出端输出脉宽口的比较输出端输出脉宽调制信号进行控制的。输出比较功能也是调制信号进行控制的。输出比较功能也是MC68HCl1MC68HCl1单片机定时器系统的单片机定时器系统的功能之一。定时器系统有功能之一。定时器
17、系统有5 5个输出比较功能模块，每个模块有各自的个输出比较功能模块，每个模块有各自的 l6l6位比较存放器和位比较存放器和l6l6位比较器。需要输出一个指定的脉冲宽度时，先将输位比较器。需要输出一个指定的脉冲宽度时，先将输出的极性和对应的时间计数值写入比较模出的极性和对应的时间计数值写入比较模块的块的l6l6位比较存放器，启动定时器，当定时器的计数值与比较存放位比较存放器，启动定时器，当定时器的计数值与比较存放器的值相等时，输出端的极性自动改变，这样，重复上述操器的值相等时，输出端的极性自动改变，这样，重复上述操作，便可产生一个指定宽度的脉冲序列。作，便可产生一个指定宽度的脉冲序列。四、智能机
18、器人技术展望四、智能机器人技术展望智能机器人是尖端科技的成果，它能高强度、持久地在各种环境下智能机器人是尖端科技的成果，它能高强度、持久地在各种环境下从事重复劳动，它对环境有很强的适应性，很广泛的通用性，而且机器从事重复劳动，它对环境有很强的适应性，很广泛的通用性，而且机器人动作准确迅速，可明显提高生产率、降低本钱。所以如果没有机器人人动作准确迅速，可明显提高生产率、降低本钱。所以如果没有机器人的帮助，的帮助，2l2l世纪我们国家在很多领域的开展将达不到世界先进水平。机世纪我们国家在很多领域的开展将达不到世界先进水平。机器人要向高智能水平开展，它应具备以下功能：器人要向高智能水平开展，它应具备
19、以下功能：1 1手功能：能对外界物体进行操作，其动作不同于简单的专用自手功能：能对外界物体进行操作，其动作不同于简单的专用自动化设备，而是具有多样性、通用性和柔软性；动化设备，而是具有多样性、通用性和柔软性；2 2足功能：能在外界环境中自由移动。无论是平地还是凹凸不平足功能：能在外界环境中自由移动。无论是平地还是凹凸不平的山路、海底；的山路、海底；3 3感知功能：具有认识环境与物体，并利用这些信息作自治动作感知功能：具有认识环境与物体，并利用这些信息作自治动作的能力；的能力；4 4记忆功能：能记忆所示教过的动作信息，并再现这些操作；记忆功能：能记忆所示教过的动作信息，并再现这些操作；5 5思考
20、功能：对状态变化能自主地做出与之相适应的行为决策和思考功能：对状态变化能自主地做出与之相适应的行为决策和规划。规划。为了到达上述高智能机器人功能，机器人技术将从以下几方面开为了到达上述高智能机器人功能，机器人技术将从以下几方面开展：展：1 1操纵臂技术：研制高速、高精度，并具有柔性、多自由度的操操纵臂技术：研制高速、高精度，并具有柔性、多自由度的操纵臂，既有能操纵大重量物体的操纵臂，也有能在显微镜下进行作业的纵臂，既有能操纵大重量物体的操纵臂，也有能在显微镜下进行作业的微型操纵臂；微型操纵臂；2 2移动装置：能对移动环境图像快速识别，并能在各种情况下做移动装置：能对移动环境图像快速识别，并能在
21、各种情况下做出综合性判断的适应不同环境的新型移动机构；出综合性判断的适应不同环境的新型移动机构；3 3传感器技术：提高视觉精度引入高分辨率、高清晰度、高可传感器技术：提高视觉精度引入高分辨率、高清晰度、高可靠性的电视摄像技术，使视觉与手臂的协调程序进一步提高；靠性的电视摄像技术，使视觉与手臂的协调程序进一步提高；采用压力计、加速度计、气体色谱分析仪等微型传感器，提高机器采用压力计、加速度计、气体色谱分析仪等微型传感器，提高机器人触觉的感知水平；人触觉的感知水平；4 4高级计算机和人工智能技术：将机器人各局部的功能和动作控高级计算机和人工智能技术：将机器人各局部的功能和动作控制分别作为计算机的子
22、系统并行处理，各子系统之间应有很强的通信功制分别作为计算机的子系统并行处理，各子系统之间应有很强的通信功能，采用分布式计算机，存人大量机器人作业环境和工作内容的智能常能，采用分布式计算机，存人大量机器人作业环境和工作内容的智能常识，可随时存取的知识数据库，开发实时性强、多样性和模糊性的机器识，可随时存取的知识数据库，开发实时性强、多样性和模糊性的机器人操作系统，开发机器人用的语言，以增强机器人的操纵手臂、移动装人操作系统，开发机器人用的语言，以增强机器人的操纵手臂、移动装置和人工智能的协调功能。人工智能是解决机器人规划的重要技术，机置和人工智能的协调功能。人工智能是解决机器人规划的重要技术，机器人知识库使机器人有可能完成感知与动作相结合的高智能操作。人类器人知识库使机器人有可能完成感知与动作相结合的高智能操作。人类社会需要机器人，机器人作为我们的未来伙伴，将给人类带来新的技术社会需要机器人，机器人作为我们的未来伙伴，将给人类带来新的技术革命、高科技成果和更加文明进步的社会。革命、高科技成果和更加文明进步的社会。参考文献：参考文献：1 1MotorolaMotorola单片机应用技术单片机应用技术张辉等编张辉等编著著北京航天航空大学出版社北京航天航空大学出版社