【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 采用此種方法驅(qū)動(dòng)的力度不夠大，對(duì)完成動(dòng)作的電機(jī)可以采用由兩個(gè)繼電器實(shí)現(xiàn)其正反轉(zhuǎn)和啟動(dòng)停止。 （ 2） 傳感器選用以 閉環(huán) 傳感器為主，其他傳感器為輔，其中包括光碼盤(pán)，觸碰 開(kāi)關(guān)。 （ 3）單片機(jī)控制系統(tǒng)采用單機(jī)形式。其可靠性能更高。 綜上所述，電氣方案選擇最佳電氣方案（ 2） 機(jī)械 方案比較 通過(guò)以上各個(gè) 機(jī)械方案的提出并描述了各自的優(yōu)缺點(diǎn)，比較得出所要設(shè)計(jì)的機(jī)器人的結(jié)論為： （ 1）移動(dòng)方式以方案（ 1）的四輪移動(dòng)為最佳選擇，其速度要比履帶式移動(dòng)快，且其能量耗損相對(duì)較少 ； （ 2） 機(jī)械手的設(shè)計(jì)模型已和人的手臂很相似，不會(huì)有很大的改動(dòng)。 （ 3） 轉(zhuǎn)身和彎腰機(jī)構(gòu)則是連桿機(jī)構(gòu)較為合理，其它機(jī)構(gòu)不是成本高，就是不易于實(shí)現(xiàn)，在此我們選用以設(shè)計(jì)好的連桿機(jī)構(gòu)。 （ 4）機(jī)器人 的材料我們以鋁材為主， 4 硬件電路設(shè)計(jì) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 繼電器是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)， 本系統(tǒng) 選用 D4810型固態(tài)繼電器，固態(tài)繼電器 (SSR)與機(jī)電繼電器相比，是一種沒(méi)有機(jī)械運(yùn)動(dòng)，不含運(yùn)動(dòng)零件的繼電器，但它具有與機(jī)電繼電器本質(zhì)上相同的功能。 SSR是一種全部由固態(tài)電子元件組成的無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)元件，他利用電子元器件的點(diǎn)，磁和光特性來(lái)完成輸入與輸出的可靠隔離，利用大功率三極管，功率場(chǎng)效應(yīng)管，單項(xiàng)可控硅和雙向可控硅等器件的開(kāi)關(guān)特性，來(lái)達(dá)到無(wú)觸點(diǎn)，無(wú)火花地接通和斷開(kāi)被控電路。 固態(tài)繼電器有三部分組成 :輸入電路，隔離 (耦合 )和輸出電路。安輸入電壓的不同類(lèi)別，輸入電路可分為直流輸入電路，交流輸入電路和交直流輸入電路三種。有些輸入控制電路還具有與 TTL/CMOS兼容，正負(fù)邏輯控制和反相等功能。固態(tài)繼電器的輸入與輸出電路的隔離和耦合方式有光電耦合和變壓器耦合兩種。固態(tài)繼電器的輸出電路也可分為直流輸出電路，交流輸出電路和交直流輸出電路等形式。交流輸出時(shí)，通常使用兩個(gè)可控硅或一個(gè)雙向可控硅，直流輸出時(shí)可使用雙極性器件或功率場(chǎng)效應(yīng)管。固態(tài)繼電器 有 壽命長(zhǎng) 、 可靠性高 、 靈敏度高 、 控制功率小 、 電磁兼容性好 、 快速 轉(zhuǎn)換 、 電磁干擾 小 的優(yōu)點(diǎn) 。 D4810型繼電器輸入電流為 540mA，電壓 3－ 30V，額定輸出電流 10A，輸出電壓范圍寬為 20220V，滿足項(xiàng)目的要求。 在直流電機(jī)電樞上加上一定幅度的直流電壓，電機(jī)便開(kāi)始旋轉(zhuǎn)；改變電壓方向， 電機(jī)轉(zhuǎn)向也隨之改變。如果電機(jī)以恒速運(yùn)動(dòng)，不調(diào)速可以采用一個(gè)簡(jiǎn)單的電路來(lái)控制正 /反向，電路原理如圖 所示。它采用兩個(gè)繼電器作為控制弱電到驅(qū)動(dòng)電機(jī)的強(qiáng)電之間的轉(zhuǎn)換器。正反轉(zhuǎn)控制開(kāi)關(guān) RELAY1 斷開(kāi)，電源開(kāi)關(guān) RELAY3 閉合時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之電機(jī)反轉(zhuǎn)。兩開(kāi)關(guān)同時(shí)斷開(kāi)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。兩開(kāi)關(guān)同時(shí)閉合是不允許的，從電路可看出， 這會(huì)導(dǎo)致電源短路。 圖 直流電機(jī)的簡(jiǎn)單雙向控制 及繼電器圖 電路原理圖如下： 圖 繼電器電路圖 光電編碼器 編碼器是一種員簡(jiǎn)單的數(shù)字式位移電感器，它能夠把角位移或線位移經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單的變換變成效字量。目前，編碼器精度、分辨力和可靠性都優(yōu)于相同尺寸的模擬式傳感器，但價(jià)格 — 般比較高。根據(jù)編碼器檢測(cè)原理和檢測(cè)對(duì)象的不同，可以把編碼器分為兩種類(lèi)型。用于檢測(cè)線位移的編碼器稱為直線位移編碼器；用于檢測(cè)角位移的編碼器稱為角度數(shù)字編碼器。 角度數(shù)字編碼器由敏感元件和碼盤(pán)組成。碼盤(pán)是一種經(jīng)過(guò)精細(xì) 加工的薄圓盤(pán)，它的材料根據(jù)與之配套的敏感元件不同而不同。角度數(shù)字編碼器有增量式碼器和絕對(duì)式編碼器兩種基本類(lèi)型。絕對(duì)式編碼器能給出與每個(gè)角位置相對(duì)應(yīng)的數(shù)字量輸出，增量式編碼器則只輸出角度的變化增量光學(xué)編碼器。這種編碼器由光源、碼盤(pán)和光電敏感元件組成。圖3 .13 表示了一種五位光學(xué)編碼器。光學(xué)編碼器的碼盤(pán)是在一個(gè)基體上形成透明和不透明碼區(qū)，代表了二進(jìn)制碼 0 和 1。編碼盤(pán)的性能好壞主要取決于碼盤(pán)的質(zhì)量。光學(xué)編碼器通常采用照相技術(shù)和光刻技術(shù)制作。把同心分布的多因二進(jìn)制碼復(fù)制在碼盤(pán)上。光源是光學(xué)編碼器中最容易發(fā)生故障的 元件。 通常不但要求光源具有較高的可靠性，而且要求光源的光譜要相光電敏感元件相適應(yīng)。光源的工作溫度范圍要寬。光電敏感元件可以采用光電二極管、光電晶體管或硅光電池。為了提高輸出邏輯電壓，還需要加接各種電壓放大器，而且每個(gè)軌道對(duì)應(yīng)的光電敏感元件要接一個(gè)電壓放大器。電壓放大器通常由集成電路高增益差分運(yùn)算放大器組 圖 光電編碼盤(pán) 成。為了減小聲的影響，在光路中要加入透鏡和談縫裝置。應(yīng)當(dāng)注意的是，狹縫不能大窄，要保證所有軌道的光電敏感元件的敏感區(qū)都處于狹縫內(nèi)。光學(xué)編碼器的基本構(gòu)成如圖 3 .14 所示。 圖 光學(xué)編碼器的基本構(gòu)成 絕對(duì)式光學(xué)編碼器通常采用的是格雷 (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(guò)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(wú)輸出，說(shuō)明機(jī)器人撞到對(duì)方而無(wú)退讓?zhuān)悍綑C(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(shuō)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(wèn)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(pán)兩側(cè)分別安置發(fā)光元件和光敏元件，隨著碼盤(pán)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(guò)整形的脈沖。根據(jù)脈沖計(jì)數(shù)，可以知道與碼盤(pán)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）： 圖 開(kāi)關(guān) 比賽機(jī)器人常用的開(kāi)關(guān)用按鈕開(kāi)關(guān)，數(shù)字開(kāi)關(guān)和接觸開(kāi)關(guān)幾種。按鈕開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)即可。 單片機(jī)控制系統(tǒng) 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， —— 作為行走電機(jī)的控制端口。 P2 作為動(dòng)作電機(jī)的控制端口。 —— 作為光電編碼器的記數(shù)口。 P3 口的另外一些都用來(lái)接行程開(kāi)關(guān)。另外留出串行通信的端口以備以后使用，如圖 所示。 圖 控制系統(tǒng)的的電路圖 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(kāi)始運(yùn)行。 整個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)框圖如下： 圖 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(jiàn)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(kāi)，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(zhǎng)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(guò)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(guò)光信號(hào)來(lái)傳輸，因而兩部分之間在電氣上完全隔離，沒(méi)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?。?2pf 左 P1 P0 AT89S51 P3 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 右）耐壓高 ( 左右 )，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?。s 10Ω ），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： 圖 光耦隔離電路 光耦隔離電路圖如下： 圖 光耦隔離電路圖 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(lái)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。 由于占用 MCU的 I/o 口線少，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此應(yīng)用廣泛。 1243U 7 2P5VR 7 42kCER 3 5 25 1 0 R （ 1） 應(yīng)用原理 以點(diǎn)亮 LED 數(shù)碼管顯示 “0” 為例！ 1. 并口輸出： 共用 P1 八個(gè)口，輸出用一條指令 MOV P1,3FH 即可。 2. 串并輸出： 共用 三個(gè)口。但輸出必須先將 3FH 逐位移入 595 移位寄 存器內(nèi) (即串入 )，再鎖存輸出 (即并出 )。 注意：只有數(shù)據(jù)鎖存后， 3FH 才出現(xiàn)在 595 的 Q1Q7上， LED 數(shù)碼管顯示 “0” 。 移位方式： 11111100，由低到高。 （ 2） 主要引腳 14腳：串行數(shù)據(jù)輸入端接 。 11腳：移位時(shí)鐘接 。 12腳：輸出鎖存器的送入信號(hào) 。 圖 74HC595 的 原理 圖 （ 3） 應(yīng)用三步曲 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。 方法：送位數(shù)據(jù)到 。 第二步：目的：將位數(shù)據(jù)逐位移入 74HC595，即數(shù)據(jù)串入 方法： 產(chǎn)生一上升沿，將 上的數(shù)據(jù)移入 74HC595 中 .從低到高。 第三步：目的：并行輸出數(shù)據(jù)。即數(shù)據(jù)并出 方法： 產(chǎn)生一上升沿，將由 上已移入數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù) 送入到輸出鎖存器。 說(shuō)明： 從上可分析：從 產(chǎn)生一上升沿（移入數(shù)據(jù)）和 產(chǎn)生一上升沿 （輸出數(shù)據(jù)）是二個(gè)獨(dú)立過(guò)程，實(shí)際應(yīng)用時(shí)互不干擾。即可輸出數(shù)據(jù)的 同時(shí)移入數(shù)據(jù)。 （ 4） 級(jí)聯(lián)的應(yīng)用 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） ， 如：發(fā)送的是 06H 和 3FH。其 方法是： 3FH，后送 06H。 ， 3FH 在 IC2 內(nèi)， 06H 在 IC1 內(nèi)。應(yīng)用如圖二 ，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 語(yǔ)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(yǔ)音功能，經(jīng)仔細(xì)分析論證后最終采用為凌陽(yáng)公司的專(zhuān)用語(yǔ)音處理 16 位單片機(jī)： SPCE061A，簡(jiǎn)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? CPU 工作電壓為 ， I/O口輸出電壓為 ， CPU 時(shí)鐘頻率在 到 間可調(diào)，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(lèi)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(yáng)公司開(kāi)發(fā)的 IDE 編譯環(huán)境，可使用標(biāo)準(zhǔn) C