【文章內容簡介】 采用的是格雷(Gray)碼。它是一種非標準的二進制碼。Gray碼與標準二進制碼的區(qū)別，在Gray碼中．相鄰兩個二進制碼的變化只能有一位。所以，在連續(xù)的兩個數(shù)碼中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)碼的變化超過一位．就認為是非法的讀數(shù)，從而具有一定的糾錯能力，可提高可靠性。光電編碼器可以檢測機器人各個關節(jié)的運動狀態(tài)。若電機電流大，但編碼器無輸出，說明機器人撞到對方而無退讓，己方機器人就須要調整戰(zhàn)術。若電機欲前進，編碼器反轉，說明機器人受對方推堵而退讓。最近內藏整形電路直接以矩形波輸出的編碼器已問世，可以直接接入計算機。在我們的機器人中均采用自制的編碼器。在帶有明暗方格的碼盤兩側分別安置發(fā)光元件和光敏元件，隨著碼盤旋轉，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)脈沖計數(shù)，可以知道與碼盤固接的旋轉軸的角位移。下圖是設計中用到的編碼器電路圖（圖3 .15）： 比賽機器人常用的開關用按鈕開關，數(shù)字開關和接觸開關幾種。按鈕開關在機器調試階段可以方便地提供人工輸入。數(shù)字開關一般用于向CPU的輸入選擇，如速度等級，行走模式，策略等。接觸開關則用于檢測是否觸碰，檢測的對象有場地的道具，環(huán)境界限等，一般微動開關即可。采用單機完成控制的系統(tǒng)，在系統(tǒng)中P1口作為光電傳感器的輸入端口，——。P2作為動作電機的控制端口?！?。P3口的另外一些都用來接行程開關。另外留出串行通信的端口以備以后使用。當P0口作為一般的I/O口用時我們要接上一個排阻作為上拉電阻。這是由單片機的內部特性所決定的。單片機及其外圍接口電路包括單片機、時鐘電路、復位電路、外部接口擴展電路等。單片機采用ATMEL89S51系列單片機，它是十六位的高性能嵌入式控制器，具有40個可編程的I/O口，價格便宜，但功能強大且支持在線編程功能，使用十分方便。時鐘電路給單片機系統(tǒng)提供時間基準設計時采用12MHz晶振。復位電路用于上電后使系統(tǒng)回復到初始狀態(tài)開始運行。整個單片機控制系統(tǒng)框圖如下：P1 P0AT89S51P3 P2電機1電機2電機3…電機電機時鐘、復位、中斷部分電機驅動部分電機驅動部分 單片機控制系統(tǒng)框圖 信號隔離模塊在實際的電子電路系統(tǒng)中，不可避免地存在各種各樣的干擾信號，若電路的抗干擾能力差將導致測量、控制準確性的降低。因此在硬件上可以采用一些設計技術，破壞干擾信號進入測控系統(tǒng)的途徑，從而有效地提高系統(tǒng)的抗干擾能力。常見的信號隔離方法有光電耦合和變壓器隔離等，本系統(tǒng)設計采用光電耦合方式對電機控制信號進行隔離，以消除模擬信號對數(shù)字信號的干擾。使用的光耦型號為TLP521 2 及TLP521 4。信號隔離最重要的一點就是將數(shù)字與模擬或強電與弱電部分在供電上要完全隔開，否則就不能達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、光的接收及信號放大。輸入的電信號驅動發(fā)光二極管（LED），使之發(fā)出一定波長的光，被光探測器光敏三極管接收而產(chǎn)生光電流，再經(jīng)過進一步放大后輸出，這就完成了電—光—電的轉換。由于光耦合器的輸入端和輸出端之間通過光信號來傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒有電信號的反饋和干擾，故性能穩(wěn)定，抗干擾能力強。發(fā)光管和光敏管之間的耦合電容?。?pf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，因其輸入電阻小（約10Ω），對高內阻源的噪聲相當于被短接。因此，由光耦合器構成的模擬信號隔離電路具有優(yōu)良的電氣性能。實際中，光耦兩側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，可以記住一個信號，直到下一個觸發(fā)信號到來為止。74HC595具有一個8位串行輸入并行輸出的移位寄存器和一個8位輸出鎖存器。 ,QS).$t/ y 由于占用MCU的I/o口線少，硬件結構簡單，因此應用廣泛。 dAU%E iQIZYMa（1）應用原理 |\1z 以點亮LED數(shù)碼管顯示“0”為例！ =7?wVT `8 1. 并口輸出： 共用P1八個口，輸出用一條指令MOV P1,3FH即可。 ((${Ea1 2. 串并輸出： 。但輸出必須先將3FH逐位移入 2$:]T@m 595移位寄存器內(即串入)，再鎖存輸出(即并出)。 Dd~39。5tm:Z 注意：只有數(shù)據(jù)鎖存后，3FH才出現(xiàn)在595的Q1Q7上， ,Yi%iG/[ LED數(shù)碼管顯示“0”。 B.v amp。} 移位方式：11111100，由低到高。 MsPWa87 \w Htl（2）主要引腳 Nl?vF R 14腳：。 /s,Cr2nY34 11腳：。 (5n0 ^ 1。 12腳：。 {rv) =TU:^ 74HC595的原理圖（3）應用三步曲 amp。r%F_J(u0 rv Ct6 ~ 第一步：目的：將要準備輸入的位數(shù)據(jù)移入74HC595數(shù)據(jù)輸入端上。 uFg9EDEkM 方法：送位數(shù)據(jù)到 。 /Ilh@Wa。S ]WL? A6J 第二步：目的：將位數(shù)據(jù)逐位移入74HC595，即數(shù)據(jù)串入 !x tsv83 方法：。 }imA$
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)）是二個獨立過程，實際應用時互不干擾。即可輸出數(shù)據(jù)的 k|CDqO
同時移入數(shù)據(jù)。 jDR =~_| （4）級聯(lián)的應用 [IOm\ 74HC595主要應用于點陣屏，以16*16點陣為例：傳送一行共二個字節(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，06H在IC1內。應用如圖二 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{ 語音部分為了實現(xiàn)本次設計的機器人最具特色的智能語音功能，經(jīng)仔細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：SPCE061A，簡稱61單片機。61單片機能非常容易、快速地處理復雜的數(shù)字信號，其16位μ’nSP? ，I/，具備14個中斷源、2個16位定時/計數(shù)器和串行接口設備，內置了2K的SRAM和32K的FLASH，并具有2個10位DAC(數(shù)模轉換)輸出通道、7通道10位電壓模數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模數(shù)轉換器，在聲音模數(shù)轉換器輸入通道還內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能，并且相對于其它同類型單片機相比較，還具有一系列特點和優(yōu)點：(1) 內部集成了D/A和A/D電路，但價格低廉，耗電量小，運算效率高，速度快(2) 對IO口操作方便，可以對32個IO口單獨進行設置(3) 利用凌陽公司開發(fā)的IDE編譯環(huán)境，可使用標準C語言和匯編語言進行編程，同時可將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仿真模式，在仿真時可對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和強大的優(yōu)勢，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單片機的封裝有PLCC84和LQFP80兩種封裝，其中。61單片機作為功能強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，已集成有麥克風錄入電路，揚聲器放音電路等完成語音功能所需的標準模塊，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 61單片機內部結構圖及引腳圖計合理，性能穩(wěn)定，單獨引出的IO口引腳方便開發(fā)，所以，本次設計直接采用了凌陽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)時間，能將精力主要集中于實現(xiàn)語音功能的軟件開發(fā)上，也能有更充分的時間深入了解軟硬件在現(xiàn)代相關音頻處理技術方面的一些基本原理和問題。下圖是61板的實物圖： 61板實物圖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，音量可達到較好效果，并且在運放前端加上了1K的精密可調電阻可調節(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實現(xiàn)，同一般單片機下載電路，在此不再詳述。 麥克風輸入電路： 61板麥克風輸入電路麥克風輸入電路對于語音識別的效果有最直接最重要的影響，在61板的麥克風輸入電路中，加入了許多濾波措施，并加入了AGC增益，在對61板語音輸入和語音識別的測試中，即使是用最普通最低廉的麥克風，錄入語音都比較清晰，語音識別也非常敏感和正確，這也說明了61板電路設計的合理性。61單片機最小系統(tǒng)：SPCE061A的最小系統(tǒng)包括系統(tǒng)鎖相環(huán)PLL、晶振電路和復位電路，可按照61單片機的引腳說明進行連接，這里不再詳述，可參看附錄的61板原理圖。驅動系統(tǒng)是機器人的手和腳，即運動機構和執(zhí)行機構的基本組成部分。驅動系統(tǒng)的設計與制作是比賽機器人創(chuàng)意與實踐的重要內容。它的任務不僅是向機器人傳遞動力，而且要提供準確的運動定位和靈活的操作，是機器人制勝的法寶之一，因此其重要性是不言而喻的。通常機器人驅動有電氣，液壓，氣壓三種方式。其中以電氣驅動最常見，它按供電的方式又可以分為直流電機和交流電機。機器人比賽規(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按照其內部結構又可分為直流電機和步進電機。直流電機外部接通直流電就能旋轉；步進電機的驅動原理復雜些，必須按照一定的通電順序給電機供電，電機才能旋轉。 直流電機的特性 直流電機的結構特點 直流電機的結構形式很多，但基本的結構是相同的，即必須有定子，轉子和換向器。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。轉子由一根旋轉軸及固定在軸上的硅鋼片構成，是把電能轉換成機械能的部分。轉子的外沿有槽，槽內有電流通過是，旋轉軸便開始旋轉。為了在電機連續(xù)旋轉條件下電流能順利通過轉子，旋轉軸尾部設置有換向器，它始終與定子的電刷保持接觸，給電機繞組供電。直流電機有普通直流電機和直流伺服電機之分，兩者的區(qū)別主要體現(xiàn)在性能方面。伺服電機在調速范圍，機械特性和調節(jié)特性的線性度，響應快速性等方面均占優(yōu)，且當控制電壓改變?yōu)榱銜r能立即停止轉動；普通電機則做不到。從結構上比較，兩者的區(qū)別在于電樞鐵心的長度與直徑之比，伺服電機較大，而氣隙較小。因此在精密定位和寬調速范圍的應用場合，一般都選用伺服電機。 直流電機的運行特性 對一般機器人用戶來說，驅動的任務僅僅是在確定了機械結構并計算出所需要的速度和驅動力矩之后選擇合適的電機和相應的控制方法，這就涉及到電機的運行特性問題。 機器人比賽規(guī)則往往對機器人的質量有嚴格的限制，所以應選用質量小，功率適宜的永磁電機。它的勵磁磁通是恒定的。在控制系統(tǒng)鐘，通常用電樞電壓作為控制信號，電壓的大小與電機轉速成正比，改變電壓極性，電機運轉方向也隨之改變。圖4 .1是電樞控制的原理圖。根據(jù)電樞反應原理，電機 轉速n的計算公式為 電機 IaUa 圖5 .1 電樞控制的原理圖 n=n0KhTem （） 式中n0＝Ua/