課 程 設 計設計題目： 仿生機器龜設計 20 / 27文檔可自由編輯打印課程設計任務書課程設計題目： 仿生機器龜設計 仿生機器龜設計1 設計主要內(nèi)容及要求1.1設計目的：（1）了解機器人技術(shù)的基本知識以及有關電工電子學、單片機、機械設計、傳感器等相關技術(shù)。 （2）初步掌握機器人的運動學原理、基于智能機器人的控制理論，并應用于所設計的機器人中。 （3）通過學習，具體掌握機器人的控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務。1.2基本要求：（1）要求設計一個具有仿生功能的機器人； （2）要求設計機器人的行走機構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 （3）要求機器人具有趨光功能（龜喜歡曬太陽），避障功能（不能撞到障礙物上），知道饑餓（電池電量檢測功能）。1.3發(fā)揮部分：自由發(fā)揮2 設計過程及論文的基本要求：2.1 設計過程的基本要求（1）基本部分必須完成，發(fā)揮部分可任選；（2）符合設計要求的報告一份，其中包括總體設計框圖、電路原理圖各一份；（3）設計過程的資料、草稿要求保留并隨設計報告一起上交；報告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤上交。2.2 課程設計論文的基本要求（1）參照畢業(yè)設計論文規(guī)范打印，包括附錄中的圖紙。項目齊全、不許涂改，不少于3000字。圖紙為A4，所有插圖不允許復印。（2）裝訂順序：封面、任務書、成績評審意見表、中文摘要、關鍵詞、目錄、正文（設計題目、設計任務、設計思路、設計框圖、各部分電路及相應的詳細的功能分析和重要的參數(shù)計算、工作過程分析、元器件清單、主要器件介紹）、小結(jié)、參考文獻、附錄（總體設計框圖與電路原理圖）。3 時間進度安排順序階段日期計 劃 完 成 內(nèi) 容備注12010.7.19講解主要設計內(nèi)容，學生根據(jù)任務書做出原始框圖打分22010.7.20檢查框圖及初步原理圖完成情況，講解及糾正錯誤打分32010.7.21檢查邏輯圖并指出錯誤及糾正；講解原理圖繪制及報告書寫打分42010.7.22繼續(xù)修正邏輯圖，指導原理圖繪制方法，布置答辯打分52010.7.23答辯、寫報告打分2010-7-19沈 陽 工 程 學 院 機器人技術(shù)及其應用 課程設計成績評定表 指 導 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分調(diào)研論證能獨立查閱文獻,收集資料；能制定課程設計方案和日程安排。0.15432工作能力態(tài)度工作態(tài)度認真，遵守紀律，出勤情況是否良好，能夠獨立完成設計工作， 0.25432工作量按期圓滿完成規(guī)定的設計任務，工作量飽滿，難度適宜。0.25432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴謹合理，文字通順，技術(shù)用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.55432指導教師評審成績（加權(quán)分合計乘以12） 分加權(quán)分合計指 導 教 師 簽 名： 年 月 日評 閱 教 師 評 審 意 見評價內(nèi)容具 體 要 求權(quán)重評 分加權(quán)分查閱文獻查閱文獻有一定廣泛性；有綜合歸納資料的能力0.25432工作量工作量飽滿，難度適中。0.55432說明書的質(zhì)量說明書立論正確，論述充分，結(jié)論嚴謹合理，文字通順，技術(shù)用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，圖表完備，書寫工整規(guī)范。0.35432評閱教師評審成績（加權(quán)分合計乘以8）分加權(quán)分合計評 閱 教 師 簽 名： 年 月 日課 程 設 計 總 評 成 績分中文摘要隨著人類認知領域的不斷擴展和研究層次的不斷深入，人類的作業(yè)環(huán)境也開始向著更為復雜的空間發(fā)展，例如核輻射場所、深海、太空、有毒環(huán)境或高溫高壓等。這些環(huán)境的作業(yè)條件遠遠超出了人類所能夠承受的極限，因此人們就開始尋找可以代替人來完成作業(yè)的物體，最終人們發(fā)明了機器人這種擬人化的機器。 機器人是一種智能型的機器，它能夠代替人類的部分工作，從處理個別問題的速度和可靠性來看，它在一定程度上已經(jīng)超過了人。在國際上關于機器人的定義有好幾種，但是這幾種不同的定義都有共同的屬性是：象人或人的一部分，并模仿人的動作；具有智能或感覺與識別能力；是人制造的機器或機械電子裝置。在研究機器人和制造機器人的領域必須要知道機器人學的三定律：第一，機器人不得傷害人或由于故障而使人遭受不幸；也不得見人受到傷害而袖手旁觀 。第二，機器人應執(zhí)行人們所下達的指令，除非這些指令與第一定律相矛盾；第三，機器人應能保護自己的生存，只要這種防護行為不與第一或第二定律相矛盾。所以無論在任何時候，我們都要遵守這三定律。本次課程設計的題目是仿生機器龜，仿生是模仿生物系統(tǒng)的功能和行為，來建造技術(shù)系統(tǒng)的一種科學方法。它打破了生物和機器的界限，將各種不同的系統(tǒng)溝通起來。本次設計通過四個部分來實現(xiàn)機器龜?shù)幕竟δ?。分別是主控制器、驅(qū)動部分、傳感器部分、機器人的控制部分的設計。其中，在主控制器部分我是通過C8051單片機對機器龜?shù)男袆舆M行控制的。驅(qū)動部分，我選擇的是直流電動機，由于直流電機控制方便，只用一個簡單的H橋電路就能實現(xiàn)電動機的正反轉(zhuǎn)。傳感器部分，避障傳感器我選擇的是紅外傳感器，趨光傳感器我選擇的是光敏電阻，機器龜?shù)囊捠称鋵嵕褪钱斔旧硪獩]有電的時候自動去尋找陽光充電。機器龜?shù)男伦邫C構(gòu)我選擇的是四輪式行走機構(gòu)。總之，我設計的機器龜?shù)恼w結(jié)構(gòu)包括兩個驅(qū)動輪，兩個轉(zhuǎn)動輪，四個紅外傳感器，兩個光敏電阻，單片機。紅外傳感器分別位于殼體的前、后、左、右，兩個光敏電阻分別位于殼體前部的左右兩側(cè)。四個紅外傳感器，兩個光敏電阻的測量電路分別與單片機連接，四個紅外傳感器用于檢測障礙物，光敏電阻用于檢測光強，單片機通過根據(jù)紅外傳感器，光敏電阻輸入的信號來控制電機，進而控制驅(qū)動足。關鍵詞 傳感器，電動機，機器人，仿生龜目 錄中文摘要IV1設計任務描述11.1 設計題目：仿生機器龜?shù)脑O計11.2 設計要求11.2.1 設計目的11.3 基本要求11.3.1 發(fā)揮部分12 設計思路22.1 行走機構(gòu)的設計22.2 執(zhí)行器部分的選擇22.3 驅(qū)動方式的選擇22.3.1 液壓驅(qū)動22.3.2 氣壓驅(qū)動32.3.3 電動機驅(qū)動32.4 傳感器的選擇42.4.1 趨光功能傳感器的選擇42.4.2 避障功能傳感器的選擇42.5 主控制器的選擇52.6 軟件功能的實現(xiàn)52.7 電機驅(qū)動芯片的選擇53 設計方框圖74 硬件設計84.1 單片機模塊84.1.1 電源電路84.1.2 復位電路84.2 趨光功能的設計94.2.1 光敏電阻傳感器94.2.2 光敏電阻的數(shù)量和布局94.2.3 光敏電阻的測量電路94.3 避障功能的設計104.3.1 紅外傳感器104.3.2 紅外傳感器的測量電路114.4 覓食功能的設計114.5 電機驅(qū)動部分的設計124.5.1 L298簡介124.5.2 H橋原理簡述124.5.3 驅(qū)動電路的設計135 系統(tǒng)軟件145.1 軟件流程圖146 工作過程分析157 元器件清單168 主要元器件介紹178.1 光敏電阻CdS的介紹178.2 紅外傳感器的介紹178.3 LM7805的介紹178.4 C8051單片機178.5 LM298的簡介18小結(jié)19致謝20參考文獻21附錄221設計任務描述1.1 設計題目：仿生機器龜?shù)脑O計 1.2 設計要求1.2.1 設計目的（1）了解機器人技術(shù)的基本知識以及有關電工電子學、單片機、機械設計、傳感器等相關技術(shù)。 （2）初步掌握機器人的運動學原理、基于智能機器人的控制理論，并應用于所設計的機器人中。 （3）通過學習，具體掌握機器人的控制技術(shù)，并使機器人能獨立執(zhí)行一定的任務。1.3 基本要求（1）要求設計一個具有仿生功能的機器人； （2）要求設計機器人的行走機構(gòu)，控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 （3）要求機器人具有趨光功能（龜喜歡曬太陽），避障功能（不能撞到障礙物上），知道饑餓（電池電量檢測功能）。1.3.1 發(fā)揮部分遇到障礙物時LED等報警。2 設計思路2.1 行走機構(gòu)的設計行走機構(gòu)是行走機器人的重要執(zhí)行部件，也稱為機器人的下肢，是機器人的關鍵部分，主要用來承受體重和完成位移，它決定著機器人能否迅速靈活地移動，能否準確地按照作者的意愿到達指定地點。機器人的行走機構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性，其次是靈活性。行走機器人的行走機構(gòu)主要有車輪式行走機構(gòu)、履帶式行走機構(gòu)和足式行走機構(gòu)。一般而言，在崎嶇的山路上，適合選擇履帶式行走機構(gòu)；在沙漠中，適合選用足步式行走機構(gòu)；在相對平坦的道路上，適合選擇車輪式行走機構(gòu)。由于輪式行走機構(gòu)由滾動摩擦代替滑動摩擦，主要的特點式效率高，適合在平坦的路上移動，定位準確，而且重量較輕，制作簡單。因為設計的仿真小龜主要是針對陸地而言的，而且對小龜?shù)闹亓可线€有一定的限制，所以，在設計仿真龜時，選擇車輪式行走機構(gòu)。2.2 執(zhí)行器部分的選擇驅(qū)動機器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號（點亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機器龜來說，最基本的就是輪子。這部分就好比烏龜?shù)乃闹粯印＼囕喰鸵苿訖C構(gòu)按車輪數(shù)可分為兩輪式、三輪式和四輪式。人們把非常簡單、便宜的自行車或兩輪摩托車用在機器人上的試驗很早就進行了。但是人們很容易的就認識到兩輪車的速度、傾斜等物理量精度不高，而進行機器人化，所需簡單、便宜、可靠性高的傳感器也很難獲得。此外，兩輪車制動時以及低速行走時也極不穩(wěn)定。而使用三個輪的優(yōu)點是所有的輪子都會著地，不會產(chǎn)生懸空現(xiàn)象，控制穩(wěn)定。但當機器人重心偏移時，如轉(zhuǎn)彎、相撞等，由于只有三個輪子支撐車體，穩(wěn)定性不好。較三輪車體來說，四個輪子可以更好地支撐龜體，行走穩(wěn)定，當重心偏移時，左右晃動小。所以在設計中我選擇機器龜為四輪式。2.3 驅(qū)動方式的選擇機器人驅(qū)動方式可分為液壓式、氣動式和電動式。2.3.1 液壓驅(qū)動液壓驅(qū)動的特點是，液壓容易達到較高的壓力，體積較小，可以獲得較大的推力或轉(zhuǎn)矩；液壓系統(tǒng)介質(zhì)的可壓縮性小，工作平穩(wěn)可靠，并可得到較高的位置精度；在液壓傳動中，力、速度和方向比較容易實現(xiàn)自動控制；液壓系統(tǒng)由于采用油液作介質(zhì)，具有防銹性和自潤滑性，可以提高機械效率，使用壽命長。但是，液壓驅(qū)動方式也有不足之處，由于油液的粘度隨著溫度的變化而變化，影響工作性能，高溫容易引起燃燒爆炸等危險；另外液體的泄露難于克服，要求液壓元件有較高的精度和質(zhì)量，故造價比很高?？傊@種驅(qū)動方式的輸出力和功率很大，經(jīng)常用于比較大型機器人關節(jié)的驅(qū)動，而且這種驅(qū)動方式還存在著危險性，所以對于仿生機器龜來說不適合選擇液壓驅(qū)動方式。2.3.2 氣壓驅(qū)動氣壓驅(qū)動的特點是，壓縮空氣粘度小，很容易達到高速；它不必添加動力設備；空氣介質(zhì)對環(huán)境無污染，使用安全，可直接應用于高溫作業(yè)；氣動元件工作壓力低。但是它的不足之處是若要獲得較大的力，其結(jié)構(gòu)就要相對的增大，而且空氣壓縮性大，工作平穩(wěn)性差，速度控制困難，要想達到準確的位置控制很困難。另外，還有一個嚴重的問題是，壓縮空氣的排水問題如果處理不當會使鋼類零件生銹，導致機器人失靈。此外，排氣還會造成噪聲污染。總之，氣壓驅(qū)動多用于開關控制和順序控制的機器人，且其體積較大和精確度不高等缺點也使其不適合作為仿生機器龜?shù)尿?qū)動方式。2.3.3 電動機驅(qū)動經(jīng)過以上的分析可知，液壓式和氣壓式都不適合作為機器龜?shù)尿?qū)動方式，所以就選擇電動式作為機器龜?shù)尿?qū)動方式。電動機驅(qū)動又分為直流電動機、步進電動機和伺服電動機。下面，分別介紹這三種電動機。方案一：步進電動機。步進電機是利用電磁鐵原理,將脈沖信號 轉(zhuǎn)換成線位移或角位移的電機。每來一個電脈沖，電機轉(zhuǎn)動一個角度，帶動機械移動一小段距離。它的工作特點是給步進脈沖電機就轉(zhuǎn)，不給步進脈沖電機就不轉(zhuǎn)；步進脈沖頻率高，步進電機轉(zhuǎn)得快；步進脈沖頻率低，步進電機轉(zhuǎn)得就慢；改變各相的通電方式（叫脈沖分配）可以改變步進電機的運行方式；改變通電順序，可以控制步進電機的正、反轉(zhuǎn)。方案二：伺服電動機。一個微型伺服馬達內(nèi)部包括了一個小型直流馬達，一組變速齒輪組，一個反饋可調(diào)電位器，及一塊電子控制板。其中，高速轉(zhuǎn)動的直流馬達提供了原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，使之產(chǎn)生高扭力的輸出，齒輪組的變速比愈大，伺服馬達的輸出扭力也愈大，也就是說越能承受更大的重量。伺服電機容易與CPU連接，控制性能好，響應快，最大的優(yōu)點是可以實現(xiàn)速度和位置的精確控制，適合于中小型機器人。方案三：直流電動機。直流電機由定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機身的圓桶狀部分，一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場的線圈制成。由于直流電機驅(qū)動是開環(huán)控制，所以行進速度一般固定，精度不高，直流電機控制的精確度雖然沒有步進電機那樣高，但完全可以滿足本題目的要求。但是直流電機控制起來簡單，它只有兩根線，一根是電源線，一根是接地線。要想控制直流電機的轉(zhuǎn)度，只要加大加在電源線上的電壓即可，加大電壓的方法是通過調(diào)節(jié)脈沖的占空比來實現(xiàn)的。如果要想實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)，那么就用H橋電路，通過H橋電路就可以實現(xiàn)直流電機的正反轉(zhuǎn)。綜上所述，我選用方案三直流電機作為機器龜?shù)尿?qū)動電機。2.4 傳感器的選擇傳感器是能夠感受被測量（如物理量、化學量、生物量），并能按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號（通常為電信號）的器件或裝置。機器人用來讀取各種外部信號的傳感器，以及控制機器人行動的各種開關。好比人的眼睛、耳朵等感覺器官。所以選擇正確的傳感器在設計中就顯得尤為重要。2.4.1 趨光功能傳感器的選擇由于烏龜喜歡曬太陽，它為了生存下去必須要保證不斷電，為了保證當本身的電量要用完的時候它能夠自動去尋找光源充電，所以在設計中要讓小龜有尋光的功能，那么當小龜尋找到光源之后，還要準確的對準光源進行充電，所以在設計中還要讓小龜有趨光的功能。自然界中有很多信息是通過光輻射傳播的，通過光電器件可獲得這些信息。光敏電阻是一種重要的光電轉(zhuǎn)換器件，它是基于內(nèi)光電效應的光電元件，在光照作用下能使物體的電導率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應。當內(nèi)光電效應發(fā)生時，固體材料吸收的能量使部分價帶電子遷移到導帶，同時在價帶中留下空穴，由于材料中載流子數(shù)量增加，其電導率也增加,使電阻值減小。光敏電阻便是利用這一原理，當有光照時,其電阻值很小減小，沒有光照時電阻阻值很大，而且，光敏電阻靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制造工藝簡單，價格便宜等，所以在設計中，我選擇了光敏電阻來完成小龜?shù)膶す夤δ堋?.4.2 避障功能傳感器的選擇避障可以說是各種機器人最基本的功能。因此選擇合適的測障傳感器是非常重要的常用的避障傳感器有以下幾種:方案一：接觸式傳感器碰撞開關。碰撞開關的特點是電路為常開，碰到障礙物后連通，可以用來檢測機器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關價格便宜，使用簡單，使用范圍廣，對環(huán)境條件沒有什么限制。但是，它也有缺點，它的缺點是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機器人比賽中是相當失分的。并且使用時間較長后容易發(fā)生機械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。方案二：探測障礙物使用超聲波傳感器。采用超聲波傳感器，如果傳感器接收到反射的超聲波，則通知單片機前方有障礙物，反之則通知單片機可以向前行駛。經(jīng)實驗，使用超聲波傳感器探測信號時十分容易受到外界環(huán)境的影響，使單片機控制系統(tǒng)接收到許多錯誤的信息。而且超聲波傳感器價格比較昂貴。方案三：使用光敏傳感器，直接根據(jù)光源的信號進行判斷。這需要光敏傳感器能及時反饋可靠的信息，而光敏傳感器擁有很高的靈敏度，為了抗干擾還可以把光敏傳感器預先進行特殊處理，使其只有在光源正射時才能測到信號，這樣就使光敏傳感器的返回信號更加可靠，單片機一旦接到的光敏傳感器返回的信息，便能作出正確的判斷。倘若測不到信號，說明光敏傳感器被障礙物擋住，正前方不能通行,單片機控制電機繞開障礙物行駛。方案四：紅外傳感器。機器人自主避碰運動規(guī)劃只要求對障礙物存在或不存在進行判斷。所以，使用紅外線傳感器就可以滿足要求。這種傳感器的工作原理就是發(fā)射某種射線，遇到障礙物會被反射回來，這時傳感器就認為發(fā)現(xiàn)了障礙物。傳感器由紅外線發(fā)射電路和接受電路組成。單片機通過接收紅外傳感器的信號,判斷出傳感器是否檢測到障礙物,從而做出避障動作。綜合上述并結(jié)合實際，在本次設計中避障傳感器我選擇方案四，紅外傳感器。2.5 主控制器的選擇主控制器用來接收傳感器部分傳遞過來的信號，并根據(jù)事前寫入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來決定機器人對外部信號的反應，將控制信號發(fā)給執(zhí)行器部分，就好比人的大腦。適合機器人的控制芯片有很多：單片機、DSP、甚至我們計算機上所用的CPU，都可以。但是，在本次設計中我還是選用了我們最熟悉的，價格最便宜的單片機。單片機是整個系統(tǒng)的核心，它作為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中的運算器、存儲器和控制器的集成，是系統(tǒng)中其它所有輸入輸出信息的控制和處理中心，本設計中采用的單片機是我們學過的C8051系列單片機。2.6 軟件功能的實現(xiàn)當外界的傳感器傳送給單片機后，接下來就需要進行軟件編程了，來對機器龜?shù)母鞣N行為進行控制。在本次設計中，機器龜?shù)目刂葡到y(tǒng)采用匯編語言編程，整個軟件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障礙物子程序、尋光子程序、充電子程序和轉(zhuǎn)彎子程序，還有前進子程序等組成。主程序主要起到導向和決策的功能,決定什么時候該做什么，機器龜?shù)母鞣N功能主要是通過調(diào)用具體的子程序模塊來實現(xiàn)的。2.7 電機驅(qū)動芯片的選擇在自制機器人的時候，選擇一個合適的驅(qū)動電路也是非常重要的。在我的設計中我選擇直流電動機，直流電機最常用的驅(qū)動電路是H橋電路，但是考慮如果用硬件來完成H橋電路的搭建非常麻煩，而且所占的空間也大，所以在我的設計中選擇了集成的驅(qū)動芯片LM298，這款芯片內(nèi)部集成了H橋電路，就不用再自己搭配了。給我的設計帶來了很大的方便。3 設計方框圖C8051單 片 機LEDLM298驅(qū)動芯片光敏電阻直流電機紅外傳感器電源電路復位電路障礙物光源直線前進向左轉(zhuǎn)向右轉(zhuǎn)報警A/D轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換圖3-1 仿真機器龜硬件設計方框圖4 硬件設計4.1 單片機模塊4.1.1 電源電路在設計中使用了單片機作為主控制器，它正常工作時為5V供電，且電路工作穩(wěn)態(tài)電流較小，因此對電源要求不高。因此在本次設計中我選用LM7805集成穩(wěn)壓電路，它的輸出電壓為5V，輸出電流可達1.5A。由LM7805集成穩(wěn)壓器組成的5V電壓源主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。+5V穩(wěn)壓電源電路如圖4-1所示。圖4-1 +5V穩(wěn)壓電源電路4.1.2 復位電路復位可分為外部復位和看門狗復位，通常復位都選擇外部復位方式，外部復位又叫硬件復位，硬件復位電路的工作原理是，系統(tǒng)正常工作時，RESET引腳通過4.7K電阻接到電源正極，所以應為高電平，若按下復位按鈕，則RESET引腳通過100接地為低電平，芯片復位。復位電路圖如圖4-2所示。圖4-2 復位電路4.2 趨光功能的設計4.2.1 光敏電阻傳感器光敏電阻是根據(jù)半導體的光電導效應制成的。它所用的材料主要有：硒、硫化鎘、硫化鋁、硫化鉍、硒化鎘、硒化鋅、砷化鎵、硅等。其中對可見光敏感的硫化鎘光敏電阻是最有代表性的一種。光敏電阻在使用時，可以加直流偏壓，也可以加交流偏壓，它的電流隨電壓呈線性變化。光敏電阻在無光照時，其暗阻值一般大于1500 k，在有光照時，其亮阻值為幾千歐，兩者相差較大。光敏電阻的主要特點是：靈敏度高、體積小、重量輕、電性能穩(wěn)定、可以交直流兩用，而且制造工藝簡單，價格便宜等。在實際使用中一般都選擇硫化鎘光敏電阻。以硫化鎘（CdS）為主要成分的光敏電阻是應用廣泛的一種光敏，它是利用半導體的光電效應，即當光照射在硫化鎘半導體表面上時，半導體內(nèi)的載流子增加，使其電導率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導體光電器件相比，有以下特點，光譜響應范圍相當寬，工作電流大，所測得光電強度范圍寬，既可測強光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。4.2.2 光敏電阻的數(shù)量和布局光敏電阻硫化鎘在黑暗環(huán)境中的阻值大約為100 k，在明亮環(huán)境中阻值為10 k，不同的硫化鉛電阻的阻值相差很大，在機器龜?shù)脑O計中我選擇使用兩個光敏電阻，并且需要盡量使兩個硫化鎘光敏電阻的阻值相等或接近。由于硫化鎘光敏電阻的電阻值變化較大，因此，在設計中最好多買幾個硫化鎘光敏電阻，使購買的數(shù)量多于需要使用的數(shù)量，然后對這些硫化鎘電阻進行測量，從中選擇一對電阻值最接近的硫化鎘光敏電阻。把篩選出來的兩個硫化鎘光敏電阻，分別放在機器龜前方的兩側(cè)位置，當這兩個光敏電阻傳感器接收光線的強度近似相等時，機器龜向前運動，如果一個硫化鎘光敏電阻接收的光線強度比另一個強時，小龜則進行左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)。4.2.3 光敏電阻的測量電路機器龜?shù)膶す怆娐啡鐖D4-3所示。在設計中采用橋電路，通過左右兩邊光強的照射，經(jīng)過電壓比較器來比較反饋光強度，并選擇相應行走方向。該電路的工作原理如下：兩只光敏電阻通過下拉電阻連接到電壓比較器的輸入端，兩只下拉電阻的阻值相等，因為兩只光敏電阻的阻值不可能完全相等，所以在設計中又添加了一個滑動變阻器。光敏電阻R3是安裝在小龜?shù)淖髠?cè)，R4安裝在右側(cè)的。當左側(cè)的光強大于右側(cè)的光強時，光敏電阻R3的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R6所分的電壓將變大，這時電壓比較器將會輸出一個低電平信號。當右側(cè)的光強大于左側(cè)的光強時，光敏電阻R4的阻值將變小，所分的電壓也將變小，那么與它相連的固定電阻R5所分的電壓將變大，這時電壓比較器將會輸出一個高電平信號。把轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字量送入單片機進行處理，來驅(qū)動機器龜轉(zhuǎn)彎。圖4-3 光敏電阻測量電路4.3 避障功能的設計4.3.1 紅外傳感器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外式接近覺傳感器的基本工作原理：它包括兩個組成部分發(fā)送器與接收器。發(fā)送器往往為紅外發(fā)光二極管，而接收器一般為光敏晶體管。發(fā)送器向某物發(fā)出一束紅外光后，該物體發(fā)射紅外光，并被接收器所接收。通過反射與接收達到判斷物體的存在的目的，經(jīng)過信號處理與解算，又可獲得其相對距離，從而確定其位置。紅外式接近傳感器的明顯優(yōu)點是在于它的發(fā)送器與接收器都很小，因此可以方便安裝在機器人的各個部位。且它的應答性好，維修方便，是目前應用較多的種接近覺傳感器。一般把它用于移動機器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。紅外傳感器由兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管組成。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，紅外線在遇到障礙物后被反射回來，紅外接收管收到被反射回來的紅外線后，通過A/D轉(zhuǎn)換送入單片機進行處理，并電量發(fā)光二極管LED。告訴機器龜前方有障礙物，不能直線前進了，要轉(zhuǎn)彎。4.3.2 紅外傳感器的測量電路傳感器由紅外線發(fā)射電路和檢測器組成。發(fā)射電路使用555時基電路組成的脈沖發(fā)生器，其工作頻率為38kHz，占空比為60%。其震蕩頻率為： （4-1）由式（4-1）可知，當、時，() =37.97K。選定 =15K，通過一個可變電阻調(diào)節(jié)得到。555產(chǎn)生的脈沖波由OUT腳輸出，經(jīng)電阻加到驅(qū)動三極管的基極上，由三極管驅(qū)動紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線。檢測器使用一個標準的38kHz的電視遙控接收器。由非門74HC14將信號整形，可以得到穩(wěn)定的方波信號。在實驗中發(fā)現(xiàn)，當前方?jīng)]有障礙物時檢測器也發(fā)生電平變化。經(jīng)分析認為是紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線中的一部分直接被檢測器檢測到所造成的。在紅外發(fā)光二極管和檢測器之間加裝金屬隔板后，問題得到解決。紅外發(fā)射電路如圖4-4所示。圖4-4 紅外發(fā)射電路4.4 覓食功能的設計 本設計采用4.8V 鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽能電池板正負極通過一個三極管與電池正負極相連。有一個電壓比較器比較電池電壓與太陽能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導通，太陽能電池板對充電電池充電。充電電池電壓上升，當高于某值時控制三極管關斷，結(jié)束充電。為使太陽能板能對電池組充電，要求太陽能板在陽光直射下輸出電壓高于8V。4.5 電機驅(qū)動部分的設計4.5.1 L298簡介L298是雙通道直流電動機驅(qū)動芯片，它可以滿足機器龜正反轉(zhuǎn)控制的需要。L298是一塊單片集成電路，有兩種封裝形式，它是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅(qū)動2個直流電動機，也可以驅(qū)動感性負載，如繼電器、電動閥、步進電動機等。采用L298作為電動機驅(qū)動電路，可靠性高，可以方便地控制電動機的正反轉(zhuǎn)。L298內(nèi)部包含2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器接收標準邏輯電平信號，可以驅(qū)動46V、2A以下的電機。L298可驅(qū)動兩個電機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個電動機，5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)，這些特性使得L298很適合作直流電機控制芯片。4.5.2 H橋原理簡述所謂 H 橋驅(qū)動電路是為了直流電機而設計的一種常見電路，它主要實現(xiàn)直流電機的正反向驅(qū)動，其典型電路形式如右圖4-5所示： 圖4-5 典型的H橋電路（1）開關 A、D接通，電機為正向轉(zhuǎn)動；（2）開關B、C接通時，直流電機將反向轉(zhuǎn)動；（3）剎車 將B 、D開關（或A、C）接通，則電機慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用；（4）惰行 4個開關全部斷開，則電機慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉(zhuǎn)動較長時間。4.5.3 驅(qū)動電路的設計由于從單片機出來的信號太小，不能驅(qū)動電動機正常運轉(zhuǎn)，所以在單片機與電動機之間添加一個驅(qū)動電路。驅(qū)動電路如圖4-6所示。采用專用芯片L298作為電機驅(qū)動芯片。L298采用由達林頓管組成的H型PWM電路。其中，M1、M2是直流電動機，VD1VD8是整流二極管。L298的輸入輸出關系：使能控制端ENA接單片機的端口，當這個端口為高電平時，通過PWM信號輸入端IN1和IN2可以控制電動機的正反轉(zhuǎn)和速度（輸入端IN1為PWM信號，輸入端IN2為低電平，電動機正傳；輸入端IN2為PWM信號，輸入端IN1為低電平，電動機反轉(zhuǎn)）；當它為低電平時，驅(qū)動電橋上的4個晶體管全部截止，使正在運行的電動機電樞電流反向，電動機自由停止。該驅(qū)動電路的工作過程是，單片機的兩個PWM輸出口P1.0和P1.2分別用于控制左右兩個直流電機，分別連到LM298的IN1和IN3兩個輸入端，主要用來控制電機的轉(zhuǎn)速。P1.1和P1.3是控制電機的正反轉(zhuǎn)的，分別連在LM298的IN2和IN4兩個輸入端。這樣，就可以實現(xiàn)L298輸出端對電機的控制了。圖4-6 直流電機驅(qū)動電路5 系統(tǒng)軟件5.1 軟件流程圖開始定義頭文件開中斷左側(cè)光比較強？Y左邊有障礙？Y右 轉(zhuǎn)右邊有障礙？左轉(zhuǎn)N直線前進NY左右光強一樣？NYN前進電機控制程序圖5-1 仿真機器龜制作的軟件流程圖6 工作過程分析仿真機器龜?shù)墓ぷ鬟^程如下，在設計中使用了一些集成元器件以及單片機，根據(jù)它們的技術(shù)要求，正常工作時均為5V供電，且電路工作穩(wěn)態(tài)電流較小，因此在本次設計中選用LM7805集成穩(wěn)壓電路，它的輸出電壓為5V，輸出電流可達1.5A。由LM7805集成穩(wěn)壓器組成的5V電壓源主要由變壓器、整流電路、濾波電路、穩(wěn)壓電路組成。本次設計的機器龜就是一個機器生命，機器生命就是一個能自主生存的機器，一個自動為生存下去而奮斗的機器。對于機器生命來說，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運行。機器生命具有完全自主決策、自主行動、活動于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運行并且自我維護等特征。這次設計的機器龜就有自主決策、自主行動、活動于未知世界的功能。它能自主尋光、覓食和避障等功能。機器龜由四大模塊組成，分別是機械部分、傳感器部分、單片機部分以及驅(qū)動電機這四部分組成。它的工作過程是，合上電源開關，使機器龜進入工作狀態(tài)，此時機器龜?shù)暮竺鎯蓚€左、右輪在直流電機作用，由單片機控制這兩個輪的轉(zhuǎn)速相同，使機器龜沿著直線向前走。由于從單片機出來的信號比較小，不能直接作用于電動機，所以要用驅(qū)動電路作為單片機和電動機之間的橋梁。在我的設計中我選擇直流電動機，直流電機最常用的驅(qū)動電路是H橋電路，但是考慮如果用硬件來完成H橋電路的搭建非常麻煩，而且所占的空間也大，所以在我的設計中選擇了集成的驅(qū)動芯片LM298，這款芯片內(nèi)部集成了H橋電路，就不用再自己搭配了。電動機的轉(zhuǎn)速是通過單片機的PWM輸出端口輸出來控制的。只要調(diào)節(jié)輸出脈沖的占空比就可以實現(xiàn)機器龜?shù)男凶咚俣?。機器龜在行進過程中，左、右兩側(cè)的光敏電阻開始感知機器龜前方的光強，分別以數(shù)字信號值的形式傳給單片機，然后單片機通過接受到的信號“0”或“1”來決定機器龜是向右轉(zhuǎn)還是向左轉(zhuǎn)。只要兩個輪子的速度不同就能轉(zhuǎn)向了，轉(zhuǎn)向是利用單片機編程來實現(xiàn)的。如果左側(cè)光強值大于右側(cè)光強值，左輪正轉(zhuǎn)，右輪反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向輪向右轉(zhuǎn)動，驅(qū)使機器龜向右側(cè)前進；反之，左輪反轉(zhuǎn)，右輪正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)向輪向左轉(zhuǎn)動，驅(qū)使機器龜向左側(cè)前進，以實現(xiàn)機器龜?shù)内吂庑?。機器龜在行進過程中，四個紅外傳感器同時感知四周的障礙物信息，當機器龜前部的紅外傳感器感知到障礙物時，準備轉(zhuǎn)彎，此時光敏電阻首先比較左、右兩側(cè)的光強，以使機器龜向著光線較弱的一側(cè)轉(zhuǎn)彎，如果兩側(cè)光強一樣，則左、右兩側(cè)的紅外傳感器比較兩側(cè)障礙物的距離信息，并向著與障礙物距離遠的一側(cè)轉(zhuǎn)彎。這樣，一個具有初級智能行為的機器龜就設計出來了。7 元器件清單名稱型號數(shù)量備注普通電阻器10光敏電阻2紅外傳感器4電解電容2整流二極管1N400412發(fā)光二極管1LEDLM2981直流電機2電源15V集成穩(wěn)壓器LM7805單片機C8051f0201變壓器18 主要元器件介紹8.1 光敏電阻CdS的介紹以硫化鎘（CdS）為主要成分的光敏電阻是應用廣泛的一種光敏，它是利用半導體的光電效應，即當光照射在硫化鎘半導體表面上時，半導體內(nèi)的載流子增加，使其電導率增加。CdS通常都是制成薄膜結(jié)構(gòu)的，以便收集和吸收更多的光線。光敏電阻與其他半導體光電器件相比，有以下特點，光譜響應范圍相當寬，工作電流大，所測得光電強度范圍寬，既可測強光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。8.2 紅外傳感器的介紹把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化的裝置，稱為紅外傳感器。紅外傳感器主要是利用被測物體熱輻射而發(fā)出紅外線，從而測量物體的溫度，可進行遙控。它可以不從被測物體上吸收熱量，不會干擾被測對象的溫度場，連續(xù)測量不會產(chǎn)生消耗，反應快等優(yōu)點。紅外傳感器主要分為光電型和熱敏型。光電型是利用紅外輻射的光電效應制成的，其核心是光電元件，這類傳感器主要有紅外二極管、三極管等。熱敏型主要制作紅外溫度傳感器，它是利用紅外輻射的熱效應制成的，其核心是熱敏元件。8.3 LM7805的介紹LM7805是美國半導體公司的固定輸出三端正穩(wěn)壓器集成電路，輸出電流在1A以上，輸出電壓是+5V。內(nèi)其內(nèi)部包括過熱、過流和調(diào)整管保護等電路，誤差放大電路，基準電壓電路和調(diào)整電路，使用比較方便且穩(wěn)定精度高。8.4 C8051單片機C8051系列單片機是集成的混合信號片上系統(tǒng)，具有與MCS-51內(nèi)核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。C8051系列單片機是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)（SOC）。CPU有效地管理模擬和數(shù)字外設，可以關閉單個或全部外設以節(jié)省功耗。8.5 LM298的簡介L298是雙通道直流電動機驅(qū)動芯片，它可以滿足機器龜正反轉(zhuǎn)控制的需要。L298是一塊單片集成電路，有兩種封裝形式，它是雙H橋高電壓大電流功率集成電路，可以用來驅(qū)動2個直流電動機，也可以驅(qū)動感性負載，如繼電器、電動閥、步進電動機等。采用L298作為電動機驅(qū)動電路，可靠性高，可以方便地控制電動機的正反轉(zhuǎn)。它的功率電源電壓范圍為2.546V，邏輯工作電源電壓工作范圍：57 V。最大靜態(tài)工作電流是70mA。L298的主要參數(shù)：允許驅(qū)動電壓50V；允許控制電壓+50V；直流允許輸出電流2A；直流最大允許尖峰電流3A；允許采樣電壓-12.3V；允許功耗25 W。參考文獻1 杜軍平，吳立成.人工智能機器人學導論.北京：電子工業(yè)出版社，20042 方建軍，何廣平.智能機器人.北京：化學工業(yè)出版社，20033 劉榮.機器人探索工程實踐指南.北京：電子工業(yè)出版社，20044 陳懇，楊向東，劉莉.機器人技術(shù)與應用.北京：清華大學出版社，20065 山名宏治.玩具機器人制作.北京：科學出版社，2005附錄