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(shū) 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(guò)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(lèi)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(yáng)），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(guò)程及論文的基本要求： 2.1 設(shè)計(jì)過(guò)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(guò)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(pán)

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(shū)、成績(jī)?cè)u(píng)審意見(jiàn)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(guò)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(shū)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(shū)寫(xiě) 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(xiě)報(bào)告 打分 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2010-7-19 沈 陽(yáng) 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(jiàn) 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(mǎn)完成規(guī)定的設(shè)計(jì)任務(wù)，工作量飽滿(mǎn)，難度適宜。 0.2 5 4 3 2 說(shuō)明書(shū)的質(zhì)量 說(shuō)明書(shū)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(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，圖表完備，書(shū)寫(xiě)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(jiàn) 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(mǎn)，難度適中。 0.5 5 4 3 2 說(shuō)明書(shū)的質(zhì)量 說(shuō)明書(shū)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(yǔ)準(zhǔn)確，符號(hào)統(tǒng)一，編號(hào)齊全，圖表完備，書(shū)寫(xiě)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(lèi)認(rèn)知領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展和研究層次的不斷深入，人類(lèi)的作業(yè)環(huán)境也開(kāi)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(lèi)所能夠承受的極限，因此人們就開(kāi)始尋找可以代替人來(lái)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(lèi)的部分工作，從處理個(gè)別問(wèn)題的速度和可靠性來(lái)看，它在一定程度上已經(jīng)超過(guò)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(jué)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(jiàn)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(wú)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(lái)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(lái)。本次設(shè)計(jì)通過(guò)四個(gè)部分來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器龜?shù)幕竟δ?。分別是主控

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(guò)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(méi)有電的時(shí)候自動(dòng)去尋找陽(yáng)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(guò)根據(jù)紅外傳感器，光敏電阻輸入的信號(hào)來(lái)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(guò)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(guò)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(lèi)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(yáng)），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(chēng)為機(jī)器人的下肢，是機(jī)器人的關(guān)鍵部分，主要用來(lái)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(chē)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(chē)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(chē)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(lái)說(shuō)，最基本的就是輪子。這部分就好比烏龜?shù)乃闹粯?。?chē)輪型移動(dòng)機(jī)構(gòu)按車(chē)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(chē)或兩輪

16、摩托車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)體，穩(wěn)定性不好。較三輪車(chē)體來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)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(wú)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(wèn)題是，壓縮空氣的排水問(wèn)題如果處理不當(dāng)會(huì)使鋼類(lèi)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(kāi)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(guò)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(xiàn)位移或角位 移的電機(jī)。每來(lái)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(shuō)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(xiàn)圈制成。由于直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)是開(kāi)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(méi)有步進(jìn)電機(jī)那樣高，但完全可以滿(mǎn)足本題目的要求。但是直流電機(jī)控制起來(lái)簡(jiǎn)單，它只有兩根線(xiàn)，一根是電源線(xiàn)，

21、一根是接地線(xiàn)。要想控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)度，只要加大加在電源線(xiàn)上的電壓即可，加大電壓的方法是通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖的占空比來(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)關(guān)。好比人的眼睛、耳朵等感覺(jué)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(yáng)

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(guò)光輻射傳播的，通過(guò)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(chēng)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(méi)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(lái)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(shuō)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(kāi)關(guān)。碰撞開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)是電路為常開(kāi)，碰到障礙物后連 通，可以用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人是否發(fā)生碰撞。碰撞開(kāi)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(méi)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(wú)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(shuō)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(kāi)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(xiàn)傳感器就可以滿(mǎn)足要求。這種傳感器的工作原理就是發(fā)射某種射線(xiàn)，遇到障礙物會(huì)被反射回來(lái)，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(xiàn)發(fā)射電路和接受電路組成。單片機(jī)通過(guò)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(lái)接收傳感器部分傳遞過(guò)來(lái)的信號(hào)，并根據(jù)事

26、前寫(xiě)入的決策系統(tǒng)（軟件程序），來(lái)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(guò)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(lái)就需要進(jìn)行軟件編程了，來(lái)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(yǔ)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(guò)調(diào)用具體的子程序模塊來(lái)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(lái)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(lái)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(xiàn)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(mén)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(xiàn)性變化。光敏電阻在無(wú)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(xiàn)。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(wú)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(mǎi)幾個(gè)硫化鎘光敏電阻，使購(gòu)買(mǎi)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(lái)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)左右兩邊光強(qiáng)的照射，經(jīng)過(guò)電壓比較器來(lái)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(guò)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?，所以在設(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(lái)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(chēng)為紅外傳感器。紅外式接近覺(jué)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(guò)反射與接收達(dá)到判斷物體的存在的目的，經(jīng)過(guò)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(jué)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(xiàn)，紅外線(xiàn)在遇到障礙物后被反射回來(lái)，紅外接收管收到被反射回來(lái)的紅外線(xiàn)后，通過(guò)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(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(xiàn)。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(mén)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(xiàn)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(wèn)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(yáng)能電池板正負(fù)極通過(guò)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(yáng)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(yáng)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(yáng)能板能對(duì)電池組充電，要求太陽(yáng)能板在陽(yáng)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(mǎn)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(lái)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(jiàn)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(kāi)關(guān) A、D接通，電機(jī)為正向轉(zhuǎn)動(dòng)； （2）開(kāi)關(guān)B、C接通時(shí)，直流電機(jī)將反向轉(zhuǎn)動(dòng)； （3）剎車(chē) —— 將B 、D開(kāi)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(chē)”作用； （4）惰行 —— 4個(gè)開(kāi)關(guān)全部斷開(kāi)，則電機(jī)慣性所產(chǎn)生的電勢(shì)將無(wú)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(lái)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(zhuān)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(guò)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(guò)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(lái)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(kāi)始 定義頭文件 開(kāi)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(xiàn)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(guò)程分析 仿真機(jī)器龜?shù)墓ぷ鬟^(guò)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(lái)說(shuō)，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(lèi)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(guò)程是，合上電源開(kāi)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(xiàn)向前走。由于從單片機(jī)出來(lái)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(lái)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(guò)單片機(jī)的PWM輸出端口輸出來(lái)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(guò)程中，左、右兩側(cè)的光敏電阻開(kāi)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(guò)接受到的信號(hào)“0”或“1”來(lái)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(lái)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(guò)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(xiàn)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(lái)了。 7 元器件清單 名稱(chēng) 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(xiàn)。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(wú)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(chēng)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(xiàn)，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(lèi)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(guò)熱、過(guò)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(mǎn)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(lái)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