【文章內(nèi)容簡介】 采用的是格雷(Gray)碼。它是一種非標(biāo)準(zhǔn)的二進(jìn)制碼。Gray碼與標(biāo)準(zhǔn)二進(jìn)制碼的區(qū)別，在Gray碼中．相鄰兩個(gè)二進(jìn)制碼的變化只能有一位。所以，在連續(xù)的兩個(gè)數(shù)碼中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)碼的變化超過一位．就認(rèn)為是非法的讀數(shù)，從而具有一定的糾錯(cuò)能力，可提高可靠性。光電編碼器可以檢測(cè)機(jī)器人各個(gè)關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。若電機(jī)電流大，但編碼器無輸出，說明機(jī)器人撞到對(duì)方而無退讓，己方機(jī)器人就須要調(diào)整戰(zhàn)術(shù)。若電機(jī)欲前進(jìn)，編碼器反轉(zhuǎn)，說明機(jī)器人受對(duì)方推堵而退讓。最近內(nèi)藏整形電路直接以矩形波輸出的編碼器已問世，可以直接接入計(jì)算機(jī)。在我們的機(jī)器人中均采用自制的編碼器。在帶有明暗方格的碼盤兩側(cè)分別安置發(fā)光元件和光敏元件，隨著碼盤旋轉(zhuǎn)，光敏元件接收的光通量與方格的間隔同步變化。光敏元件隨著輸出經(jīng)過整形的脈沖。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)，可以知道與碼盤固接的旋轉(zhuǎn)軸的角位移。下圖是設(shè)計(jì)中用到的編碼器電路圖（圖3 .15）： 比賽機(jī)器人常用的開關(guān)用按鈕開關(guān)，數(shù)字開關(guān)和接觸開關(guān)幾種。按鈕開關(guān)在機(jī)器調(diào)試階段可以方便地提供人工輸入。數(shù)字開關(guān)一般用于向CPU的輸入選擇，如速度等級(jí)，行走模式，策略等。接觸開關(guān)則用于檢測(cè)是否觸碰，檢測(cè)的對(duì)象有場(chǎng)地的道具，環(huán)境界限等，一般微動(dòng)開關(guān)即可。采用單機(jī)完成控制的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中P1口作為光電傳感器的輸入端口，——。P2作為動(dòng)作電機(jī)的控制端口。——。P3口的另外一些都用來接行程開關(guān)。另外留出串行通信的端口以備以后使用。當(dāng)P0口作為一般的I/O口用時(shí)我們要接上一個(gè)排阻作為上拉電阻。這是由單片機(jī)的內(nèi)部特性所決定的。單片機(jī)及其外圍接口電路包括單片機(jī)、時(shí)鐘電路、復(fù)位電路、外部接口擴(kuò)展電路等。單片機(jī)采用ATMEL89S51系列單片機(jī)，它是十六位的高性能嵌入式控制器，具有40個(gè)可編程的I/O口，價(jià)格便宜，但功能強(qiáng)大且支持在線編程功能，使用十分方便。時(shí)鐘電路給單片機(jī)系統(tǒng)提供時(shí)間基準(zhǔn)設(shè)計(jì)時(shí)采用12MHz晶振。復(fù)位電路用于上電后使系統(tǒng)回復(fù)到初始狀態(tài)開始運(yùn)行。整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如下：P1 P0AT89S51P3 P2電機(jī)1電機(jī)2電機(jī)3…電機(jī)電機(jī)時(shí)鐘、復(fù)位、中斷部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分 單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖 信號(hào)隔離模塊在實(shí)際的電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號(hào)，若電路的抗干擾能力差將導(dǎo)致測(cè)量、控制準(zhǔn)確性的降低。因此在硬件上可以采用一些設(shè)計(jì)技術(shù)，破壞干擾信號(hào)進(jìn)入測(cè)控系統(tǒng)的途徑，從而有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。常見的信號(hào)隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用光電耦合方式對(duì)電機(jī)控制信號(hào)進(jìn)行隔離，以消除模擬信號(hào)對(duì)數(shù)字信號(hào)的干擾。使用的光耦型號(hào)為TLP521 2 及TLP521 4。信號(hào)隔離最重要的一點(diǎn)就是將數(shù)字與模擬或強(qiáng)電與弱電部分在供電上要完全隔開，否則就不能達(dá)到真正意義上的隔離。為了更好的防止干擾，電路中使用了光電耦合器，一般由三部分組成：光的發(fā)射、光的接收及信號(hào)放大。輸入的電信號(hào)驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測(cè)器光敏三極管接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進(jìn)一步放大后輸出，這就完成了電—光—電的轉(zhuǎn)換。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號(hào)來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號(hào)的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容小（2pf左右）耐壓高()，故共模抑制比很高。輸入和輸出間的電隔離度取決于兩部分供電電源間的絕緣電阻。此外，因其輸入電阻?。s10Ω），對(duì)高內(nèi)阻源的噪聲相當(dāng)于被短接。因此，由光耦合器構(gòu)成的模擬信號(hào)隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。實(shí)際中，光耦兩側(cè)使用了兩組不同的電源。光耦電路如下圖所示：光耦隔離電路圖如下： 鎖存器74HC595模塊74HC595的工作原理，鎖存器一般是由D觸發(fā)器集成的，可以記住一個(gè)信號(hào)，直到下一個(gè)觸發(fā)信號(hào)到來為止。74HC595具有一個(gè)8位串行輸入并行輸出的移位寄存器和一個(gè)8位輸出鎖存器。 ,QS).$t/ y 由于占用MCU的I/o口線少，硬件結(jié)構(gòu)簡單，因此應(yīng)用廣泛。 dAU%E iQIZYMa（1）應(yīng)用原理 |\1z 以點(diǎn)亮LED數(shù)碼管顯示“0”為例！ =7?wVT `8 1. 并口輸出： 共用P1八個(gè)口，輸出用一條指令MOV P1,3FH即可。 ((${Ea1 2. 串并輸出： 。但輸出必須先將3FH逐位移入 2$:]T@m 595移位寄存器內(nèi)(即串入)，再鎖存輸出(即并出)。 Dd~39。5tm:Z 注意：只有數(shù)據(jù)鎖存后，3FH才出現(xiàn)在595的Q1Q7上， ,Yi%iG/[ LED數(shù)碼管顯示“0”。 B.v amp。} 移位方式：11111100，由低到高。 MsPWa87 \w Htl（2）主要引腳 Nl?vF R 14腳：。 /s,Cr2nY34 11腳：。 (5n0 ^ 1。 12腳：。 {rv) =TU:^ 74HC595的原理圖（3）應(yīng)用三步曲 amp。r%F_J(u0 rv Ct6 ~ 第一步：目的：將要準(zhǔn)備輸入的位數(shù)據(jù)移入74HC595數(shù)據(jù)輸入端上。 uFg9EDEkM 方法：送位數(shù)據(jù)到 。 /Ilh@Wa。S ]WL? A6J 第二步：目的：將位數(shù)據(jù)逐位移入74HC595，即數(shù)據(jù)串入 !x tsv83 方法：。 }imA$
D 96%2{SG)K 第三步：目的：并行輸出數(shù)據(jù)。即數(shù)據(jù)并出 .kH4:,_z 方法：， Byk 3`amp。EW 送入到輸出鎖存器。 @L mi? v
jw|%I 說明： 從上可分析：（移入數(shù)據(jù)） amp。~\F8`^,X （輸出數(shù)據(jù)）是二個(gè)獨(dú)立過程，實(shí)際應(yīng)用時(shí)互不干擾。即可輸出數(shù)據(jù)的 k|CDqO
同時(shí)移入數(shù)據(jù)。 jDR =~_| （4）級(jí)聯(lián)的應(yīng)用 [IOm\ 74HC595主要應(yīng)用于點(diǎn)陣屏，以16*16點(diǎn)陣為例：傳送一行共二個(gè)字節(jié)（16位）， +v ，，，如：發(fā)送的是06H和3FH。其方法是： %D( p]++ ，后送06H。 Sv4o=ED ，3FH在IC2內(nèi)，06H在IC1內(nèi)。應(yīng)用如圖二 o8_9L2n, ，數(shù)據(jù)被鎖存并出現(xiàn)在IC1和IC2的并行輸出口上顯示。 （5）電路原理圖如下39。m
fF^W{ 語音部分為了實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的機(jī)器人最具特色的智能語音功能，經(jīng)仔細(xì)分析論證后最終采用為凌陽公司的專用語音處理16位單片機(jī)：SPCE061A，簡稱61單片機(jī)。61單片機(jī)能非常容易、快速地處理復(fù)雜的數(shù)字信號(hào)，其16位μ’nSP? ，I/，具備14個(gè)中斷源、2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器和串行接口設(shè)備，內(nèi)置了2K的SRAM和32K的FLASH，并具有2個(gè)10位DAC(數(shù)模轉(zhuǎn)換)輸出通道、7通道10位電壓模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器，在聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道還內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能，并且相對(duì)于其它同類型單片機(jī)相比較，還具有一系列特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)：(1) 內(nèi)部集成了D/A和A/D電路，但價(jià)格低廉，耗電量小，運(yùn)算效率高，速度快(2) 對(duì)IO口操作方便，可以對(duì)32個(gè)IO口單獨(dú)進(jìn)行設(shè)置(3) 利用凌陽公司開發(fā)的IDE編譯環(huán)境，可使用標(biāo)準(zhǔn)C語言和匯編語言進(jìn)行編程，同時(shí)可將C語言和匯編語言相互嵌入編程，并且IDE具有在線仿真和脫機(jī)仿真模式，在仿真時(shí)可對(duì)IO口、中斷系統(tǒng)、各寄存器等數(shù)值方便的監(jiān)視(4) 在語音處理方面有成熟的技術(shù)和強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，凌陽公司不但提供有系統(tǒng)的語音開發(fā)API，并配套提供了齊全的說明資料供開發(fā)者使用61單片機(jī)的封裝有PLCC84和LQFP80兩種封裝，其中。61單片機(jī)作為功能強(qiáng)大的語音處理型芯片，為配合它發(fā)揮出好的性能，凌陽公司開發(fā)了一套完整的具備基本功能的語音模塊電路，這就是凌陽公司推出的61板。在61板上，已集成有麥克風(fēng)錄入電路，揚(yáng)聲器放音電路等完成語音功能所需的標(biāo)準(zhǔn)模塊，并且將程序下載、在線仿真、鍵喚醒等功能的電路也集成在了一塊板子上，由于61板的設(shè) 61單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖及引腳圖計(jì)合理，性能穩(wěn)定，單獨(dú)引出的IO口引腳方便開發(fā)，所以，本次設(shè)計(jì)直接采用了凌陽61板作為語音功能和控制功能部分的模塊電路使用，這樣，大大節(jié)省了硬件電路的開發(fā)時(shí)間，能將精力主要集中于實(shí)現(xiàn)語音功能的軟件開發(fā)上，也能有更充分的時(shí)間深入了解軟硬件在現(xiàn)代相關(guān)音頻處理技術(shù)方面的一些基本原理和問題。下圖是61板的實(shí)物圖： 61板實(shí)物圖61板各模塊電路原理圖如下：放音電路：在放音電路中，61板采用了SPY0030功放芯片，和LM386工作電壓需在4V 以上相比，SPY0030 ；LM386 輸出功率100mW 以下，SPY0030 約700mW。這樣，在給61板5V的工作電壓下，音量可達(dá)到較好效果，并且在運(yùn)放前端加上了1K的精密可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)音量的大小。 61板DAC電路電源電路： 61板電源電路61板電源由SPY0029穩(wěn)壓提供。 程序下載電路：該電路以74HC244實(shí)現(xiàn)，同一般單片機(jī)下載電路，在此不再詳述。 麥克風(fēng)輸入電路： 61板麥克風(fēng)輸入電路麥克風(fēng)輸入電路對(duì)于語音識(shí)別的效果有最直接最重要的影響，在61板的麥克風(fēng)輸入電路中，加入了許多濾波措施，并加入了AGC增益，在對(duì)61板語音輸入和語音識(shí)別的測(cè)試中，即使是用最普通最低廉的麥克風(fēng)，錄入語音都比較清晰，語音識(shí)別也非常敏感和正確，這也說明了61板電路設(shè)計(jì)的合理性。61單片機(jī)最小系統(tǒng)：SPCE061A的最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)鎖相環(huán)PLL、晶振電路和復(fù)位電路，可按照61單片機(jī)的引腳說明進(jìn)行連接，這里不再詳述，可參看附錄的61板原理圖。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是機(jī)器人的手和腳，即運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的基本組成部分。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作是比賽機(jī)器人創(chuàng)意與實(shí)踐的重要內(nèi)容。它的任務(wù)不僅是向機(jī)器人傳遞動(dòng)力，而且要提供準(zhǔn)確的運(yùn)動(dòng)定位和靈活的操作，是機(jī)器人制勝的法寶之一，因此其重要性是不言而喻的。通常機(jī)器人驅(qū)動(dòng)有電氣，液壓，氣壓三種方式。其中以電氣驅(qū)動(dòng)最常見，它按供電的方式又可以分為直流電機(jī)和交流電機(jī)。機(jī)器人比賽規(guī)則通常規(guī)定采用電池供電，即直流電。采用直流電供電的電機(jī)按照其內(nèi)部結(jié)構(gòu)又可分為直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。直流電機(jī)外部接通直流電就能旋轉(zhuǎn)；步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理復(fù)雜些，必須按照一定的通電順序給電機(jī)供電，電機(jī)才能旋轉(zhuǎn)。 直流電機(jī)的特性 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)形式很多，但基本的結(jié)構(gòu)是相同的，即必須有定子，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。轉(zhuǎn)子由一根旋轉(zhuǎn)軸及固定在軸上的硅鋼片構(gòu)成，是把電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的部分。轉(zhuǎn)子的外沿有槽，槽內(nèi)有電流通過是，旋轉(zhuǎn)軸便開始旋轉(zhuǎn)。為了在電機(jī)連續(xù)旋轉(zhuǎn)條件下電流能順利通過轉(zhuǎn)子，旋轉(zhuǎn)軸尾部設(shè)置有換向器，它始終與定子的電刷保持接觸，給電機(jī)繞組供電。直流電機(jī)有普通直流電機(jī)和直流伺服電機(jī)之分，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。伺服電機(jī)在調(diào)速范圍，機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性的線性度，響應(yīng)快速性等方面均占優(yōu)，且當(dāng)控制電壓改變?yōu)榱銜r(shí)能立即停止轉(zhuǎn)動(dòng)；普通電機(jī)則做不到。從結(jié)構(gòu)上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機(jī)較大，而氣隙較小。因此在精密定位和寬調(diào)速范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，一般都選用伺服電機(jī)。 直流電機(jī)的運(yùn)行特性 對(duì)一般機(jī)器人用戶來說，驅(qū)動(dòng)的任務(wù)僅僅是在確定了機(jī)械結(jié)構(gòu)并計(jì)算出所需要的速度和驅(qū)動(dòng)力矩之后選擇合適的電機(jī)和相應(yīng)的控制方法，這就涉及到電機(jī)的運(yùn)行特性問題。 機(jī)器人比賽規(guī)則往往對(duì)機(jī)器人的質(zhì)量有嚴(yán)格的限制，所以應(yīng)選用質(zhì)量小，功率適宜的永磁電機(jī)。它的勵(lì)磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)鐘，通常用電樞電壓作為控制信號(hào)，電壓的大小與電機(jī)轉(zhuǎn)速成正比，改變電壓極性，電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)方向也隨之改變。圖4 .1是電樞控制的原理圖。根據(jù)電樞反應(yīng)原理，電機(jī) 轉(zhuǎn)速n的計(jì)算公式為 電機(jī) IaUa 圖5 .1 電樞控制的原理圖 n=n0KhTem （） 式中n0＝Ua/