機(jī)器人仿生機(jī)器龜設(shè)課程設(shè)計(jì)
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1、 課 程 設(shè) 計(jì) 設(shè)計(jì)題目: 仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 20 / 27文檔可自由編輯打印 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 課程設(shè)計(jì)題目: 仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì) 1 設(shè)計(jì)主要內(nèi)容及要求 1.1設(shè)計(jì)目的: (1)了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。 (2)初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論,并應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人中。 (3)通過學(xué)習(xí),具體掌握機(jī)器人的
2、控制技術(shù),并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。 1.2基本要求: (1)要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有仿生功能的機(jī)器人; (2)要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 (3)要求機(jī)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(cè)功能)。 1.3發(fā)揮部分: 自由發(fā)揮 2 設(shè)計(jì)過程及論文的基本要求: 2.1 設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)要求的報(bào)告一份,其中包括總體設(shè)計(jì)框圖、電路原理圖各一份; (3)設(shè)計(jì)過程的資料、草稿要求保留并隨設(shè)計(jì)報(bào)告一起上交;報(bào)告的電子檔需全班統(tǒng)一存盤
3、上交。 2.2 課程設(shè)計(jì)論文的基本要求 (1)參照畢業(yè)設(shè)計(jì)論文規(guī)范打印,包括附錄中的圖紙。項(xiàng)目齊全、不許涂改,不少于3000字。圖紙為A4,所有插圖不允許復(fù)印。 (2)裝訂順序:封面、任務(wù)書、成績(jī)?cè)u(píng)審意見表、中文摘要、關(guān)鍵詞、目錄、正文(設(shè)計(jì)題目、設(shè)計(jì)任務(wù)、設(shè)計(jì)思路、設(shè)計(jì)框圖、各部分電路及相應(yīng)的詳細(xì)的功能分析和重要的參數(shù)計(jì)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(xiàn)、附錄(總體設(shè)計(jì)框圖與電路原理圖)。 3 時(shí)間進(jìn)度安排 順序 階段日期 計(jì) 劃 完 成 內(nèi) 容 備注 1 2010.7.19 講解主要設(shè)計(jì)內(nèi)容,學(xué)生根據(jù)任務(wù)書做出原始框圖 打分 2 201
4、0.7.20 檢查框圖及初步原理圖完成情況,講解及糾正錯(cuò)誤 打分 3 2010.7.21 檢查邏輯圖并指出錯(cuò)誤及糾正;講解原理圖繪制及報(bào)告書寫 打分 4 2010.7.22 繼續(xù)修正邏輯圖,指導(dǎo)原理圖繪制方法,布置答辯 打分 5 2010.7.23 答辯、寫報(bào)告 打分 2010-7-19 沈 陽 工 程 學(xué) 院 機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用 課程設(shè)計(jì)成績(jī)?cè)u(píng)定表 指 導(dǎo) 教 師 評(píng) 審 意 見 評(píng)價(jià) 內(nèi)容 具 體 要 求 權(quán)重 評(píng) 分 加權(quán)分 調(diào)研 論
5、證 能獨(dú)立查閱文獻(xiàn),收集資料;能制定課程設(shè)計(jì)方案和日程安排。 0.1 5 4 3 2 工作能力 態(tài)度 工作態(tài)度認(rèn)真,遵守紀(jì)律,出勤情況是否良好,能夠獨(dú)立完成設(shè)計(jì)工作, 0.2 5 4 3 2 工作量 按期圓滿完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù),工作量飽滿,難度適宜。 0.2 5 4 3 2 說明書的質(zhì)量 說明書立論正確,論述充分,結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理,文字通順,技術(shù)用語準(zhǔn)確,符號(hào)統(tǒng)一,編號(hào)齊全,圖表完備,書寫工整規(guī)范。 0.5 5 4 3 2 指導(dǎo)教師評(píng)審成績(jī) (加權(quán)分合計(jì)乘以12) 分 加權(quán)分合計(jì) 指 導(dǎo) 教 師
6、簽 名: 年 月 日 評(píng) 閱 教 師 評(píng) 審 意 見 評(píng)價(jià) 內(nèi)容 具 體 要 求 權(quán)重 評(píng) 分 加權(quán)分 查閱 文獻(xiàn) 查閱文獻(xiàn)有一定廣泛性;有綜合歸納資料的能力 0.2 5 4 3 2 工作量 工作量飽滿,難度適中。 0.5 5 4 3 2 說明書的質(zhì)量 說明書立論正確,論述充分,結(jié)論嚴(yán)謹(jǐn)合理,文字通順,技術(shù)用語準(zhǔn)確,符號(hào)統(tǒng)一,編號(hào)齊全,圖表完備,書寫工整規(guī)范。 0.3 5 4 3 2 評(píng)閱教師評(píng)審成績(jī) (加權(quán)分合計(jì)乘以8) 分 加權(quán)分合計(jì) 評(píng) 閱 教 師 簽 名: 年
7、 月 日 課 程 設(shè) 計(jì) 總 評(píng) 成 績(jī) 分 中文摘要 隨著人類認(rèn)知領(lǐng)域的不斷擴(kuò)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(fù)雜的空間發(fā)展,例如核輻射場(chǎng)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(jī)器人這種擬人化的機(jī)器。 機(jī)器人是一種智能型的機(jī)器,它能夠代替人類的部分工作,從處理個(gè)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(guó)際上關(guān)于機(jī)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
8、分,并模仿人的動(dòng)作;具有智能或感覺與識(shí)別能力;是人制造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。在研究機(jī)器人和制造機(jī)器人的領(lǐng)域必須要知道機(jī)器人學(xué)的三定律:第一,機(jī)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(jī)器人應(yīng)執(zhí)行人們所下達(dá)的指令,除非這些指令與第一定律相矛盾;第三,機(jī)器人應(yīng)能保護(hù)自己的生存,只要這種防護(hù)行為不與第一或第二定律相矛盾。所以無論在任何時(shí)候,我們都要遵守這三定律。 本次課程設(shè)計(jì)的題目是仿生機(jī)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(xué)方法。它打破了生物和機(jī)器的界限,將各種不同的系統(tǒng)溝通起來。本次設(shè)計(jì)通過四個(gè)部分來實(shí)現(xiàn)機(jī)器龜?shù)幕竟δ堋7謩e是主控
9、制器、驅(qū)動(dòng)部分、傳感器部分、機(jī)器人的控制部分的設(shè)計(jì)。其中,在主控制器部分我是通過C8051單片機(jī)對(duì)機(jī)器龜?shù)男袆?dòng)進(jìn)行控制的。驅(qū)動(dòng)部分,我選擇的是直流電動(dòng)機(jī),由于直流電機(jī)控制方便,只用一個(gè)簡(jiǎn)單的H橋電路就能實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)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(jī)器龜?shù)囊捠称鋵?shí)就是當(dāng)它本身要沒有電的時(shí)候自動(dòng)去尋找陽光充電。機(jī)器龜?shù)男伦邫C(jī)構(gòu)我選擇的是四輪式行走機(jī)構(gòu)。 總之,我設(shè)計(jì)的機(jī)器龜?shù)恼w結(jié)構(gòu)包括兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪,兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)輪,四個(gè)紅外傳感器,兩個(gè)光敏電阻,單片機(jī)。紅外傳感器分別位于殼體的前、后、左、右,兩個(gè)光敏電阻分別位于殼體前部的左右兩側(cè)。四個(gè)紅外傳感器,兩個(gè)
10、光敏電阻的測(cè)量電路分別與單片機(jī)連接,四個(gè)紅外傳感器用于檢測(cè)障礙物,光敏電阻用于檢測(cè)光強(qiáng),單片機(jī)通過根據(jù)紅外傳感器,光敏電阻輸入的信號(hào)來控制電機(jī),進(jìn)而控制驅(qū)動(dòng)足。 關(guān)鍵詞 傳感器,電動(dòng)機(jī),機(jī)器人,仿生龜 目 錄 中文摘要 IV 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1 1.1 設(shè)計(jì)題目:仿生機(jī)器龜?shù)脑O(shè)計(jì) 1 1.2 設(shè)計(jì)要求 1 1.2.1 設(shè)計(jì)目的 1 1.3 基本要求 1 1.3.1 發(fā)揮部分 1 2 設(shè)計(jì)思路 2 2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 2 2.2 執(zhí)行器部分的選擇 2 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 2 2.3.1 液壓驅(qū)動(dòng) 2 2.3.2 氣壓驅(qū)動(dòng) 3 2
11、.3.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 3 2.4 傳感器的選擇 4 2.4.1 趨光功能傳感器的選擇 4 2.4.2 避障功能傳感器的選擇 4 2.5 主控制器的選擇 5 2.6 軟件功能的實(shí)現(xiàn) 5 2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 5 3 設(shè)計(jì)方框圖 7 4 硬件設(shè)計(jì) 8 4.1 單片機(jī)模塊 8 4.1.1 電源電路 8 4.1.2 復(fù)位電路 8 4.2 趨光功能的設(shè)計(jì) 9 4.2.1 光敏電阻傳感器 9 4.2.2 光敏電阻的數(shù)量和布局 9 4.2.3 光敏電阻的測(cè)量電路 9 4.3 避障功能的設(shè)計(jì) 10 4.3.1 紅外傳感器 10 4.3.2 紅外傳感器的測(cè)量電路 11
12、 4.4 覓食功能的設(shè)計(jì) 11 4.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 12 4.5.1 L298簡(jiǎn)介 12 4.5.2 H橋原理簡(jiǎn)述 12 4.5.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 13 5 系統(tǒng)軟件 14 5.1 軟件流程圖 14 6 工作過程分析 15 7 元器件清單 16 8 主要元器件介紹 17 8.1 光敏電阻CdS的介紹 17 8.2 紅外傳感器的介紹 17 8.3 LM7805的介紹 17 8.4 C8051單片機(jī) 17 8.5 LM298的簡(jiǎn)介 18 小結(jié) 19 致謝 20 參考文獻(xiàn) 21 附錄 22
13、 1設(shè)計(jì)任務(wù)描述 1.1 設(shè)計(jì)題目:仿生機(jī)器龜?shù)脑O(shè)計(jì) 1.2 設(shè)計(jì)要求 1.2.1 設(shè)計(jì)目的 (1)了解機(jī)器人技術(shù)的基本知識(shí)以及有關(guān)電工電子學(xué)、單片機(jī)、機(jī)械設(shè)計(jì)、傳感器等相關(guān)技術(shù)。 (2)初步掌握機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)原理、基于智能機(jī)器人的控制理論,并應(yīng)用于所設(shè)計(jì)的機(jī)器人中。 (3)通過學(xué)習(xí),具體掌握機(jī)器人的控制技術(shù),并使機(jī)器人能獨(dú)立執(zhí)行一定的任務(wù)。 1.3 基本要求 (1)要求設(shè)計(jì)一個(gè)具有仿生功能的機(jī)器人; (2)要求設(shè)計(jì)機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu),控制系統(tǒng)、傳感器類型的選擇及排列布局。 (3)要求機(jī)器人具有
14、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(cè)功能)。 1.3.1 發(fā)揮部分 遇到障礙物時(shí)LED等報(bào)警。 2 設(shè)計(jì)思路 2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì) 行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行部件,也稱為機(jī)器人的下肢,是機(jī)器人的關(guān)鍵部分,主要用來承受體重和完成位移,它決定著機(jī)器人能否迅速靈活地移動(dòng),能否準(zhǔn)確地按照作者的意愿到達(dá)指定地點(diǎn)。機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)首先要體現(xiàn)穩(wěn)定性,其次是靈活性。行走機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)主要有車輪式行走機(jī)構(gòu)、履帶式行走機(jī)構(gòu)和足式行走機(jī)構(gòu)。 一般而言,在崎嶇的山路上,適合選擇履帶式行走機(jī)構(gòu);在沙漠中,適
15、合選用足步式行走機(jī)構(gòu);在相對(duì)平坦的道路上,適合選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。由于輪式行走機(jī)構(gòu)由滾動(dòng)摩擦代替滑動(dòng)摩擦,主要的特點(diǎn)式效率高,適合在平坦的路上移動(dòng),定位準(zhǔn)確,而且重量較輕,制作簡(jiǎn)單。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的仿真小龜主要是針對(duì)陸地而言的,而且對(duì)小龜?shù)闹亓可线€有一定的限制,所以,在設(shè)計(jì)仿真龜時(shí),選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。 2.2 執(zhí)行器部分的選擇 驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為,包括發(fā)出各種信號(hào)(點(diǎn)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(hào)調(diào)整自己的狀態(tài)。對(duì)機(jī)器龜來說,最基本的就是輪子。這部分就好比烏龜?shù)乃闹粯?。車輪型移?dòng)機(jī)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(jiǎn)單、便宜的自行車或兩輪
16、摩托車用在機(jī)器人上的試驗(yàn)很早就進(jìn)行了。但是人們很容易的就認(rèn)識(shí)到兩輪車的速度、傾斜等物理量精度不高,而進(jìn)行機(jī)器人化,所需簡(jiǎn)單、便宜、可靠性高的傳感器也很難獲得。此外,兩輪車制動(dòng)時(shí)以及低速行走時(shí)也極不穩(wěn)定。而使用三個(gè)輪的優(yōu)點(diǎn)是所有的輪子都會(huì)著地,不會(huì)產(chǎn)生懸空現(xiàn)象,控制穩(wěn)定。但當(dāng)機(jī)器人重心偏移時(shí),如轉(zhuǎn)彎、相撞等,由于只有三個(gè)輪子支撐車體,穩(wěn)定性不好。較三輪車體來說,四個(gè)輪子可以更好地支撐龜體,行走穩(wěn)定,當(dāng)重心偏移時(shí),左右晃動(dòng)小。所以在設(shè)計(jì)中我選擇機(jī)器龜為四輪式。 2.3 驅(qū)動(dòng)方式的選擇 機(jī)器人驅(qū)動(dòng)方式可分為液壓式、氣動(dòng)式和電動(dòng)式。 2.3.1 液壓驅(qū)動(dòng) 液壓驅(qū)動(dòng)的特點(diǎn)是,液壓容易達(dá)到較高的壓
17、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(dòng)中,力、速度和方向比較容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(rùn)滑性,可以提高機(jī)械效率,使用壽命長(zhǎng)。但是,液壓驅(qū)動(dòng)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(xiǎn);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(jià)比很高。 總之這種驅(qū)動(dòng)方式的輸出力和功率很大,經(jīng)常用于比較大型機(jī)器人關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng),而且這種驅(qū)動(dòng)方式還存在著危險(xiǎn)性,所以對(duì)于仿生機(jī)器龜來說不適合選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。 2.3.2 氣壓驅(qū)動(dòng) 氣壓驅(qū)
18、動(dòng)的特點(diǎn)是,壓縮空氣粘度小,很容易達(dá)到高速;它不必添加動(dòng)力設(shè)備;空氣介質(zhì)對(duì)環(huán)境無污染,使用安全,可直接應(yīng)用于高溫作業(yè);氣動(dòng)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(duì)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(dá)到準(zhǔn)確的位置控制很困難。另外,還有一個(gè)嚴(yán)重的問題是,壓縮空氣的排水問題如果處理不當(dāng)會(huì)使鋼類零件生銹,導(dǎo)致機(jī)器人失靈。此外,排氣還會(huì)造成噪聲污染。 總之,氣壓驅(qū)動(dòng)多用于開關(guān)控制和順序控制的機(jī)器人,且其體積較大和精確度不高等缺點(diǎn)也使其不適合作為仿生機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)方式。 2.3.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng) 經(jīng)過以上的分析可知,液壓式和氣壓式都不適合作為機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)
19、方式,所以就選擇電動(dòng)式作為機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)方式。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)又分為直流電動(dòng)機(jī)、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)和伺服電動(dòng)機(jī)。下面,分別介紹這三種電動(dòng)機(jī)。 方案一:步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是利用電磁鐵原理,將脈沖信號(hào) 轉(zhuǎn)換成線位移或角位 移的電機(jī)。每來一個(gè)電脈沖,電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度,帶動(dòng)機(jī)械移動(dòng)一小段距離。它的工作特點(diǎn)是給步進(jìn)脈沖電機(jī)就轉(zhuǎn),不給步進(jìn)脈沖電機(jī)就不轉(zhuǎn);步進(jìn)脈沖頻率高,步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)得快;步進(jìn)脈沖頻率低,步進(jìn)電機(jī)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(jìn)電機(jī)的運(yùn)行方式;改變通電順序,可以控制步進(jìn)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。 方案二:伺服電動(dòng)機(jī)。一個(gè)微型伺服馬達(dá)內(nèi)部包括了一個(gè)小型直流馬達(dá),一組變速齒輪組,一個(gè)反饋可調(diào)電
20、位器,及一塊電子控制板。其中,高速轉(zhuǎn)動(dòng)的直流馬達(dá)提供了原始動(dòng)力,帶動(dòng)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(dá)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(jī)容易與CPU連接,控制性能好,響應(yīng)快,最大的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)速度和位置的精確控制,適合于中小型機(jī)器人。 方案三:直流電動(dòng)機(jī)。直流電機(jī)由定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子是固定在機(jī)身的圓桶狀部分,一般由永磁材料或能產(chǎn)生磁場(chǎng)的線圈制成。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是開環(huán)控制,所以行進(jìn)速度一般固定,精度不高,直流電機(jī)控制的精確度雖然沒有步進(jìn)電機(jī)那樣高,但完全可以滿足本題目的要求。但是直流電機(jī)控制起來簡(jiǎn)單,它只有兩根線,一根是電源線,
21、一根是接地線。要想控制直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)的。如果要想實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn),那么就用H橋電路,通過H橋電路就可以實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 綜上所述,我選用方案三直流電機(jī)作為機(jī)器龜?shù)尿?qū)動(dòng)電機(jī)。 2.4 傳感器的選擇 傳感器是能夠感受被測(cè)量(如物理量、化學(xué)量、生物量),并能按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)(通常為電信號(hào))的器件或裝置。機(jī)器人用來讀取各種外部信號(hào)的傳感器,以及控制機(jī)器人行動(dòng)的各種開關(guān)。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(shè)計(jì)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
22、,它為了生存下去必須要保證不斷電,為了保證當(dāng)本身的電量要用完的時(shí)候它能夠自動(dòng)去尋找光源充電,所以在設(shè)計(jì)中要讓小龜有尋光的功能,那么當(dāng)小龜尋找到光源之后,還要準(zhǔn)確的對(duì)準(zhǔn)光源進(jìn)行充電,所以在設(shè)計(jì)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(yīng)的光電元件,在光照作用下能使物體的電導(dǎo)率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為內(nèi)光電效應(yīng)。當(dāng)內(nèi)光電效應(yīng)發(fā)生時(shí),固體材料吸收的能量使部分價(jià)帶電子遷移到導(dǎo)帶,同時(shí)在價(jià)帶中留下空穴,由于材料中載流子數(shù)量增加,其電導(dǎo)率也增加,使電阻值減小。光敏電阻便是利用這一原理,當(dāng)有光照時(shí),其電阻值很小
23、減小,沒有光照時(shí)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(jiǎn)單,價(jià)格便宜等,所以在設(shè)計(jì)中,我選擇了光敏電阻來完成小龜?shù)膶す夤δ堋? 2.4.2 避障功能傳感器的選擇 避障可以說是各種機(jī)器人最基本的功能。因此選擇合適的測(cè)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(guān)。碰撞開關(guān)的特點(diǎn)是電路為常開,碰到障礙物后連 通,可以用來檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關(guān)價(jià)格便宜,使用簡(jiǎn)單,使用范圍廣,對(duì)環(huán)境條件沒有什么限制。但是,它也有缺點(diǎn),它的缺點(diǎn)是必須在發(fā)生碰撞后才能檢測(cè)到障礙,這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。
24、并且使用時(shí)間較長(zhǎng)后容易發(fā)生機(jī)械疲勞,無法繼續(xù)正常工作。 方案二:探測(cè)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(jī)前方有障礙物,反之則通知單片機(jī)可以向前行駛。經(jīng)實(shí)驗(yàn),使用超聲波傳感器探測(cè)信號(hào)時(shí)十分容易受到外界環(huán)境的影響,使單片機(jī)控制系統(tǒng)接收到許多錯(cuò)誤的信息。而且超聲波傳感器價(jià)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(hào)進(jìn)行判斷。這需要光敏傳感器能及時(shí)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(yù)先進(jìn)行特殊處理,使其只有在光源正射時(shí)才能測(cè)到信號(hào),這樣就使光敏傳感器的返回信號(hào)更加可靠,單片機(jī)一旦接到的光敏傳感器返回
25、的信息,便能作出正確的判斷。倘若測(cè)不到信號(hào),說明光敏傳感器被障礙物擋住,正前方不能通行,單片機(jī)控制電機(jī)繞開障礙物行駛。 方案四:紅外傳感器。機(jī)器人自主避碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃只要求對(duì)障礙物存在或不存在進(jìn)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(huì)被反射回來,這時(shí)傳感器就認(rèn)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(jī)通過接收紅外傳感器的信號(hào),判斷出傳感器是否檢測(cè)到障礙物,從而做出避障動(dòng)作。 綜合上述并結(jié)合實(shí)際,在本次設(shè)計(jì)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(hào),并根據(jù)事
26、前寫入的決策系統(tǒng)(軟件程序),來決定機(jī)器人對(duì)外部信號(hào)的反應(yīng),將控制信號(hào)發(fā)給執(zhí)行器部分,就好比人的大腦。 適合機(jī)器人的控制芯片有很多:?jiǎn)纹瑱C(jī)、DSP、甚至我們計(jì)算機(jī)上所用的CPU,都可以。但是,在本次設(shè)計(jì)中我還是選用了我們最熟悉的,價(jià)格最便宜的單片機(jī)。 單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心,它作為馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)中的運(yùn)算器、存儲(chǔ)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(shè)計(jì)中采用的單片機(jī)是我們學(xué)過的C8051系列單片機(jī)。 2.6 軟件功能的實(shí)現(xiàn) 當(dāng)外界的傳感器傳送給單片機(jī)后,接下來就需要進(jìn)行軟件編程了,來對(duì)機(jī)器龜?shù)母鞣N行為進(jìn)行控制。在本次設(shè)計(jì)中,機(jī)器龜?shù)目刂葡到y(tǒng)采用匯編語言編程
27、,整個(gè)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(jìn)子程序等組成。主程序主要起到導(dǎo)向和決策的功能,決定什么時(shí)候該做什么,機(jī)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(shí)現(xiàn)的。 2.7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的選擇 在自制機(jī)器人的時(shí)候,選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電路也是非常重要的。在我的設(shè)計(jì)中我選擇直流電動(dòng)機(jī),直流電機(jī)最常用的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)中選擇了集成的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)帶來了很大的方便。
28、 3 設(shè)計(jì)方框圖 C8051 單 片 機(jī) LED LM298 驅(qū)動(dòng)芯片 光敏電阻 直流電機(jī) 紅外傳感器 電源電路 復(fù)位電路 障礙物 光源 直線前進(jìn) 向左轉(zhuǎn) 向右轉(zhuǎn) 報(bào)警 A/D轉(zhuǎn)換 A/D轉(zhuǎn)換 圖3-1 仿真機(jī)器龜硬件設(shè)計(jì)方框圖 4 硬件設(shè)計(jì) 4.1 單片機(jī)模塊 4.1.1 電源電路 在設(shè)計(jì)中使用了單片機(jī)作為主控制器,它正常工作時(shí)為5V供電,且電路工作穩(wěn)態(tài)電流較小,因此對(duì)電源要
29、求不高。因此在本次設(shè)計(jì)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(dá)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(fù)位電路 復(fù)位可分為外部復(fù)位和看門狗復(fù)位,通常復(fù)位都選擇外部復(fù)位方式,外部復(fù)位又叫硬件復(fù)位,硬件復(fù)位電路的工作原理是,系統(tǒng)正常工作時(shí),RESET引腳通過4.7K電阻接到電源正極,所以應(yīng)為高電平,若按下復(fù)位按鈕,則RESET引腳通過100接地為低電平,芯片復(fù)位。復(fù)位電路圖如圖4-2所示。 圖4-2 復(fù)位電路 4.2 趨
30、光功能的設(shè)計(jì) 4.2.1 光敏電阻傳感器 光敏電阻是根據(jù)半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)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(duì)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(shí),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(shí),其暗阻值一般大于1500 kΩ,在有光照時(shí),其亮阻值為幾千歐,兩者相差較大。光敏電阻的主要特點(diǎn)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(jiǎn)單,價(jià)格便宜等。在實(shí)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(yīng)用廣泛的一種光敏,它
31、是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng),即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時(shí),半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加,使其電導(dǎo)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(dǎo)體光電器件相比,有以下特點(diǎn),光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬,工作電流大,所測(cè)得光電強(qiáng)度范圍寬,既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)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 kΩ,在明亮環(huán)境中阻值為10 kΩ,不同的硫化鉛電阻的阻值相差很大,在機(jī)器龜?shù)脑O(shè)計(jì)中我選擇使用兩個(gè)光敏電阻,并且需要盡量使兩個(gè)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(shè)計(jì)中最
32、好多買幾個(gè)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(duì)這些硫化鎘電阻進(jìn)行測(cè)量,從中選擇一對(duì)電阻值最接近的硫化鎘光敏電阻。 把篩選出來的兩個(gè)硫化鎘光敏電阻,分別放在機(jī)器龜前方的兩側(cè)位置,當(dāng)這兩個(gè)光敏電阻傳感器接收光線的強(qiáng)度近似相等時(shí),機(jī)器龜向前運(yùn)動(dòng),如果一個(gè)硫化鎘光敏電阻接收的光線強(qiáng)度比另一個(gè)強(qiáng)時(shí),小龜則進(jìn)行左轉(zhuǎn)或者是右轉(zhuǎn)。 4.2.3 光敏電阻的測(cè)量電路 機(jī)器龜?shù)膶す怆娐啡鐖D4-3所示。在設(shè)計(jì)中采用橋電路,通過左右兩邊光強(qiáng)的照射,經(jīng)過電壓比較器來比較反饋光強(qiáng)度,并選擇相應(yīng)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
33、,因?yàn)閮芍还饷綦娮璧淖柚挡豢赡芡耆嗟龋栽谠O(shè)計(jì)中又添加了一個(gè)滑動(dòng)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(dāng)左側(cè)的光強(qiáng)大于右側(cè)的光強(qiáng)時(shí),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(shí)電壓比較器將會(huì)輸出一個(gè)低電平信號(hào)。當(dāng)右側(cè)的光強(qiáng)大于左側(cè)的光強(qiáng)時(shí),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(shí)電壓比較器將會(huì)輸出一個(gè)高電平信號(hào)。把轉(zhuǎn)化之后的數(shù)字量送入單片機(jī)進(jìn)行處理,來驅(qū)動(dòng)機(jī)器龜轉(zhuǎn)彎。 圖4-3 光敏電阻測(cè)量電路 4.3 避障功能的設(shè)計(jì) 4.3.1 紅外傳感器 把紅外輻射轉(zhuǎn)
34、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(gè)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(dá)到判斷物體的存在的目的,經(jīng)過信號(hào)處理與解算,又可獲得其相對(duì)距離,從而確定其位置。紅外式接近傳感器的明顯優(yōu)點(diǎn)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(jī)器人的各個(gè)部位。且它的應(yīng)答性好,維修方便,是目前應(yīng)用較多的—種接近覺傳感器。一般把它用于移動(dòng)機(jī)器人的路徑探測(cè)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(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)紅外接
35、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(jī)進(jìn)行處理,并電量發(fā)光二極管LED。告訴機(jī)器龜前方有障礙物,不能直線前進(jìn)了,要轉(zhuǎn)彎。 4.3.2 紅外傳感器的測(cè)量電路 傳感器由紅外線發(fā)射電路和檢測(cè)器組成。發(fā)射電路使用555時(shí)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(dāng)、時(shí),() =37.97K。選定 =15K,通過一個(gè)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
36、驅(qū)動(dòng)三極管的基極上,由三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外線。檢測(cè)器使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的38kHz的電視遙控接收器。由非門74HC14將信號(hào)整形,可以得到穩(wěn)定的方波信號(hào)。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)檢測(cè)器也發(fā)生電平變化。經(jīng)分析認(rèn)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(cè)器檢測(cè)到所造成的。在紅外發(fā)光二極管和檢測(cè)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(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用4.8V 鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽能電池板正負(fù)極通過一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相連。有一個(gè)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,
37、比較器控制三極管導(dǎo)通,太陽能電池板對(duì)充電電池充電。充電電池電壓上升,當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷,結(jié)束充電。為使太陽能板能對(duì)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(jī)驅(qū)動(dòng)部分的設(shè)計(jì) 4.5.1 L298簡(jiǎn)介 L298是雙通道直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,它可以滿足機(jī)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(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載,如繼電器、電動(dòng)閥、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。采用L298作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,可靠性高,可以方便地控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。L298內(nèi)部包含2個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器接收
38、標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào),可以驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。L298可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接兩個(gè)電動(dòng)機(jī),5、7、10、12腳接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA、ENB接控制使能端,控制電機(jī)的停轉(zhuǎn),這些特性使得L298很適合作直流電機(jī)控制芯片。 4.5.2 H橋原理簡(jiǎn)述 所謂 H 橋驅(qū)動(dòng)電路是為了直流電機(jī)而設(shè)計(jì)的一種常見電路,它主要實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反向驅(qū)動(dòng),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(guān) A、D接通,電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng); (2)開關(guān)B、C接通時(shí),直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng); (3)剎車 —— 將B 、D開關(guān)(或
39、A、C)接通,則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢(shì)將被短路,形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì),形成“剎車”作用; (4)惰行 —— 4個(gè)開關(guān)全部斷開,則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無法形成電路,從而也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢(shì),電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長(zhǎng)時(shí)間。 4.5.3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 由于從單片機(jī)出來的信號(hào)太小,不能驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn),所以在單片機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間添加一個(gè)驅(qū)動(dòng)電路。驅(qū)動(dòng)電路如圖4-6所示。 采用專用芯片L298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。其中,M1、M2是直流電動(dòng)機(jī),VD1~VD8是整流二極管。L298的輸入輸出關(guān)系:使能控制端ENA接單片機(jī)的端口,當(dāng)這個(gè)端口為高電平時(shí),通
40、過PWM信號(hào)輸入端IN1和IN2可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度(輸入端IN1為PWM信號(hào),輸入端IN2為低電平,電動(dòng)機(jī)正傳;輸入端IN2為PWM信號(hào),輸入端IN1為低電平,電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn));當(dāng)它為低電平時(shí),驅(qū)動(dòng)電橋上的4個(gè)晶體管全部截止,使正在運(yùn)行的電動(dòng)機(jī)電樞電流反向,電動(dòng)機(jī)自由停止。 該驅(qū)動(dòng)電路的工作過程是,單片機(jī)的兩個(gè)PWM輸出口P1.0和P1.2分別用于控制左右兩個(gè)直流電機(jī),分別連到LM298的IN1和IN3兩個(gè)輸入端,主要用來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。P1.1和P1.3是控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)的,分別連在LM298的IN2和IN4兩個(gè)輸入端。這樣,就可以實(shí)現(xiàn)L298輸出端對(duì)電機(jī)的控制了。
41、 圖4-6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(qiáng)? Y 左邊有障礙? Y 右 轉(zhuǎn) 右邊有障礙? 左轉(zhuǎn) N 直線前進(jìn) N Y 左右光 強(qiáng)一樣? N Y N 前進(jìn) 電機(jī)控制程序 圖5-1 仿真機(jī)器龜制作的軟件流程圖 6 工作過程分析 仿真機(jī)器龜?shù)墓ぷ鬟^程如下,在設(shè)計(jì)中使用了一些集成元器件以及單片機(jī),根據(jù)它們的技術(shù)要求,正常工作時(shí)均為5V供電,且電路工作穩(wěn)態(tài)電流較小,因此在本次設(shè)計(jì)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(dá)1.5A。由LM7805集成
42、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(shè)計(jì)的機(jī)器龜就是一個(gè)機(jī)器生命,機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器,一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對(duì)于機(jī)器生命來說,生存的含義就是不斷電,繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。這次設(shè)計(jì)的機(jī)器龜就有自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界的功能。它能自主尋光、覓食和避障等功能。 機(jī)器龜由四大模塊組成,分別是機(jī)械部分、傳感器部分、單片機(jī)部分以及驅(qū)動(dòng)電機(jī)這四部分組成。它的工作過程是,合上電源開關(guān),使機(jī)器龜進(jìn)入工作狀態(tài),此時(shí)機(jī)器龜?shù)暮竺鎯蓚€(gè)左、右輪在直流電機(jī)作用,
43、由單片機(jī)控制這兩個(gè)輪的轉(zhuǎn)速相同,使機(jī)器龜沿著直線向前走。由于從單片機(jī)出來的信號(hào)比較小,不能直接作用于電動(dòng)機(jī),所以要用驅(qū)動(dòng)電路作為單片機(jī)和電動(dòng)機(jī)之間的橋梁。在我的設(shè)計(jì)中我選擇直流電動(dòng)機(jī),直流電機(jī)最常用的驅(qū)動(dòng)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(shè)計(jì)中選擇了集成的驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速是通過單片機(jī)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(shí)現(xiàn)機(jī)器龜?shù)男凶咚俣取? 機(jī)器龜在行進(jìn)過程中,左、右兩側(cè)的光敏電阻開始感知機(jī)器龜前方的光強(qiáng),分別以數(shù)字信號(hào)值的形式傳給單片機(jī),然后單
44、片機(jī)通過接受到的信號(hào)“0”或“1”來決定機(jī)器龜是向右轉(zhuǎn)還是向左轉(zhuǎn)。只要兩個(gè)輪子的速度不同就能轉(zhuǎn)向了,轉(zhuǎn)向是利用單片機(jī)編程來實(shí)現(xiàn)的。如果左側(cè)光強(qiáng)值大于右側(cè)光強(qiáng)值,左輪正轉(zhuǎn),右輪反轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向輪向右轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)使機(jī)器龜向右側(cè)前進(jìn);反之,左輪反轉(zhuǎn),右輪正轉(zhuǎn),轉(zhuǎn)向輪向左轉(zhuǎn)動(dòng),驅(qū)使機(jī)器龜向左側(cè)前進(jìn),以實(shí)現(xiàn)機(jī)器龜?shù)内吂庑?。機(jī)器龜在行進(jìn)過程中,四個(gè)紅外傳感器同時(shí)感知四周的障礙物信息,當(dāng)機(jī)器龜前部的紅外傳感器感知到障礙物時(shí),準(zhǔn)備轉(zhuǎn)彎,此時(shí)光敏電阻首先比較左、右兩側(cè)的光強(qiáng),以使機(jī)器龜向著光線較弱的一側(cè)轉(zhuǎn)彎,如果兩側(cè)光強(qiáng)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(yuǎn)的一側(cè)轉(zhuǎn)彎。 這樣,一個(gè)
45、具有初級(jí)智能行為的機(jī)器龜就設(shè)計(jì)出來了。 7 元器件清單 名稱 型號(hào) 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 1N4004 12 發(fā)光二極管 1 LED LM298 1 直流電機(jī) 2 電源 1 5V 集成穩(wěn)壓器 LM7805 單片機(jī) C8051f020 1 變壓器 1 8 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
46、應(yīng)用廣泛的一種光敏,它是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng),即當(dāng)光照射在硫化鎘半導(dǎo)體表面上時(shí),半導(dǎo)體內(nèi)的載流子增加,使其電導(dǎo)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(dǎo)體光電器件相比,有以下特點(diǎn),光譜響應(yīng)范圍相當(dāng)寬,工作電流大,所測(cè)得光電強(qiáng)度范圍寬,既可測(cè)強(qiáng)光也可測(cè)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(cè)物體熱輻射而發(fā)出紅外線,從而測(cè)量物體的溫度,可進(jìn)行遙控。它可以不從被測(cè)物體上吸收熱量,不會(huì)干擾被測(cè)對(duì)象的溫度場(chǎng),連續(xù)測(cè)量不會(huì)產(chǎn)生消耗,反應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。 紅外傳感器主要分為光電
47、型和熱敏型。光電型是利用紅外輻射的光電效應(yīng)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(yīng)制成的,其核心是熱敏元件。 8.3 LM7805的介紹 LM7805是美國(guó)半導(dǎo)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(hù)等電路,誤差放大電路,基準(zhǔn)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(jī) C8051系列單片機(jī)是集成的混合信號(hào)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(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)部件之外,片內(nèi)還集
48、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(shè)及功能部件。C8051系列單片機(jī)是真正能獨(dú)立工作的片上系統(tǒng)(SOC)。CPU有效地管理模擬和數(shù)字外設(shè),可以關(guān)閉單個(gè)或全部外設(shè)以節(jié)省功耗。 8.5 LM298的簡(jiǎn)介 L298是雙通道直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片,它可以滿足機(jī)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(dòng)2個(gè)直流電動(dòng)機(jī),也可以驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載,如繼電器、電動(dòng)閥、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)等。采用L298作為電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,可靠性高,可以方便地控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 它的功率電源電壓范圍為2.5~46V,邏輯工作電源電壓工作范圍:5~7 V
49、。最大靜態(tài)工作電流是70mA。L298的主要參數(shù):允許驅(qū)動(dòng)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-1~2.3V;允許功耗25 W。 參考文獻(xiàn) [1] 杜軍平,吳立成.人工智能機(jī)器人學(xué)導(dǎo)論.北京:電子工業(yè)出版社,2004 [2] 方建軍,何廣平.智能機(jī)器人.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003 [3] 劉榮.機(jī)器人探索工程實(shí)踐指南.北京:電子工業(yè)出版社,2004 [4] 陳懇,楊向東,劉莉.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社,2006 [5] 山名宏治.玩具機(jī)器人制作.北京:科學(xué)出版社,2005 附錄
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