一、题目要求
运水机器人方框图如下图所示，应达到如下要求：
(1)小车放置在A区黑色起始线的左侧，车轮不得压线。
(2)A区第一次采取手动给水，注水完毕后启动小车，同时开始显示计时时间。
(3)小车将水运到C容器，停在右边线左侧，车轮不得压线，小车所载的水由人工倒入C容器。
(4)卸水后，装水容器B放回小车时、小车自动返回A区停在起始线左侧，车轮不得压线。等待自动注水。
(5)自动注水完毕后，自动行驶到C区，等待第二次卸水结束，将容器放回小车，容器B接触小车时终止计时。
(6)由测试人员计量C容器中的水量，计算单位时间的运水量。
(7)每次运水量不超过500rnl。
根据赛题要求。我们设计了由控制器、电源、寻迹传感器、直流电机、驱动电路、自动供水等模块构成的系统。并进行功能扩展、加入了语音提示模块，可实时播报当前运水机器人的工作状态，比如说小车开始送水时会发出“送水去”的语音指示。
二、方案论证
过反复考虑论证，制定了左右两轮分别驱动。即左右轮用两个直流电机驱动。车体尾部装两个万向轮，后万向轮转向的方案。车架材料选用有机玻璃板。它比塑料车架更牢固，比铁制小车更轻便，美观。
1．控制器模块
采用ATMEL公司的AT89S51单片机，它是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含有4kB程序存储器，128kB数据存储器，4个并行10口，2个16位定时／计数器。
虽然单片机内部无PWM接口，但由于可进行位操作，对于PWM电机调速很方便。
2．电源模块
选用12V蓄电池为直流电机供电。并经稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力，且价格低谦。用两片7812稳压给两台直流电机供电，用7805稳压给单片机等芯片供电，7805输出电流可达1．5A以上，完全满足系统要求。
3．寻迹传感器模块
用一对光电对管自制，发射器是砷化镓红外发光二极管，接收器是高灵敏度的硅平面光电三极管。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单。工作性能稳定。由于黑色对光的反射率非常低。只有3％。
而白色对光的反射率很高，有97％以上，所以很容易区分黑线和白线。能够达到寻迹的要求。
4．电机模块
采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小。重量轻，装配简单，使用方便。由高速电动机带动减速齿轮组，可以产生较大扭力。我们选用的减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min。
车轮直径为6cm，因此小车的最大速度可以达到V=2Trrv=2×3．14×0．03×100/60=0．314m/s
5．电机驱动模块
采用专用驱动芯片L293D作为电机驱动芯片。
L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片。
一片L293D可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使用端。用该芯片作为电机驱劝，操作方便，稳定性能好。性能优良。
6．显示模块
采用4位数码管显示小车运行的时间。由于单片机接口限制，我们用8155进行数码管的扩展，利用动态显示方法进行编程，一共可显示9999s，足可以达到题目要求。
系统的结构框图如下图所示。
三、硬件及单元电路设计
1．微控制器单元设计
采用AT89S51单片机，只需简单接上外部的晶振和复位电路，就能正常工作，由于使用接口比较多，造成单片机的硬件接口资源比较紧张，所以我们用8155进行接口扩展，8155一方面利用PA口和PB口进行数码管显示，另一方面利用PC实时接小光电对管寻迹组的信号，交给单片机进行处理。单片机的P1口主要进行启动及对L293D控制，由软件产生PWM信号对电机进行调速。有关8155扩展显示接口电路很容易在相关的单片机书籍中找到，读者可参考相关资料。
2．光电对管单元电路设计
光电对管电路如下图所示。可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察。输出波形相当规则，用黑色物体遮住光电对管，传感器输出高电平，用白色物体遮住光电对管，传感器输出低电平，可以直接供单片机查询使用。且试验验证给此电路供电的电池压降较小。因此选用此电路作为传感器检测与调理电路。
3．寻迹光电对管的安装
考虑到题目的要求，本设计使用6个光电传感器，其中4个传感器分两组分别装在小车两侧，跨在黑线上，用来校正小车的寻迹路线，保证运行的直线性。另外两个传感器一前一后安装小车前、后端，用来在A区和C区停车时控制小车不压到黑线。
4．电机驱动单元电路设计
采用电机驱动芯片L293D作为电机驱动，驱动电路的设计如下图所示。
L293D的1、2、7、9、10、15脚接到单片机的P1口，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转及PWM调速功能。
5．自动供水单元电路设计
根据题目要求第二次采用自动供水，所以在A区设计了自动供水。采用电磁阀控制出水。用AT89C2051作为供水控制器，利用光电对管作为检测小车到达的传感器，当小车第二次到达A区取水时，光电对管产生一个低电平的有效信号，同时单片机发供水信号，驱动继电器、控制电磁阀通电，注水到车体上的容器。经过一段延时，AT89C2051产生停止供水信号，小车离开A区向C区送水。这里面光电传感器放的位置很关键，应该是正好小车停在A区黑线左侧，光电传感器正好接收到停车信号。这样一来，小车上的AT89S51控制器与自动供水端的AT89C2051控制器在时间上是同步的，只要延时设计的精确。停止供水及小车启动送水都是同步的。
6．语音提示单元设计
机器人工作过程中设~7J-L个状态点，小车从A区第一次出发；到C区停止等待卸水；自动返回A区；到A区停止等待装水；再从A区出发；到C区停止并等待卸水这几个状态。我们给出语音提示，语音提示我们采用凌阳公司的SPCE061A，该单片机具有很强的语音处理功能。通过上面几个状态产生相应的脉冲信号，触发SPCE061A单片机播放已录制好的语音。这样在小车运行的过程中。会有相应的语音提示语。当机器人接通电源时，人们就会听到“欢迎使用运水当机器人”，接着按下开始按钮同时会听到“送水去”并且秒表开始计时，当机器人第一次到达C区遇到黑线停止时会听到“请卸水”，当卸水完毕将B容器放回机器人时，会听到“取水去”、同时机器人自动退回A区，当机器人到达A区时车上的传感器会检测到A区黑线停止，此时会听到“请注水”、同时自动注水系统的传感器也会检测到机器人的到来并开始注水，当自动放水结束后会听到“注水完毕送水去”，同时机器人就会向C区送水。当机器人再次到达C区遇黑线停止时会听到“请卸水”。这样小车就有很强的人机互动性。
经过上述几个单元电路的设计，做好了小车的整体硬件电路。
四、软件程序设计
1．主程序流程图
所设计的软件的主程序流程图如下图所示：
小车运行时，开始不停地读8155的6个传感器PC口，扫描6个传感器信号。我们把小车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测白线时，小车在跑道的正上方，这时两个电机全速运行。
当检测到有一个传感器或者两侧的两个传感器偏出白线时，小车处于偏离状态，这时将一个电机速度调慢，完成调整。当停止的传感器检测到黑线时，小车立刻停止。做出相应的动作。
用这种寻迹方法思路相当清晰，程序执行效果较好。该检测传感器子程序流程图如下图所示。
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