【文章內(nèi)容簡介】 行設(shè)計出紅外接收二極管的接收電路，而后者用到的紅外接收頭內(nèi)部就是一個接收電路，所以后者就比較簡潔，而且效果比前者要好的多。基于紅外接受頭來設(shè)計避障電路，方法也有很多種，但基本的原理還是統(tǒng)一的。電路基本原理就是由控制紅外發(fā)射二級管發(fā)出38K赫茲左右的方波，當(dāng)有障礙物的時候，紅外接收頭out端口輸出的為低電平，沒有障礙的時候，out端口輸出的為高電平。機(jī)器人可通過識別out數(shù)據(jù)反饋端的高低電平來判斷前方是否有障礙物。該避障電路系統(tǒng)避障能力經(jīng)實驗所得，最大避障距離為50cm左右。而實現(xiàn)方案的不同點主要是信號發(fā)送電路部分，具體的實現(xiàn)方法有很多種：一種是基于微型單片機(jī)來控制紅外發(fā)射二極管發(fā)送38K赫茲的信號（主要單片機(jī)是89C2051以及PIC），另外一種是基于555定時器來設(shè)計的。本文就是采用后者來實現(xiàn)的。（3）紅外線避障系統(tǒng)的電路圖實現(xiàn)通過NE555定時器產(chǎn)生38KHz的脈沖信號，連接紅外線傳感器的發(fā)射頭，發(fā)送紅外線信號，通過集成的接受頭傳感器來接受紅外線信號，通過電路圖8和電路圖9實現(xiàn)紅外線的發(fā)送接受圖8 紅外線發(fā)射電路 圖9 紅外線接收電路該實物圖幾個功能模塊的簡單介紹：圖8左上角部分包括555定時器、電容、電阻構(gòu)成了一個發(fā)射38K赫茲的方波電路，由555定時器的端口3輸出一個方波，右上角是一塊放大電路圖，由一個三極管來放大紅外發(fā)光管的驅(qū)動電流；其中通過精調(diào)電位器可以調(diào)節(jié)紅外發(fā)光二級管的電流來控制發(fā)射強(qiáng)度。圖9是紅外線接收頭電路（腳5是返回有無障礙物信號）（4）避障系統(tǒng)所需的元器件紅外發(fā)光二極管8個、紅外接受頭（HS38B）8個、三極管8個（9013）、2K的精調(diào)電位器8個、555定時器一個、50K的可調(diào)電位器一個、500歐姆的電阻一個、5K電阻8個、1K的電阻8個、五芯的插座8個、導(dǎo)線若干。輔助材料HS38B是一種用于紅外遙控接收或其它方面的小型一體化接收頭,，它提供一個特殊的紅外濾光器，,可防止無用脈沖輸出。其基本的特點如下所示：⒈光電檢測和前置放大器集成在同一封裝上。⒉。⒊改進(jìn)了對電場干擾的防護(hù)性。⒋電源電壓5V，低功耗。⒌輸出電平兼容TTL，CMOS。（1）常用行程測量電路的實現(xiàn)方法機(jī)器人小車行程測量電路設(shè)計有常用的兩種方案：方案一：采用開關(guān)式霍爾元件將磁鐵固定在小汽車的車輪上,當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時,磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動,霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化時,就會產(chǎn)生通斷效果,使單片機(jī)的定時器T0的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化,從而使得T0計數(shù)小汽車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù),假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計算出小汽車在一段時間內(nèi)的行程。這種測量方法的測量數(shù)據(jù)只能是車輪周長的整數(shù)倍，誤差較大。例如：小汽車的車輪半徑為1cm，那么這種測量方法的最小誤差就可達(dá)到6cm。方案二：采用反光式光電傳感器，在小汽車的車輪上制作一個2n等分黑白間隔扇形的圓形碼盤，設(shè)的黑色扇形的個數(shù)為n。在車輪轉(zhuǎn)動時，發(fā)光二極管發(fā)射的光被黑線吸收時，光敏三極管不能導(dǎo)通，光敏三極管的發(fā)射極輸出為低電平，經(jīng)CD40106反相后，單片機(jī)定時器T0的輸入端為高電平。在白色扇形區(qū)域，發(fā)光二極管發(fā)射的光就會被白色扇形區(qū)域反射到光敏三極管上，使光敏三極管導(dǎo)通，此時光敏三極管的發(fā)射極輸出為高電平。在經(jīng)CD40106反相后，單片機(jī)定時器T0的輸入為低電平。單片機(jī)定時器T0就會準(zhǔn)確記錄下這種高低電平的變化的次數(shù)，即通過的白色扇形的個數(shù)。假設(shè)為N, 并設(shè)車輪的周長與方案一的相同也是L，某段時間內(nèi)的行程計算公式為：S=N*L/n，可以看到這種測量方法的最小誤差為方案一的1/n，可較為精確地測量出小車的行程。并且可以進(jìn)行誤差控制，因為黑白扇形的個數(shù)與誤差成反比，要想提高準(zhǔn)確度只要增加黑白扇形的個數(shù)就可以。故本系統(tǒng)采用方案二。（2）光電編碼器原理光電編碼器用來計算小車輪子走過的距離，也有稱之為里程儀、速度計，功能都是一樣的，它是一種二進(jìn)制光電位置指示器，其基本原理是由不同等分的明暗相間的條紋，通過光電元件取得角度位置的二進(jìn)制數(shù)字信號，最后進(jìn)行解碼取得角度位置的絕對值或相對值。光電編碼器由光源，碼盤和光電接收器所組成。碼盤是編碼器中的最重要的器件。計算輪子轉(zhuǎn)過的距離就要用機(jī)器人內(nèi)側(cè)的光電編碼器來實現(xiàn)了，在主動輪內(nèi)側(cè)有黑白相間格子的碼盤。碼盤分為N等格（N選擇合適的值，比如16），則輪子每轉(zhuǎn)過16個格子，輪子轉(zhuǎn)一圈。輪子每轉(zhuǎn)一格轉(zhuǎn)過的角度是： 360 / 16 ≈ （度）輪子每轉(zhuǎn)一格移動的距離為： step = 輪子周長/16=2*p*R/16 圖10 光電碼盤當(dāng)輪子轉(zhuǎn)動時，紅外光照在黑格上不反射，照在白格上反射，編碼器可以記錄經(jīng)過光電編碼器格子的個數(shù)，從而可以計算出輪子走過的距離。（3）碼盤電路設(shè)計的具體實現(xiàn)圖11 光電傳感器電路圖光電傳感器輸出的電平經(jīng)過CD40106整形成單片機(jī)所能接受的信號，將Port接入計數(shù)器就能對光電傳感器的脈沖進(jìn)行計數(shù)。（1）電子羅盤的工作原理電子羅盤是通過磁場傳感器中兩個相互垂直軸同時感應(yīng)地球磁場的磁分量，從而得出方位角度。（2）電子羅盤的設(shè)計方案圖１是ＫＭＺ５２的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖和引腳排列。圖中，Ｚ１和Ｚ４為翻轉(zhuǎn)線圈，Ｚ２和Ｚ３為補(bǔ)償線圈。由于環(huán)境溫度可能會影響系統(tǒng)精度，因此，在高精度系統(tǒng)中，可以通過補(bǔ)償線圈對其進(jìn)行補(bǔ)償。ＫＭＺ５２內(nèi)部有兩個正交的磁場傳感器分別對應(yīng)二維平面的Ｘ軸和Ｙ軸。磁場傳感器的原理是利用磁阻（ＭＲ）組成磁式結(jié)構(gòu)，這樣可改變電磁物質(zhì)在外部磁場中的電阻系數(shù)。以便在磁場傳感器的翻轉(zhuǎn)線圈Ｚ１和Ｚ２上加載翻轉(zhuǎn)電信號后使之能夠產(chǎn)生變化的磁場。由于該變化磁場會造成磁阻變化（ΔＲ）０并將其轉(zhuǎn)化成變化的差動電壓輸出，這樣，就能根據(jù)磁場大小正比于輸出差動電壓的原理，分別讀取對應(yīng)的兩軸信號，然后再進(jìn)行處理計算即可得到偏轉(zhuǎn)角度。圖12 KMZ52的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖整個電子指南針系統(tǒng)主要由傳感器單元、信號調(diào)整單元（ＳＣＵ）、方向確定單元（ＤＤＵ）和顯示單元四部分組成。電子指南針的總體設(shè)計框圖如圖12所示。圖中，磁場傳感器ＫＭＺ５２用于將地磁場信號轉(zhuǎn)化成電信號輸出，信號調(diào)整單元用于將磁場傳感器單元中的輸出信號成比例放大，并將其轉(zhuǎn)換成合適的信號ｈｅｘ和ｈｅｙ，同時消除信號的偏移。對于保證系統(tǒng)的精度來說，ＳＣＵ是最重要的部件。通過ＤＤＵ可將信號調(diào)整單元輸出的兩路信號ｈｅｘ和 ｈｅｙ進(jìn)行放大，然后再按下式計算出偏轉(zhuǎn)角度α：α＝ａｒｃｔａｎｈｅｙ／ｈｅｘ這樣根據(jù)抗干擾技術(shù)算法對α進(jìn)行處理就可得出該磁場的偏轉(zhuǎn)角度，最后通過顯示單元進(jìn)行輸出。 圖13 電子羅盤的總體設(shè)計圖由于上位機(jī)、電子羅盤模塊的接口是RS232接口，為了使單片機(jī)，上位機(jī)，電子羅盤之間能相互通信，本系統(tǒng)采用了485總線的半雙工通信方式。RS485總線介紹及應(yīng)用在自動化領(lǐng)域，隨著分布式控制系統(tǒng)的發(fā)展，迫切需要一種總線能適合遠(yuǎn)距離的數(shù)字通信。在RS422標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，EIA研究出了一種支持多節(jié)點、遠(yuǎn)距離和接收高靈敏度的RS485總線標(biāo)準(zhǔn)。RS485標(biāo)準(zhǔn)采用平衡式發(fā)送，差分式接收的數(shù)據(jù)收發(fā)器來驅(qū)動總線，具體規(guī)格要求： 接收器的輸入電阻RIN≥12kΩ 驅(qū)動器能輸出177。7V的共模電壓 輸入端的電容≤50pF 在節(jié)點數(shù)為32個，配置了120Ω的終端電阻的情況下，(終端電阻的大小與所用雙絞線的參數(shù)有關(guān)) 接收器的輸入靈敏度為200mV(即V+V≥，表示信號0；V+V≤，表示信號1)因為RS485的遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(32個)以及傳輸線成本低的特性，使得EIA RS485成為工業(yè)應(yīng)用中數(shù)據(jù)傳輸?shù)氖走x標(biāo)準(zhǔn)。與RS232接口相比，RS485總線的傳輸距離更長、抗干擾能力也更強(qiáng)，這也是工業(yè)系統(tǒng)中使用RS485總線的主要原因。由于RS485總線是RS232總線的改良標(biāo)準(zhǔn)，因此，其軟件方面的設(shè)計與RS232多機(jī)系統(tǒng)基本上一致，如果不使用RS485接口芯片提供的接收器、發(fā)送器選通的功能，為RS232多機(jī)系統(tǒng)設(shè)計的軟件部分完全可以不加修改直接應(yīng)用至RS485網(wǎng)絡(luò)中，因此，RS485協(xié)議在工業(yè)領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用。圖14 RS485應(yīng)用電路圖主機(jī)與分機(jī)相隔較遠(yuǎn)，而分機(jī)系統(tǒng)上電或復(fù)位又常常不在同一個時刻完成。如果在此時某個485的DE端電位為“1”,那么它的485總線輸出將會處于發(fā)送狀態(tài)，那就是占用了通信總線，這樣其它的分機(jī)就無法與主機(jī)進(jìn)行通信。這種情況尤其表現(xiàn)在某個分機(jī)出現(xiàn)異常情況下（死機(jī)），會使整個系統(tǒng)通信崩潰。因此在電路設(shè)計時，應(yīng)保證系統(tǒng)上電復(fù)位時485的DE端電位為“0”。由于80s52在復(fù)位期間，I/O口輸出高電平，故圖14電路的接法有效地解決復(fù)位期間分機(jī)“咬”總線的問題。而在移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，系統(tǒng)上電或復(fù)位是在同一時刻完成的，不存在“咬”總線的問題，所以在系統(tǒng)中可以省去485與單片機(jī)之間的光耦電路。輸出電路的設(shè)計要充分考慮到路線上的各種干擾及線路特性阻抗的匹配。由于工程環(huán)境比較復(fù)雜，現(xiàn)場常有各種形式的干擾源，所以485總線的傳輸端一定要加有保護(hù)措施。在電路設(shè)計中采用穩(wěn)壓管DD2組成的吸收回路，也可以選用能夠抗浪涌的TVS瞬態(tài)雜波抑制器件，或者直接選用能抗雷擊的485芯片（如SN75LBC184等）?？紤]到線路的特殊情況（如某一臺分機(jī)的485芯片被擊穿短路），為防止總線中其它分機(jī)的通信受到影響，在485信號輸入端串聯(lián)了兩個20Ω的電阻RR11。這樣本機(jī)的硬件故障就不會使整個總線的通信受到影響。在移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，室內(nèi)環(huán)境比較單一，基本不存在485芯片的短路問題，所以以上部分在系統(tǒng)中都可以省去。由于RS485芯片的特性，接收器的檢查靈敏度為177。200mV，即差分輸入端VAVB≥+200mV，輸出邏輯1，VAVB≤200mV，輸出邏輯0；而A、B端電位差的絕對值小于200mV信幀的起始引起工作不正常。解決這個問題的方法是人為的使A端電位高于B兩端電位，這樣RXD的電平在485總線不發(fā)送期間（總線懸浮時）呈現(xiàn)唯一的高電平，80s52單片機(jī)就不會被誤中斷而收到亂字符。通過在485電路的A、B端出端加接上拉、下拉電阻RR9，即可很好地解決這個問題。由于移動機(jī)器人數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中不存在在485總線上所有發(fā)送接受禁止問題，所以不用接上拉、下拉電阻。從結(jié)構(gòu)上看，整個系統(tǒng)共分3個部分： 該系統(tǒng)中，上位機(jī)負(fù)責(zé)收集各個節(jié)點的信息，收集數(shù)據(jù)為下一步移動機(jī)器人的數(shù)據(jù)融合提供環(huán)境信息數(shù)據(jù)。該部分由上位機(jī)和MAX232，MAX485構(gòu)成，由于上位機(jī)的串口為RS232標(biāo)準(zhǔn)接口，因此要將上位機(jī)接入485網(wǎng)絡(luò)，需要先通過MAX232將232電平轉(zhuǎn)換成TTL/CMOS電平，再通過MAX485接入485總線。 數(shù)據(jù)采集器位于各個傳感器節(jié)點終端。該采集器由單片機(jī)構(gòu)成，其I/O經(jīng)轉(zhuǎn)換與各傳感器設(shè)備相連，來獲取傳感器信息，單片機(jī)串口則經(jīng)MAX485轉(zhuǎn)換接入RS485總線上，響應(yīng)上位機(jī)發(fā)送的查詢信息，將傳感器信息回送給上位機(jī)。 該部分是移動機(jī)器人外部環(huán)境信號與數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換節(jié)點，例如可以是超聲波傳感器、紅外線傳感器、光電傳感器等各類傳感器，通過各自的傳感器電路，將外部信號轉(zhuǎn)換成能被單片機(jī)接受的數(shù)字信號（1）超聲波傳感器接口電路單片機(jī)經(jīng)多路轉(zhuǎn)換器(74HC138)控制八路超聲波信號發(fā)送，八路超聲波信號經(jīng)八選一數(shù)據(jù)選擇器(74LS151)（外部中斷INT0），由于超聲波模塊輸出端在沒超聲波信號反射回來時是高電平，但超聲波模塊接收到超聲波信號時，輸出信號端為低電平。而超聲波選通信號為高電平，則當(dāng)選中此一路超聲波發(fā)送時，此路超聲波控制信號為高電平，而其他幾路超聲波控制信號為低電平，因此多路轉(zhuǎn)換器與超聲波模塊之間應(yīng)加一反相器（74HC04）。這樣才能做到超聲波信號的一路路的選通發(fā)送。就可以分別將超聲波模塊發(fā)送通道與接收通道一一對應(yīng)選通，分別采集到八路超聲波數(shù)據(jù)。圖15超聲波模塊接口電路（2）紅外線傳感器接口電路八路紅外線傳感器電路和單片機(jī)接口電路設(shè)計思路：紅外線發(fā)送是由555產(chǎn)生，相比起來，發(fā)射電路是孤立的，所以與單片機(jī)接口是紅外線傳感器的接受部分。紅外線接受部分電路的具體實現(xiàn)：紅外線避障模塊在前方?jīng)]障礙物時，輸出為高電平，前方一有能測到的障礙物時，輸出則為低電平，對紅外線避障模塊的信號查詢可以用單片機(jī)中斷完成，由于有八路紅外線避障模塊，單片機(jī)沒有這么多的中斷源，所以本系統(tǒng)采用多個輸入信號共用一個中斷源，需要增加相應(yīng)的元件CD4068，當(dāng)它們請求中斷服務(wù)時，把信號線電平置低。當(dāng)中斷服務(wù)程序完成之后再把信號線置高，用與門把這八個信號連起來，再把輸出接到INT1，為了讓單片機(jī)分辨出中斷請求來自哪路紅外線避障模塊，分別把這八個信號接到單片機(jī)輸入端口的引腳上，如圖16，只要查詢相應(yīng)的輸入端引腳電平就可以知道哪個方向的紅外線避障模塊接收到障礙物信號。 圖16 紅外線模塊接口電路（3）電子碼盤的接口電路光電傳感器經(jīng)CD40106整形成一個個脈沖信號以后，輸入脈沖計數(shù)器CD4520，CD4520的輸入脈沖的CLOCK口和輸出口QQQQ4關(guān)系如圖17。 圖17 CD40106的時序圖計數(shù)器CD4520中有兩個脈沖計數(shù)器，分別為左右輪的光電傳感器輸出脈沖計數(shù)，數(shù)值在QQQQ4口上以二進(jìn)制形式表達(dá)，利用單片機(jī)I/O對QQQQ4口查詢，讀入QQQQ4的數(shù)值，用程序的方法計算脈沖數(shù)。將CD4520的CLR口接單片機(jī)I/，實現(xiàn)計數(shù)器CD4520的清零工作。光電傳感器與單片機(jī)接口電路的具體實現(xiàn)如圖 圖18 電子碼盤的接口電路（4）通信模塊接口由于ARM和電子羅盤是RS232接口，存在著RS23