基于51單片機的智能快遞機器人的控制系統設計

聶秀珍

（山西鐵道職業技術學院，山西 太原 030006）

0 引 言

在智能化技術體系不斷完善的背景下，許多行業迎來了新的發展契機。在此背景下，單片機技術的應用優勢逐漸凸顯。智能機器人作為自動化裝備和先進制造技術的代表，涉及許多領域學科的應用知識。將單片機技術和智能快遞機器人控制系統關聯在一起，一方面能夠優化控制系統性能，提高智能快遞機器人應用過程的平穩性，另一方面對加快機器人研究速度也有著積極作用。

1 51單片機相關內容概述

1.1 基本定義

將中央處理器、存儲器以及I/O輸入輸出接口電路等集成在一塊電路芯片上的具有微型計算機功能的設備稱為單片機。本文主要研究51系列的單片機，典型應用的代表有ATMEL公司生產的AT89系列。51單片機對Intel 8031指令系統具有兼容性，在國內應用廣泛。而在國際上把單片機稱為微控制器，英文全稱為Micro controller unit，簡寫為MCU。相對來講，51系列單片機價格便宜，體積較小，實用性廣，性價比較高，在生活中獲得了廣泛應用。

1.2 主要構成

51單片機主要由以下幾部分構成。第一，CPU。CPU是單片機順利運行的核心，主要由運算和控制邏輯組成，同時包括中斷系統和部分外部特殊功能寄存器。第二，數據存儲器RAM。在51單片機編寫程序的過程中，通過keil構建工程，在keil工程中編寫的程序用于控制、處理51單片機及外圍器件。在keil程序中會產生一些過程數據和運算結果，這些用于控制和處理結果的程序數據以及結果，均存放在單片機內部的數據存儲器RAM中。第三，程序存儲器ROM。在keil工程構建的程序中，一些原始數據以及用于控制51單片機的程序都存放到單片機內部的程序存儲器ROM中。第四，輸入輸出接口I/O口。51單片機引腳中有4組并行口，每一組有8位共32位引腳，這些I/O引腳可以作為信號輸入端，也可以作為輸出接口輸出單片機處理結果。第五，定時計數器T/C。51單片機內部有兩個定時計數器分別為T0、T1，均為16位。通過設置寄存器可以具有定時功能，也可以設置為計數功能。

2 智能快遞機器人控制系統設計要點分析

2.1 總體方案設計

智能快遞機器人最主要的特點是自主性、適應性和交互性。遵照以上原則，智能移動機器人應該具有的功能包括4個方面。第一，自主移動。控制電機實現機器人的自主移動。第二，探測環境。機器人本身具有傳感器設備，可以通過傳感器的探測結果分析機器人需要的數據，如周圍環境中相關機器人的信息。第三，任務導航。在快遞機器人工作期間，可以借助系統探測到的周邊環境信息重新規劃行進路徑，在確保任務完成質量的基礎上，加快工作的完成速度。第四，人機交互。這是方案設計中的重要功能條件，人們可以借助人機交互平臺確定機器人目前的運行狀態、任務推進情況以及完成數量等信息，也為機器人運行調試奠定堅實的基礎。

2.2 機械結構設計

2.2.1 機械結構分析

設計快遞機器人時，底盤結構主要以4輪結構為主，如圖1所示。為確保快遞機器人移動過程的穩定性和轉向時的靈活性，共設計了2個驅動輪結構。驅動輪保持較高的運行獨立性，2個方向輪可以靈活擺動，以確保快遞機器人行進方向的準確性。為方便快遞機器人定位，將底盤中心點作為移動過程中的坐標記錄點。

圖1 快遞機器人示意圖

2.2.2 移動方式選擇

結合以往的設計經驗，快遞機器人移動方式的選擇種類較多，如履帶式、步行式以及輪式等。本文設計中選擇的移動方式為輪式移動，且4個輪子運行過程的獨立性較強，使其具備了較高的移動靈便性。在驅動方式方面，選擇3輪差動轉向式，即有2個獨立工作的驅動輪和1個或2個（本文選擇的是兩個）隨動輪組成。運行時驅動輪提供前進動力，而隨動輪負責調整方向，確保運送任務的順利推進。

2.3 傳感系統設計

2.3.1 紅外傳感器

考慮到快遞機器人工作環境的特殊性，在機器人設計中需要添加紅外傳感器，主要作用是根據前方紅外反饋信息，識別危險信息（火源），從而提高工作過程的安全性。實際設計中，利用紅外頻率產生電路，同時會產生一個38 kHz的紅外光。模塊在接收到紅外光后會對其進行應用處理，確定紅外光強度，并識別產生源，查看源頭屬于自然光還是明火。自然光情況下，機器人保持正常的工作狀態；反之，提交給主系統信息重新規劃路徑，提升路徑行駛的安全性。

2.3.2 光敏傳感器

除了感知熱源外，智能快遞機器人還需要具備較高的光感性。一般會在智能機器人中安裝光敏電阻，根據關照強度更改不同的電阻值。為了確保系統的安全性，光敏電阻在無光狀態下的電阻為幾十萬歐姆，在普通的室內光線下電阻為幾千歐姆，而在強光下則為幾十歐姆。利用光敏電阻這一變化規律，可以大致了解智能快遞機器人的行駛情況，結合其他數據信息實現精準定位，提高機器人工作狀態的穩定性。

2.3.3 超聲波傳感器

智能快遞機器人在行進過程中也會遇到一些障礙物，如石頭、倒下的欄桿以及貨物等。此時需要借助超聲波傳感器完成障礙預判，以便路線的重新規劃設計。對于障礙物的檢測采用超聲波傳感器電路設計，其中信號發射電路可以采用74HC04型號反向器。對于信號的接收采用接收電路，可以結合51單片機采集信息。

在單片機發出超聲波信號時（頻率為40 kHz），若前方存在障礙物，波長信號會被反彈回來。此時，根據信號指示可以判斷與障礙物之間的距離和障礙物，隨后在硬件系統和軟件系統的幫助下重新規劃行進路線。

2.4 控制器硬件設計

2.4.1 硬件平臺系統

智能快遞機器人硬件平臺系統主要由以下幾部分組成。第一，主控制芯片，即51單片機是系統運行的核心。第二，對于程序的調試采用JTAG接口，通過JTAG接口下載程序控制機器人動作，并反復調試。第三，顯示器模塊，人機交互的數據通過顯示屏操作，可以在顯示屏進行控制機器人動作。第四，系統電路包括電源控制線路、紅外控制電路、超聲控制電路、電機控制電路以及警報系統電路等，這些電路是維持系統正常運行的基礎[1]。

2.4.2 最小系統電路

在對智能快遞機器人進行最小系統電路設計時，應注意以下內容。第一，做好時鐘電路的設計工作，常用的時鐘電路可以分為有源和無源晶振兩種方式。相比于無源晶振，有源晶振所生成的時鐘質量更高，如HO2B-16便是常用的時鐘電路類型之一[2]。第二，進行電源模塊的優化設計，可以應用直接供電和轉換供電兩種方式維持機器人正常的工作狀態。前者主要利用9 V電池為系統供電，后者則是利用變壓器將常規電壓（如220 V、380 V等）轉換為9 V電壓完成供電。

2.4.3 人機接口電路

設計人機接口電路時，應注意以下內容。第一，系統顯示模塊是人機交互的主界面，應優先選擇電路簡單的液晶顯示屏，如HD44780、HD44788等都是常用的顯示屏[3]。第二，警報系統電路。該環節的設計內容比較簡單，可以將蜂鳴器和51單片機直接關聯在一起，完成警報聲音的發出，具體的設計電路如圖2所示。

2.4.4 電機控制電路

設計的智能快遞機器人利用輪式結構完成唯一操作，驅動電流為直流電，因此驅動電機應優選性能較強的直流電機。在電機控制電路設計過程中，選擇51單片機作為核心結構，實現電機系統的穩定運行，具體的電機控制如圖3所示。在電路運行過程中，會將其和TTL邏輯電平關聯在一起，同時梳理控制邏輯，從而滿足系統正常的工作所需。

圖2 警報系統電路示意圖

2.5 控制系統軟件設計

2.5.1 系統軟件

進行控制系統軟件設計時，需要先建立系統軟件框架。實際設計中，該框架需要滿足可靠性、兼容性、實時性和可移植性等要求，也為后續智能快遞機器人的進一步發展奠定基礎。依托于51單片機結構，還需要合理選擇系統的開發工具，包括編譯器、仿真器、集成環境等內容，從而確保軟件系統平臺的有效性，提升智能快遞機器人運行過程的可靠性。

2.5.2 系統主程序

圖3 電機控制電路示意圖

如圖4所示，在系統主程序設計過程中，可以參照該流程完成常規性工作內容。其中，做好系統初始化工作屬于重要的應用內容。具體設計中，需要注意以下應用內容。第一，IO初始化，考慮到原系統內存在部分未被引入的IO引腳，在系統初始化處理過程中需要對其進行全部配置，以減少未引入IO引腳的干擾性，提高系統工作過程的穩定性。第二，系統中斷初始化，主要作用是保護系統運行，若出現一些系統故障，會及時中斷程序運行，并且向主控制系統做出預警，起到降低系統損失的作用。

2.5.3 電機控制程序

在對電機控制程序展開設計時，需要注意以下應用內容。第一，做好PWM調速程序的設計工作，主要作用是動態調節電機目前的運行轉速，從而起到控制智能快遞機器人位移速度的作用。第二，電機運行狀態的監測。智能快遞機器人共有2個驅動電機，為確保工作狀態的穩定性，需要對其進行監測，科學判斷異常數據進行，推動智能系統自我調節工作的順利進行。

圖4 系統主程序工作示意圖

2.6 路徑規劃算法設計

考慮到智能快遞機器人未來的工作環境，在確定路徑規劃算法時選擇全局路徑規劃算法，即機器人從起點開始進行執行配送任務，一直到完成任務重新回到起始位置。整個過程需要按照既定路徑完成全局行走。遇到障礙物時，一般選擇平移幾個車位或者右轉180°移動幾個車位的方式，從而起到合理躲避障礙物的作用。

3 模擬實驗的建立和實驗結果分析

模擬實驗時，選擇室內作為前期的實驗環境。在室內隨意擺放一些障礙物，提前設置好行走路線，明確實驗起始位置和終點位置后開始進行實驗。實驗中需要統計的數據為快遞機器人行駛速度、障礙物躲避靈活性、機器人定位的精準度以及轉向時偏移角等。根據實驗結果可以得出，現階段設計的智能快遞機器人基本上可以順利完成任務，能夠躲避障礙物，但是在轉角和定位方面存在較大的誤差，是下一階段需要改進的地方。

4 結 論

智能快遞機器人作為融合了多學科的技術成果，具備了非常高的研究價值。通過將51單片機融入智能快遞機器人設計中，為優化機器人性能提供了可靠的數據支持，是加快機器人研究速度的重要途徑之一。