仿生機(jī)器龜設(shè)計(jì)(共25頁)

1、PAGE 20 PAGE 23仿生機(jī)器(j q)龜設(shè)計(jì)1 設(shè)計(jì)(shj)主要(zhyo)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)。1.2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（電池電量檢測功能）。1

2、.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、成績評審意見表、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

3、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答辯、寫報(bào)告打分一 設(shè)計(jì)任務(wù)(rn wu)描述1.1 設(shè)計(jì)(shj)題目：仿生機(jī)器(j q)龜設(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

4、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)。1.2.2 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（電池電量檢測功能）。二 設(shè)計(jì)(shj)思路2.1 行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)(shj)行走機(jī)構(gòu)是行走機(jī)器人的重要執(zhí)行(zhxng)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

5、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，適合選用足步式行走機(jī)構(gòu)；在相對平坦的道路上，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，制作簡單。因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(shè)計(jì)仿真龜時(shí)，選擇車輪式行走機(jī)構(gòu)。2.2 執(zhí)行器的設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人做出各種行為，包括發(fā)出各種信號（點(diǎn)亮發(fā)光二極管、發(fā)出聲音）的部分，并且可以根據(jù)

6、控制器部分的信號調(diào)整自己的狀態(tài)。對機(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。人們把非常簡單、便宜的自行車或兩輪摩托車用在機(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)

7、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)，具有防銹性和自潤滑性，可以提高機(jī)械效率，使用壽命長。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)

8、，而且這種驅(qū)動(dòng)方式還存在著危險(xiǎn)性，所以對于仿生機(jī)器龜來說不適合選擇液壓驅(qū)動(dòng)方式。2.3.2 氣壓(qy)驅(qū)動(dòng)氣壓驅(qū)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(tin ji)動(dòng)力設(shè)備；空氣介質(zhì)對環(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(j q)人，且其體積較大和精確度

9、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)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)。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 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

10、機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。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。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

11、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(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(xunz)2.4.1 趨光功能(gngnng)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(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(

12、zhnqu)的對準(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，而且制造工藝簡單，價(jià)格便宜等，所以在設(shè)計(jì)中，我選擇了光

13、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(jī)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: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，可以用來檢測機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開關(guān)價(jià)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(diǎn)即必須在發(fā)生碰撞后才能檢測到障礙，這在某些機(jī)器人比賽中是相當(dāng)失分的。并且使用時(shí)間較長后容易發(fā)生機(jī)械疲勞，無法繼續(xù)正常工作。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

14、傳感器探測信號時(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。光敏傳感器：直接根據(jù)光源的信號進(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)才能測到信號，這樣就使光敏傳感器的返回信號更加可靠，單片機(jī)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(jī)控制電機(jī)繞開障礙物行駛。紅外傳感器：機(jī)器人自主避碰運(yùn)動(dòng)規(guī)劃只要求對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。其工作

15、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,判斷出傳感器是否檢測到障礙物,從而做出避障動(dòng)作。綜合上述并結(jié)合實(shí)際，在本次(bn c)設(shè)計(jì)中避障傳感器我選擇紅外傳感器。2.5 主控制器的選擇(xunz)主控制器用來(yn li)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(jī)器人對外部信號的反應(yīng)，將控制信號發(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：單片機(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

16、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，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

17、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。三 設(shè)計(jì)(shj)方框圖障礙物光源A/D轉(zhuǎn)換南北紅A/D轉(zhuǎn)換南北紅紅外傳感器南北紅光敏電阻南北紅LED南北紅電源電路南北紅單片機(jī)報(bào)警南北紅復(fù)位電路南北紅LM298驅(qū)動(dòng)芯片南北紅直流電機(jī)南北紅直流電機(jī)南北紅直流電機(jī)南北紅直線前進(jìn)南北紅圖31仿真(fn zhn)機(jī)器龜硬件設(shè)計(jì)方框圖四 硬

18、件(yn jin)設(shè)計(jì)4.1 單片機(jī)模塊(m kui)4.1.1 電源(dinyun)電路在電源電路中，SPX1117-3.3是穩(wěn)壓芯片將輸入電壓5V轉(zhuǎn)換成3.3V作為C8051F020單片機(jī)的主要供電電源。S2為輸入電源開關(guān)按鈕，在下載完數(shù)據(jù)后可用此按鍵來更新下載數(shù)據(jù)。其電路圖如圖41單片機(jī)電源電路所示。圖41單片機(jī)電源電路4.1.2復(fù)位(f wi)電路當(dāng)開發(fā)板上電時(shí)，C14經(jīng)充電(chng din)后復(fù)位端電壓相當(dāng)于低電平實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位：當(dāng)斷電后通過1N4148形成放電回路。其電路圖如圖42單片機(jī)復(fù)位(f wi)電路所示。圖42單片機(jī)復(fù)位電路4.1.3液晶顯示（LCD）接口電路單片機(jī)留有一個(gè)

19、LCD液晶接口，相對應(yīng)的液晶為MzL05-12864，它是一款僅寫入的串行SPI接口方式的液晶，給液晶僅需5個(gè)控制口即可完成對其控制。單片機(jī)使用模擬SPI的方式對液晶進(jìn)行操作。其電路圖如圖43單片機(jī)液晶接口電路所示。圖43單片機(jī)液晶(yjng)接口電路4.1.4晶振電路(dinl)Y1為晶體振蕩器，其振蕩頻率為22.11842MHZ，為單片機(jī)提供(tgng)其工作所需要的時(shí)鐘，C16、C17起到幫助晶振的作用。電路圖如圖44單片機(jī)晶振電路所示。圖44單片機(jī)晶振電路4.2 系統(tǒng)模塊4.2.1 電源電路在本次設(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LM78

20、05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。如圖45穩(wěn)壓電源電路所示。圖45穩(wěn)壓電源電路(dinl)4.2.2 復(fù)位(f wi)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(fngsh)，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)位按鈕按鈕，則REAET引腳通過100姐地位低電平，源正極，芯片復(fù)位。如圖46復(fù)位電路圖所示。圖46復(fù)位電路4.3 趨光模塊(m kui)4.3.1 光敏電阻(un mn din z)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

21、。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(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(binhu)。光敏電阻在無光照時(shí)，其暗阻值一般大于1500 k，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

22、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，所測得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測強(qiáng)光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。4.3.2 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(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，然后對這些硫化鎘電阻進(jìn)行測量，從中

23、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(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)。4.3.3 光敏電阻的測量(cling)電路機(jī)器(j q)龜?shù)膶す怆娐啡鐖D47尋光電路所示。在設(shè)計(jì)中采用橋電路(dinl)，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，因?yàn)閮芍还饷綦娮璧淖柚挡豢赡芡耆嗟?，所以在設(shè)計(jì)中又添加了一個(gè)滑

24、動(dòng)變阻器。光敏電阻1是安裝在小龜?shù)淖髠?cè)，光敏電阻2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1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R9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。當(dāng)右側(cè)的光強(qiáng)大于左側(cè)的光強(qiáng)時(shí)，光敏電阻2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R10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。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47尋光電路4.4 避障模塊(m kui)4.4.1 紅外傳感器把紅外輻射轉(zhuǎn)換成電量變化(binhu)的裝置，稱為紅外傳感器。紅外式接近覺傳感器的基本工作(gngz

25、u)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(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)器人的路徑探測和躲避障礙物。紅外傳感器主要分為(fn wi)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

26、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。4.4.2 紅外傳感器的測量(cling)電路傳感器由紅外線發(fā)射(fsh)電路和檢測器組成。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。檢測器使用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的38kHz的電視遙控接收器。由非門

27、74HC14將信號整形，可以得到穩(wěn)定的方波信號。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)檢測器也發(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。如圖48紅外發(fā)射電路所示。圖48紅外發(fā)射(fsh)電路4.5 覓食(m sh)模塊本設(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(tnggu)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，比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽能電池板對充電電池充電。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

28、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。4.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)(q dn)模塊4.6.1 LM298簡介(jin ji)LM298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。LM298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(gngl)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LM298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)。LM298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)器接收標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號，可以驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。LM298可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，OUT

29、1、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。4.6.2 H橋原理簡述所謂 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49H橋所示： 圖49H橋（1）開關(guān) S1、S4接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)；（2）開關(guān)S2、S3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A、C）接通，則電機(jī)慣性轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢，形成“剎車”作用；（4）惰行 4個(gè)開關(guān)全部斷開，則電

30、機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而(cng r)也就不會(huì)產(chǎn)生阻礙運(yùn)動(dòng)的反電勢，電機(jī)將慣性轉(zhuǎn)動(dòng)較長時(shí)間。4.6.3 驅(qū)動(dòng)電路(dinl)的設(shè)計(jì)由于(yuy)從單片機(jī)出來的信號太小，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。如圖49驅(qū)動(dòng)電路所示。采用專用芯片LM298作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。LM298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)，VD4VD11是整流二極管。LM298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)，通過PWM信號輸入端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，輸入端IN2為低

31、電平，電動(dòng)機(jī)正傳；輸入端IN2為PWM信號，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)LM298輸出端對電機(jī)的控制了。圖49驅(qū)動(dòng)電路五 軟件設(shè)計(jì) 5.1 軟件(run jin)流程圖開始定義頭文件南北紅開中斷南北紅左右光強(qiáng)一樣？電機(jī)控制程序南

32、北紅 N直線前進(jìn)南北紅 N Y左側(cè)光比較強(qiáng)？ Y左側(cè)有障礙？左轉(zhuǎn)南北紅N Y右轉(zhuǎn)南北紅右側(cè)有障礙？ Y N前進(jìn)南北紅圖51仿真(fn zhn)機(jī)器龜軟件設(shè)計(jì)(shj)方框圖六 工作(gngzu)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(shyng)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(ync)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)

33、器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對于機(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，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)

34、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?。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)字信號值的形式傳給單片機(jī)，然后單片機(jī)通過接受到的信號“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

35、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)具有初級智能行為的機(jī)器龜就設(shè)計(jì)出來了。七 元器件清單(qngdn)名稱型號數(shù)量備注普通電阻器13光敏電阻2紅外傳感器 4電容17整流二極管1N4004

36、14 發(fā)光二極管3LED單片機(jī)C8051F0201直流電機(jī)2電源15V集成穩(wěn)壓器LM78051變壓器1LM2981TLC5551八 主要(zhyo)元器件介紹8.1 光敏電阻(un mn din z)CdS光敏電阻器是利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器；入射光強(qiáng)，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制(kngzh)和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化）。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

37、，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，所測得光電強(qiáng)度范圍寬，既可測強(qiáng)光也可測弱光，靈敏度高，無選擇極性之分。8.2 紅外傳感器紅外傳感系統(tǒng)是用紅外線為介質(zhì)的測量系統(tǒng)。紅外傳感技術(shù)已經(jīng)在現(xiàn)代科技、國防和工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用把紅外輻射轉(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(jìn)行遙控。它可以不從被測物體上吸收熱量，不會(huì)干擾被測對象的溫度場，連續(xù)測量不會(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

38、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 LM7805三端穩(wěn)壓集成電路LM7805。電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的lm78 系列和負(fù)電壓輸出的lm79系列。顧名思義，三端IC是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管。LM7805是美國半導(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 C8051F020C8051系列單片機(jī)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(biāo)準(zhǔn)8051的數(shù)字外設(shè)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(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。C8051F系列單片機(jī)是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的CIP-51微控制器內(nèi)核，采用流水線結(jié)構(gòu)，單周期指令運(yùn)行