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【摘 要】本文研制了一种适用于家用及工业领域的带转向功能自动循迹机器人，并简要介绍了电子及机械系统组成；在系统结构设计的基础上，设计了系统硬件，编制了系统软件；并从硬、软两方面采取了抗干扰措施。在实际的产品开发中具有很重要的参考价值。
【关键词】转向功能；机器人；单片机；电机控制
引言
目前，自动机器人被广泛的使用在家用， 工业等领域。尤其在人员无法靠近并执行操作的特殊场合起到了非常重要的作用。本文研制了一种可以自动循迹并遇到障碍即可转向的机器人，通过传感器实现了对地标和障碍物的检测，使用两个步进电机的控制实现转向功能，系统可以扩展至更多更复杂的功能应用。随着控制系统变得越来越复杂，对单片机的要求也越来越高，尤其需要其有很强大的运算能力和更大的存储容量以应对系统不断升级和扩展的需求。
本应用使用了飞思卡尔公司Kinetis EA系列单片机作为主控芯片，该系列单片机提供了基于ARM 的经济高效的解决方案。并具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合系统不断升级和扩展的需求。
（一）系统组成：
本系统由以下几个部分组成，万向轮，机身，电池组，开关电路，中控板，电机接口电路，电机和传感器电路。循迹功能有传感器实现信号检测，转向功能则交付于两个步进电机加万向轮实现。电池组通过开关电路提供给中控板和电机控制电路及电机电源。开关电路负责电源的通断。主控板则起到最重要的控制作用，收到传感器的信号后对電机进行控制，协调整个系统正常工作。电机控制接口电路和电机则执行主控板的指令进而驱动系统动作，实现左右转向，前后运动等控制动作。传感器和电机的数目可以不断扩展以实现系统更复杂的需求。系统框图见图1。
图1
（二）主控板Kinetis EA系列单片机简介：
Kinetis EA系列单片机是飞思卡尔公司在2014年推出的一款面向汽车行业应用单片机，该系列单片机提供了基于ARM 的经济高效的解决方案。该系列包含一组功能强大的模拟、通信、定时和控制外设，提供各种闪存规格和引脚数。这些可扩展的器件高度可靠，具有增强的EMC/ESD 性能，可为低成本汽车应用提供相应的解决方案。单片机简介见图2.
图2、此外，该系列还提供多个开发工具、软件和硬件参考选项，帮助客户轻松的开始设计。整个Kinetis EA系列引脚兼容，该系列还将与未来的Kineits的其他产品系列引脚兼容。为今后客户的平滑升级提供便利。该系列单片机具有简单的工具、丰富的开发环境和覆盖-40至125 °C温度范围的汽车级质量认证，可协助开发者加快产品的开发和上市速度。并附带一套丰富的文档、硬件和软件工具及应用说明，有助于加速开发，降低设计成本。
（三）主控芯片板，KEA 系列评估板：
评估版使用的是StarterTRAK基于Kinetis EA系列MCU的低成本开发套件，能够实现快速原型设计和工具的重复利用。TRK-KEA128开发平台基于Kinetis EA系列32位ARM？ MCU构建，配备128 KB闪存，适用于各种应用，是本系列中最强大的平台。这些可扩展的低功耗器件拥有庞大的支持生态合作体系，包括软件驱动程序、操作系统、示例代码和应用说明，能够协助开发者迅速将设计变为现实。
图3为评估板功能图。
图3
（四）电机控制接口电路：
采用可以驱动两路电机的带光电隔离耦合的双H 桥控制电路。该电路实现电流为2A 的双路两项步进电机的控制，从而可以实现转向的功能。逻辑部分电压为5V ，驱动部分最大输出电压可达到35V，最大电流可以达到2A。光耦隔离功能可以有效的保护单片机。另外两组电机则用继电器进行控制，电路相对比前两组简单。
（五）电机：
普通的直流电机即可实现驱动功能，电压范围在3到12V之间，转速为3000转每分钟作为主驱动电机，当然电机的选择可以根据系统的质量和额定电流大小等多个设计考量来做折衷。步进电机用来实现转向的控制。
（六）传感器：
本系统使用了循迹传感器和红外开关的避障传感器，循迹传感器电源电压为3-6V，检测距离为0-3厘米，检测到白色物体输出为高电平，指示信号灯亮起。检测到黑色物体输出低电平，检测到的信号通过I/O口输入到单片机。红外开关的避障传感器电压为5V，测量范围达到80厘米NPN 常开型，检测到目标输出是低电平，正常状态是高电平输出，通过上拉电阻接到单片机的I/O口。通过调节传感器的角度和数量用来实现最不同要求下物体的检测。最大通道数可以由KEA128 的I/O 通道数决定。
（七）电池组及开关电路：
电池组使用了5节5号镍氢电池套装搭配充电器， （下转第80页上接第84页）电压为6V ，电池容量1200mAH ，可反复充电使用，一般为1000次左右。考虑到电机应用，电池的容量越大越好，但是同时需也要考虑重量，尺寸，充电时间等其他因素进行设计折衷。
（八）软件部分的设计：
软件设计采用了程序结构化和功能模块化的设计方法。系统软件按结构分主程序、定时器中断服务程序及任务子程序等三部分组成。其主程序流程如图4所示。定时器中断服务程序是由软件设置的定时中断程序，主要用于检测各种传感器的输入及进行其它定时处理。任务子程序包括各种子任务实现转向和电机控制等等。系统软件由CodeWarrior开发套件实现，该开发套件 是飞思卡尔公司提供的系统开发软件，方便易用界面友好，可以协助快速的实现开发目标。
图4
（九）抗干扰措施和低功耗设计：
为了保证系统能够在恶劣的环境中长时间可靠运行，系统在硬件设计和软件设计方面采取了多种抗干扰措施。在硬件设计方面采取了接地处理、退耦滤波等措施。在软件设计方面采取了数字滤波、重复执行、主动初始化、数字量输入的封锁和模块编号等方法。
同时为了实现更长的运行时间减少电池电力消耗，单片机使用进入低功耗模式的方法来减少系统功耗，在待机状态，单片机进入特殊的低功耗模式，然后系统工作时再从低功耗模式唤醒进出正常工作模式。从而实现了更低的功耗，减少电池电力损耗。
（十）机械部分设计与实现：
系统机身结构有硬质板材组成，材料的选择为轻质材料并具有一定的刚性，最大程度减低系统的质量才能减少电池电力消耗，从而实现更长的运行时间。使用了两个步进电机加上万向轮实现转向功能。传感器放置在前方用来检测地面的信号和前面的障碍物，调整适当的角度实现适当的检测灵敏度。
（十一）结束语：
本系统采用Kinetis EA系列单片机作为主控板实现了带转向功能自动循迹机器人的研制，介绍了系统各个模块的组成。主控芯片飞思卡尔KEA单片机具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合系统不断升级和扩展的需求。在系统结构设计的基础上，设计了系统硬件，编制了系统软件；并从硬、软两方面采取了抗干扰措施。在实际的产品开发中具有很重要的参考价值。
参考文献：
[1] 飞思卡尔KEA系列单片机数据手册。
【关键词】转向功能；机器人；单片机；电机控制
引言
目前，自动机器人被广泛的使用在家用， 工业等领域。尤其在人员无法靠近并执行操作的特殊场合起到了非常重要的作用。本文研制了一种可以自动循迹并遇到障碍即可转向的机器人，通过传感器实现了对地标和障碍物的检测，使用两个步进电机的控制实现转向功能，系统可以扩展至更多更复杂的功能应用。随着控制系统变得越来越复杂，对单片机的要求也越来越高，尤其需要其有很强大的运算能力和更大的存储容量以应对系统不断升级和扩展的需求。
本应用使用了飞思卡尔公司Kinetis EA系列单片机作为主控芯片，该系列单片机提供了基于ARM 的经济高效的解决方案。并具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合系统不断升级和扩展的需求。
（一）系统组成：
本系统由以下几个部分组成，万向轮，机身，电池组，开关电路，中控板，电机接口电路，电机和传感器电路。循迹功能有传感器实现信号检测，转向功能则交付于两个步进电机加万向轮实现。电池组通过开关电路提供给中控板和电机控制电路及电机电源。开关电路负责电源的通断。主控板则起到最重要的控制作用，收到传感器的信号后对電机进行控制，协调整个系统正常工作。电机控制接口电路和电机则执行主控板的指令进而驱动系统动作，实现左右转向，前后运动等控制动作。传感器和电机的数目可以不断扩展以实现系统更复杂的需求。系统框图见图1。
图1
（二）主控板Kinetis EA系列单片机简介：
Kinetis EA系列单片机是飞思卡尔公司在2014年推出的一款面向汽车行业应用单片机，该系列单片机提供了基于ARM 的经济高效的解决方案。该系列包含一组功能强大的模拟、通信、定时和控制外设，提供各种闪存规格和引脚数。这些可扩展的器件高度可靠，具有增强的EMC/ESD 性能，可为低成本汽车应用提供相应的解决方案。单片机简介见图2.
图2、此外，该系列还提供多个开发工具、软件和硬件参考选项，帮助客户轻松的开始设计。整个Kinetis EA系列引脚兼容，该系列还将与未来的Kineits的其他产品系列引脚兼容。为今后客户的平滑升级提供便利。该系列单片机具有简单的工具、丰富的开发环境和覆盖-40至125 °C温度范围的汽车级质量认证，可协助开发者加快产品的开发和上市速度。并附带一套丰富的文档、硬件和软件工具及应用说明，有助于加速开发，降低设计成本。
（三）主控芯片板，KEA 系列评估板：
评估版使用的是StarterTRAK基于Kinetis EA系列MCU的低成本开发套件，能够实现快速原型设计和工具的重复利用。TRK-KEA128开发平台基于Kinetis EA系列32位ARM？ MCU构建，配备128 KB闪存，适用于各种应用，是本系列中最强大的平台。这些可扩展的低功耗器件拥有庞大的支持生态合作体系，包括软件驱动程序、操作系统、示例代码和应用说明，能够协助开发者迅速将设计变为现实。
图3为评估板功能图。
图3
（四）电机控制接口电路：
采用可以驱动两路电机的带光电隔离耦合的双H 桥控制电路。该电路实现电流为2A 的双路两项步进电机的控制，从而可以实现转向的功能。逻辑部分电压为5V ，驱动部分最大输出电压可达到35V，最大电流可以达到2A。光耦隔离功能可以有效的保护单片机。另外两组电机则用继电器进行控制，电路相对比前两组简单。
（五）电机：
普通的直流电机即可实现驱动功能，电压范围在3到12V之间，转速为3000转每分钟作为主驱动电机，当然电机的选择可以根据系统的质量和额定电流大小等多个设计考量来做折衷。步进电机用来实现转向的控制。
（六）传感器：
本系统使用了循迹传感器和红外开关的避障传感器，循迹传感器电源电压为3-6V，检测距离为0-3厘米，检测到白色物体输出为高电平，指示信号灯亮起。检测到黑色物体输出低电平，检测到的信号通过I/O口输入到单片机。红外开关的避障传感器电压为5V，测量范围达到80厘米NPN 常开型，检测到目标输出是低电平，正常状态是高电平输出，通过上拉电阻接到单片机的I/O口。通过调节传感器的角度和数量用来实现最不同要求下物体的检测。最大通道数可以由KEA128 的I/O 通道数决定。
（七）电池组及开关电路：
电池组使用了5节5号镍氢电池套装搭配充电器， （下转第80页上接第84页）电压为6V ，电池容量1200mAH ，可反复充电使用，一般为1000次左右。考虑到电机应用，电池的容量越大越好，但是同时需也要考虑重量，尺寸，充电时间等其他因素进行设计折衷。
（八）软件部分的设计：
软件设计采用了程序结构化和功能模块化的设计方法。系统软件按结构分主程序、定时器中断服务程序及任务子程序等三部分组成。其主程序流程如图4所示。定时器中断服务程序是由软件设置的定时中断程序，主要用于检测各种传感器的输入及进行其它定时处理。任务子程序包括各种子任务实现转向和电机控制等等。系统软件由CodeWarrior开发套件实现，该开发套件 是飞思卡尔公司提供的系统开发软件，方便易用界面友好，可以协助快速的实现开发目标。
图4
（九）抗干扰措施和低功耗设计：
为了保证系统能够在恶劣的环境中长时间可靠运行，系统在硬件设计和软件设计方面采取了多种抗干扰措施。在硬件设计方面采取了接地处理、退耦滤波等措施。在软件设计方面采取了数字滤波、重复执行、主动初始化、数字量输入的封锁和模块编号等方法。
同时为了实现更长的运行时间减少电池电力消耗，单片机使用进入低功耗模式的方法来减少系统功耗，在待机状态，单片机进入特殊的低功耗模式，然后系统工作时再从低功耗模式唤醒进出正常工作模式。从而实现了更低的功耗，减少电池电力损耗。
（十）机械部分设计与实现：
系统机身结构有硬质板材组成，材料的选择为轻质材料并具有一定的刚性，最大程度减低系统的质量才能减少电池电力消耗，从而实现更长的运行时间。使用了两个步进电机加上万向轮实现转向功能。传感器放置在前方用来检测地面的信号和前面的障碍物，调整适当的角度实现适当的检测灵敏度。
（十一）结束语：
本系统采用Kinetis EA系列单片机作为主控板实现了带转向功能自动循迹机器人的研制，介绍了系统各个模块的组成。主控芯片飞思卡尔KEA单片机具有相对强大的运算能力和高达128K的闪存。能符合系统不断升级和扩展的需求。在系统结构设计的基础上，设计了系统硬件，编制了系统软件；并从硬、软两方面采取了抗干扰措施。在实际的产品开发中具有很重要的参考价值。
参考文献：
[1] 飞思卡尔KEA系列单片机数据手册。