基于單片機的機器人管家設(shè)計文獻綜述

1、xx大學(xué)專業(yè)文獻綜述題 目: 基于單片機的機器人管家研究綜述 姓 名: 學(xué) 院: 計算機與信息工程學(xué)院 專 業(yè): 班 級: 學(xué) 號: 指導(dǎo)教師: 職稱: 2014年12月19日大學(xué)教務(wù)處制基于單片機的機器人管家設(shè)計研究綜述作者： 指導(dǎo)老師： 摘要:在分析和把握現(xiàn)自動控制科技成果的基礎(chǔ)上，對家庭自動化的發(fā)展趨勢進行了研究和科學(xué)預(yù)測。研究認為，家庭自動化將向著綜合自動化和智能自動化發(fā)展，“機器人管家”將成為智能家居中的核心部件和關(guān)鍵。機器人系統(tǒng)是一種集光、機、電于一體的智能控制系統(tǒng),它采用單片機作為微控制器。智能家庭自動化將人類生活真正推向智能時代。關(guān)鍵字：自動控制；家庭自動化；機器人管家；智能家

2、居The robot housekeeper design based on single chip microcomputerAuthor: Advisor: Abstract:Based on the analysis and understanding of existing scientific and technological, achievements of the automatic control, this article does the research and scientific predictions of the tendency of home automat

3、ion development. Studies suggest that home automation will make progress toward integrated automation and intelligent control automation; robot housekeeper will become an important member of smart home. The Track Finding Robot system is an intelligent device, which integrates photo electricity, mach

4、ine-building and electronics technology. It uses single chip microcomputer. Smart home automation will really push human life to be a smart era.Key words:automatic control;home automation;robot housekeeper;smart home 引言：本文所要探究的是以機器人管家為核心的智能家庭自動化。智能家庭自動化，是當(dāng)下最熱門的科技話題之一。所謂智能家庭自動化，就是智能化的家庭自動化，也有人叫智能家居，在

5、國外常用Smart Home表示系指利用高智能電子技術(shù)來集成或控制家中的電子電器或能動地處理其他居家信息的系統(tǒng)。由于科學(xué)技術(shù)和社會條件所限，我們目前所謂的家庭自動化主要限于控制家中的電子電器產(chǎn)品或系統(tǒng)，遠沒有達到智能自動化的目標(biāo)和效果。這只是家庭自動化的初級階段。在研究中，本文將透過現(xiàn)狀，將目光投向以機器人管家為核心的未來全智能家庭自動化系統(tǒng)的創(chuàng)建上，以將智能家居系統(tǒng)推向全新的網(wǎng)絡(luò)化和智能化層面。1. 國內(nèi)外機器人管家的發(fā)展情況隨著電子技術(shù)的日新月異，單片機控制技術(shù)已逐步滲透到電子技術(shù)、儀器儀表、自動控制等各個基礎(chǔ)領(lǐng)域。機器人是一個集環(huán)境感知、動態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等功能于一體的智能體

6、，在智能控制及自動化控制系統(tǒng)中都有著廣泛的應(yīng)用。智能家庭自動化是基于目前家庭自動化的發(fā)展趨勢而預(yù)測的。目前家庭自動化發(fā)展呈現(xiàn)出兩個趨勢:一是綜合自動化。隨著科學(xué)技術(shù)的進步和社會的發(fā)展，自動化技術(shù)目前發(fā)展到了大系統(tǒng)時代，有學(xué)者將大系統(tǒng)時代理論稱為“第三代控制理論”。所謂大系統(tǒng)，就是在大范圍內(nèi)采集數(shù)據(jù)處理數(shù)據(jù)分析數(shù)據(jù)，從而進行管理和控制的系統(tǒng)?，F(xiàn)代家庭，飲食安全、醫(yī)療、保健、學(xué)習(xí)、持家、信息溝通、出行等等就是一個大系統(tǒng)。而在目前，是單體自動化，或叫局部自動化，如洗衣機空調(diào)器冰箱等電器。隨著科技的發(fā)展和物聯(lián)時代的到來，人們將突破傳統(tǒng)局部思維，將現(xiàn)實生活的物件和環(huán)節(jié)與互聯(lián)網(wǎng)整合為統(tǒng)一的實虛網(wǎng)絡(luò)?；诰W(wǎng)

7、絡(luò)這個平臺，將使家庭衣、食、住、行、學(xué)、醫(yī)等內(nèi)容構(gòu)成的生活大系統(tǒng)實現(xiàn)綜合自動化。第二個趨勢是向智能控制方向發(fā)展。智能控制是研究與模擬人類智能活動及其控制信息傳遞過程的規(guī)律，研制具有某些人類智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)的一個新興科學(xué)。研究具有仿人智能的自動機器是人類的科學(xué)追求，家庭機器人是未來家庭的大管家。智能控制在信息論、控制論、計算機科學(xué)、仿生學(xué)等的基礎(chǔ)上，匯集有關(guān)方面的成果進行綜合研究，是自動化技術(shù)科學(xué)。1.1 前人研究成果1939年，美國紐約世博會上展出了西屋電氣公司制造的家用機器人Elektro。1954年，美國人喬治德沃爾制造出世界上第一臺可編程的機器人，并注冊了專利。1959年，德

8、沃爾與美國發(fā)明家約瑟夫英格伯格聯(lián)手制造出第一臺工業(yè)機器人。1962年-1963年，傳感器的應(yīng)用提高了機器人的可操作性。1965年，約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實驗室研制出Beast機器人。Beast已經(jīng)能通過聲納系統(tǒng)、光電管等裝置，根據(jù)環(huán)境校正自己的位置。 美國興起研究第二代帶傳感器、“有感覺”的機器人，并向人工智能進發(fā)。1968年，美國斯坦福研究所公布他們研發(fā)成功的機器人Shakey。Shakey可以算是世界第一臺智能機器人，拉開了第三代機器人研發(fā)的序幕。1969年，日本早稻田大學(xué)加藤一郎實驗室研發(fā)出第一臺以雙腳走路的機器人。1973年，世界上第一次機器人和小型計算機攜手合作，就誕生了美國Cin

9、cinnati Milacron公司的機器人T3。1978年，美國Unimation公司推出通用工業(yè)機器人PUMA，這標(biāo)志著工業(yè)機器人技術(shù)已經(jīng)完全成熟。PUMA至今仍然工作在工廠第一線。1984年，英格伯格再推機器人Helpmate，這種機器人能在醫(yī)院里為病人送飯、送藥、送郵件。同年，他還預(yù)言：“我要讓機器人擦地板，做飯，出去幫我洗車，檢查安全”。1998年，丹麥樂高公司推出機器人(Mind-storms)套件，讓機器人制造變得跟搭積木一樣，相對簡單又能任意拼裝，使機器人開始走入個人世界。1999年，日本索尼公司推出犬型機器人愛寶(AIBO)，當(dāng)即銷售一空，從此娛樂機器人成為目前機器人邁進普通

10、家庭的途徑之一。2002年，丹麥iRobot公司推出了吸塵器機器人Roomba，它能避開障礙，自動設(shè)計行進路線，還能在電量不足時，自動駛向充電座。Roomba是目前世界上銷量最大、最商業(yè)化的家用機器人。2006年 6月，微軟公司推出Microsoft Robotics Studio，機器人模塊化、平臺統(tǒng)一化的趨勢越來越明顯，比爾蓋茨預(yù)言，家用機器人很快將席卷全球。總結(jié)前人的研究成果，提出了基于單片機的機器人管家設(shè)計。本文基于單片機及多種傳感器原理,單片機作為系統(tǒng)檢測和控制的核心, 小型直流電機作為驅(qū)動元件, 實現(xiàn)對機器人小車的智能控制，完成了一個自主式移動機器人的制作。2. 系統(tǒng)開發(fā)擬采用技術(shù)

11、系統(tǒng)開發(fā)過程中可能采用的技術(shù)有AT89C51單片機技術(shù)、煙霧傳感器、溫度傳感器、智能尋跡和自動避障技術(shù)。2.1 單片機技術(shù)簡介單片機是一種集成在電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時器/計時器等功能集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個小而完善的計算機系統(tǒng)。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。相當(dāng)于一個微型的計算機，和計算機相比，單片機只缺少了I/O設(shè)備。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(xué)習(xí)、應(yīng)用和開發(fā)提供了便利條件

12、。本系統(tǒng)選擇的是ATMEL公司MCS-51系列的AT89C51單片機，是一種帶4K字節(jié)FLASH存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓、高性能CMOS 8位微處理器，俗稱單片機。AT89C51是一種帶2K字節(jié)閃存可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除1000次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準的MCS-51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃速存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C51單片機為

13、很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。 它具有處理能強、運行速度快、功耗低等優(yōu)點，應(yīng)用在檢測方面，控制簡單方便，測量范圍廣，精度較高。2.2 煙霧傳感器技術(shù)簡介 本文設(shè)計的煙霧報警器運用MQ-2型號的煙霧傳感器，其是由二氧化錫半導(dǎo)體氣敏材料所制造的，表面為離子形式的N型半導(dǎo)體。如果處在200-300C溫度的條件下，二氧化錫能夠吸附周圍空氣之中的氧氣，變成氧的負離子進行吸附作用，促使半導(dǎo)體之中的電子密度有所降低，進而導(dǎo)致其電阻值升高。如果和煙霧發(fā)生相應(yīng)接觸時，當(dāng)晶粒間界處位置的勢壘受到這煙霧的調(diào)制作用而發(fā)生相應(yīng)改變，則會導(dǎo)致表面電導(dǎo)率的產(chǎn)生變化。使用這一點就能夠獲取到這類煙霧存在的相

14、應(yīng)信息。MQ-2型號的煙霧傳感器處于最理想工作條件的情況下，當(dāng)接觸到同一類煙霧時，其相應(yīng)的電阻值 RS 會隨著氣體濃度的變化性質(zhì)稱其為靈敏度特性，用字母K來表示。有表達式K=RS/R0，式中R0表示煙霧傳感器處于潔凈空氣狀況下的電阻值，RS表示煙霧傳感器處于一定濃度的檢測煙霧環(huán)境當(dāng)中對應(yīng)的電阻值。盡管對于各種不同種類的煙霧，器件相應(yīng)的靈敏度特性的K值都顯得各不相同，然而其都遵循著同一定律公式，即為 logRS=mlogC+n，式中 ：m表示器件相對于煙霧濃度改變的敏感性程度，又稱其為煙霧分離能，關(guān)于煙霧，m值取為 1/2-1/3 ；C表示檢測煙霧的相應(yīng)濃度。N和檢測煙霧，器件材料都存在著一定的

15、聯(lián)系，并且隨著測試溫度與材料之中是否有增感劑而表現(xiàn)得各不相同。MQ-2型號的煙霧傳感器具有六個引腳，在其中間的兩個是電阻絲，剩余的四個引腳分別是兩個輸入引腳與兩個輸出引腳。在此其中處于中間位置的兩個引腳作為相應(yīng)信號的輸出端，其輸出的形式是模擬電壓量，范圍在 0-1V 之間。這傳感器同時需要添加兩個電壓，分別為加熱電壓VH與測試電壓VC。其中的VH用來給傳感器提供固定需求的工作溫度。VC則是用來測量和傳感器串聯(lián)的負載電RL上相應(yīng)的電壓值。2.3 溫度傳感器技術(shù)簡介DS18B20是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的數(shù)字溫度傳感器，它通過單總線協(xié)議依靠一個單線端口進行通訊。其僅占用一個單片機的I/O口，無

16、需其他任何外部件，把環(huán)境溫度直接轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，以數(shù)字碼方式串行輸出，從而簡化了傳感器和微處理器之間的接口。該傳感器可以單個于單片機連接實現(xiàn)溫度采集功能，在需要采集多點溫度數(shù)據(jù)時，只需將多片DS18B20同時掛在一條總線上，由軟件對每個溫度傳感器的ROM編碼進行識別即可，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、供電方式多樣、方便擴展和可靠性高等優(yōu)點。2.4 智能尋跡技術(shù)簡介本設(shè)計選擇了ST178反射式紅外線光電傳感器作為紅外光的發(fā)射和接受器件，進行軌跡檢測（約3cm寬的黑線），為了避開小車行進中可能遇到的障礙物，采用一對（發(fā)射和接收）超聲傳感器來對小車前進方向上的障礙物進行檢測。2.5 自動避障技術(shù)簡介移動機器

17、人的避障行走,首先是解決靜態(tài)障礙物的避障,此時環(huán)境信息主要是距離信息。通過對激光、紅外線、超聲波等現(xiàn)有測距方法的比較可知,超聲波指向性強,能量消耗緩慢,在介質(zhì)中傳播的距離較遠,利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡單、易于做到實時控制,并且在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求。本系統(tǒng)采用超聲波測距方法,為機器人識別其運動的前方環(huán)境提供一個準確的運動距離信息。3. 硬件設(shè)計根據(jù)系統(tǒng)的硬件組成需求分析，主要包括3個模塊：數(shù)據(jù)采集模塊；控制模塊；顯示模塊。如下圖1所示： 數(shù)據(jù)采集模塊 單片機 顯示模塊 控制模塊 溫度傳感器及煙霧傳感器 存儲單元 LCD顯示 處理單元 按鍵圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖3.1

18、數(shù)據(jù)采集模塊該模塊擬采用了兩種傳感器，一種是MQ-2型號的煙霧傳感器，該傳感器處于最理想工作條件的情況下，當(dāng)接觸到同一類煙霧時，其相應(yīng)的電阻值RS會隨著氣體濃度的變化性質(zhì)稱其為靈敏度特性。另一種是由美國DALLAS公司生產(chǎn)的DS18B20數(shù)字溫度傳感器，它通過單總線協(xié)議依靠一個單線端口進行通訊。3.2 控制模塊單片機微處理器是系統(tǒng)的核心,它控制測量過程,進行數(shù)據(jù)處理。它的設(shè)計和選用要考慮傳感器的測量速度、精度、分辨率及數(shù)據(jù)處理能力等。對于集成傳感器,設(shè)計微處理器的功能要適當(dāng)，設(shè)計時既要考慮產(chǎn)品質(zhì)量、可靠性,又要考慮降低成本,簡化結(jié)構(gòu),滿足芯片尺寸的要求。因此,選用AT89C51作為系統(tǒng)微處理器

19、。 3.3 顯示模塊此模塊是LCD液晶顯示屏顯示數(shù)據(jù)信息。主要負責(zé)當(dāng)前溫度的顯示。4. 軟件設(shè)計軟件設(shè)計主要分為主程序、初值設(shè)定子程序、溫度及煙霧傳感程序、循跡程序、避障程序、數(shù)據(jù)顯示程序。初值設(shè)定子程序完成對溫度初值的設(shè)定及數(shù)據(jù)保存；數(shù)據(jù)讀取子程序完成對溫度傳感器數(shù)據(jù)的讀取及數(shù)據(jù)換算,并通過顯示子程序顯示溫度。如下圖所示：開始 單片機端口初始化LCD初始化檢驗按鍵是否按下？ NO 讀取按鍵信息 獲取采樣信息 執(zhí)行按鍵信息 YES LCD顯示，清零結(jié)束 圖1 主程序流程圖開始單片機端口初始化發(fā)射超聲波有回波嗎？S = N Y 讀取、計算s值 避障算法D/A轉(zhuǎn)換返回 圖2 避障程序流程圖開始單片

20、機端口初始化調(diào)用軌跡采樣模塊調(diào)用軌跡控制模塊調(diào)用電機驅(qū)動模塊系統(tǒng)檢測出錯 N Y停止 圖3 循跡程序5. 結(jié)論 智能家庭自動化正在快速發(fā)展，但目前制約智能家庭自動化的問題不少，主要有:行業(yè)標(biāo)準很難融合，如家用電器接口有待于進一步的配套和統(tǒng)一標(biāo)準，住宅電氣設(shè)計標(biāo)準與住宅智能化系統(tǒng)配合;目前的家庭智能自動化沒有上升到綜合性平臺，只是單體電器的自動化，在智能性上有差距，還沒有上升到仿生學(xué)層面等對這些問題解決的途徑，將有賴于實行標(biāo)準與非標(biāo)準并舉，實行模擬家電與數(shù)字家電并舉，并不斷完善社會合作體系，堅持向綜合化數(shù)字化的方向發(fā)展。智能家庭自動化是本世紀人類的夢想，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，這個夢想正在逐步實現(xiàn) 二十世紀八十年代以來，有些國家已經(jīng)研制出了家用機器人。這些家用機器人可以獨立完成端茶、洗碗、掃除、做飯以及與人下棋等工作。這些家用機器人是智能機器人，比產(chǎn)業(yè)機器人更高級，它們靠各種傳感器感覺，能聽懂人的命令，能識別三維物體，甚至還具有人類粗淺的情感。初步的智能家庭自動化在美國德國新加坡日本等國都有應(yīng)用。前幾年在新加坡舉辦的“家庭電器與電子消費品國際展覽會”上，在場模擬“未來之家”