【文章內(nèi)容簡介】 紅外傳感器 能力風暴運用了 2只紅外發(fā)射管（ 970nm）和一只紅外接收模塊構(gòu)成紅外傳感系統(tǒng) ，主要用來檢測前方、左前方和右前 方的障礙，檢測距離范圍為 10～ 80cm。用戶可以通過調(diào)節(jié) IRLEFT和 IRRIGHT兩個電位器來調(diào)節(jié)左右兩個紅外的檢測距離。主板中的 R5為 24K電阻，它將紅外光發(fā)射的調(diào)制頻率固化在 38KHz左右，這是紅外接收模塊中帶通濾波器的中心頻率。紅外發(fā)射管的頭部象一個發(fā)光二極管，它是兩針的；紅外接收器的頭部是個集成塊，它是三針的。 紅外接收模塊集成了紅外接收管、前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、峰值檢波器、整前電路和輸出放大電路，靈敏度很高。有時從紅外管側(cè)面和后面漏出的紅外光也會被接受模塊探測到，在能力風暴個人機器 人上，兩個紅外發(fā)射管和一個紅外接收器都是先裝在套管里再固定在外殼上的，有效的避免了這種情況的發(fā)生。用戶在自己擴展紅外傳感器時，如果遇到這種情況，只需用黑膠布把發(fā)射管的側(cè)面和后部包住即可， 紅外傳感器是靠發(fā)射并接收由障礙物反射回來的紅外光來判斷是否有障礙。 圖 紅外測障原理示意圖 在紅外線檢測避障中，紅外光以 60 度的散角向外發(fā)射，碰到障礙物然后反射回來，陰影區(qū)域分別是左右兩個紅外的反射光區(qū)域，而紅外的接收模塊正好處于左右兩個反射光區(qū)域內(nèi)，能接收到左右兩個紅外發(fā)射管的反射光，所以判斷此時前方有障礙，從而 實現(xiàn)避障功能。紅外接收模塊只是在接收到了一定強度的紅外光時才起到質(zhì)的變化，認為有障礙。所以，當障礙物太細時，能力風暴個人機器人會檢測不到；當障礙物是黑色或深色時，會吸收大部分的紅外光，而只反射回一小部分，有時會使接收模塊接收到的紅外光強度不夠，不足以產(chǎn)生有障礙的信號。 根據(jù)采集的數(shù)據(jù)可以判別是否有反射，只有在初始探測無反射而第二次探測有反射 9 時，左反射管才是有反射的，這樣系統(tǒng)才認為左方有障礙。同理，初始探測無反射而第三次探測有反射時，右反射管才是有反射的，右方被認為有障礙。 光敏傳感器 能力風暴 個人機器人上有 2 只光敏傳感器，它可以檢測到光線的強弱。光敏傳感器其實是一個光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線強弱的影響。能力風暴個人機器人所用的光敏電阻的阻值在很暗的環(huán)境下為幾百Ｋ Ω ，室內(nèi)照度下幾Ｋ Ω ，陽光或強光下幾十 Ω 。光敏傳感器很靈敏，若需要左右兩個光敏傳感器對光強的反應非常一致，則把光敏傳感器對準照度均勻的白墻進行調(diào)節(jié)，數(shù)字較小的一邊，在光敏傳感器上貼一小片黑膠布；或者通過軟件進行偏差值調(diào)整，光敏傳感器在能力風暴個人機器人里表現(xiàn)出的光越暗，數(shù)值越大，光越強，數(shù)字越小是因為：光敏電阻和 10K 的電阻 R8， R10 相連后構(gòu)成分壓器。左右兩個光敏電阻分別與模擬輸入口 PE0， PE1 相連，在系統(tǒng)中采集的是光敏電阻上的電壓值。光暗時，光敏電阻上的電壓接近 5V，光強時，接近 0V，模數(shù)轉(zhuǎn)換為 8位數(shù)字量后的范圍為 0255。 麥克風 能力風暴個人機器人上的麥克風 (microphone)是能夠識別聲音聲強大小的聲音傳感器 ， 對著 microphone 發(fā)出一些聲音，可以看到 microphone 的值不斷變化。它的變化范圍是 0～ 255。麥克風采集到的信號通過 LM386（ IC5）進行放大，放大倍數(shù)為 200（由C13 確定），輸出信號接至 PE2。沒有聲音時，電壓為 2． 5V 左右，轉(zhuǎn)換為 8位二進制數(shù)后得到的十進制整數(shù)為 127 左右。 當有聲音時， LM386 的輸出電壓在 上下波動。 PE2 測得的電壓和 V 相減的絕對值越大，則聲音越大。如 MIC=100=(12727)與 MIC＝ 154=(127+27)表示兩次采集時的瞬時聲強是相同的 ,只是波動的方向不同。 R1， C12 構(gòu)成高頻濾波，濾去線路板其他元器件產(chǎn)生的高頻噪聲。 光電編碼器 光電編碼器是一種能夠傳遞位置信息的傳感器，它由光電編碼模塊及碼盤組成。能力風暴個人機器人有 2只光電編碼器，運用紅外發(fā)射接收模塊。反射器 (即碼盤 )是黑白相間的鋁合金制成的圓片， 66等分。當碼盤隨輪子旋轉(zhuǎn)時，黑條和白條交替經(jīng)過光電編碼器，反饋的信號狀態(tài)不同 ,即構(gòu)成一個脈沖。因此 360 度共產(chǎn)生 33 個脈沖，每個脈沖的分辨率約為 度，輪子直徑為 65mm，則周長方面的分辨率約為 。碼盤裝在輪子的內(nèi)側(cè)， 光電編碼器原理上也是靠發(fā)射與接收紅外光來工作的。能力風暴個人機器人上用的光電編碼器芯片集成了發(fā)射與接收功能。紅外光射在黑色輻條上時沒有反射信號，因為紅外光大部分已經(jīng)被黑色輻條 吸收；當紅外光射在白色輻條上時有反射信號，因為紅外光在白輻條上反射強烈。 10 其他傳感器 人體熱釋片傳感器對移動的人體熱源敏感，加上菲涅耳透鏡后可以探測 10 米外的人體。能力風暴裝上 1 個或幾個人體熱釋片傳感器后，你可以讓他一看見你，就向你迎過來，讓他跟著你走。 超聲傳感器是機器人測距的專業(yè)傳感器，測量距離一般為 20cm6m，測量精度為 1%，是測量聲波發(fā)射與收到回波之間的時間差來測量距離的。運用能力風暴本體上帶的傳感器在房間里找到門不容易，但運用聲納對房間掃描一周 后，就能較方便找到房門。 SHARP 公司推出了創(chuàng)新的 GP2D02/GP2D12 連續(xù)測距紅外傳感器，測量范圍為10cm80cm，參加滅火比賽時，用它來找房間非常好。 想讓機器人動態(tài)告訴你氣溫嗎？加一個溫度傳感器是個好方法。能力風暴的魅力在于你能控制所有的資源，直接領(lǐng)悟信息采集與處理的機制，以及如何處理現(xiàn)實情況的復雜性和難以預測性。 小結(jié) 本章主要完成了系統(tǒng)方案的選擇及器件的選型，對系統(tǒng)各模塊有了初始的設計。 通過 查閱 相關(guān)書籍和相關(guān)資料， 知道了 MC68HC11 系列 采用模塊化設計 ， 各種不同型號的單片機可 由 不同的模塊組成 ，我選擇了 MC68HC11A1。這個型號 是其中的代表產(chǎn)品 ，它速度快、功能強、功耗低、可靠性高、價格低 。 由于程序代碼量也不是很大 ，為了合理完成對系統(tǒng)的控制， 我們選擇 68HC11A1 作為主控芯片 來完成對系統(tǒng)的設計 。 11 第 三章 機器人 硬件電路 設計 能力風暴的輪子一共有四只，兩只主動輪，兩只從動輪，主動輪帶動整個能力風暴機器人運動，從動輪起到平衡和導向的作用，在四只輪子的共同配合下能力風暴機器人能夠完成向前直走，向后倒退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，原地打轉(zhuǎn)等這些平地上的技術(shù)動 作 ,將紅外發(fā)射器裝在能力風暴的左前和右前 ,紅外接受模塊裝在能力風暴機器人的前面 ,當檢測到有障礙時，控制器會控制平移速度和旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而避開障礙。跟隨的原理和避障一樣，當其檢測到有移動的物體時，會跟隨上去，沒有檢測到時，會一直停在原地。主板設計框圖如下圖所示： 圖 能力風暴機器人主板結(jié)構(gòu) 68HC11A1 最小系統(tǒng) 摩托羅拉 MC68HC11 單片機的最小系統(tǒng)， 即 單片機要正常工作必須具備的最少外圍器件組 成的電路，包括電源供給、復位電路、系統(tǒng)時鐘電路及其他部分。 68HC11A8 使用 5V 單電源供電， VDD 是電源正， VSS 是地。單片機內(nèi)部共有兩組電源，VDD 和 VSS 是給單片機內(nèi)部數(shù)字電路供電， AVDD和 AVSS 是給內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換電路供電，兩部分電源可以單獨去耦，這樣可以減少模擬電路對數(shù)字電路的影響，保證了 MCU 核心 MC68HC11 穩(wěn)壓與低壓復位系 統(tǒng) 2 只光電編碼器 2 只紅外傳感器 LCD 喇叭驅(qū)動 電機驅(qū)動 4 只碰撞傳感器 1 只麥克風 2 只光敏傳感器 ASBUS 總線 串口通訊 12 的穩(wěn)定性同時提高了 A/D轉(zhuǎn)換的抗噪聲能力。 68HC11A8 的復位引腳是 RESET，該引腳低電平有效，當該引腳保持低電平 8個時鐘周期則系統(tǒng)復位，該復位方式稱為外部復位 。該單片機還有內(nèi)部復位，內(nèi)部復位時該引腳自動變?yōu)榈碗娖讲⒈３?4個時鐘周期后變?yōu)楦唠娖健? 另外，由于該單片機內(nèi)部有 EEPROM，為了防止 VDD 電壓過低造成 EEPROM 中數(shù)據(jù)丟失，在穩(wěn)定的系統(tǒng)中應使用低壓保護電路，既電源電壓過低時在 RESET 引腳上產(chǎn)生低電平使系統(tǒng)復位，從而防止 EEPROM 中數(shù)據(jù)的意外丟失。在本文的電路中由于仿真時電源穩(wěn)定，從而省略了低壓保護電路，直接讓 RESET 保持高電平，從而一直讓系統(tǒng)持續(xù)運行而不復位。 外部時鐘輸入引腳是 XTAL 和 EXTAL。這兩個引腳直接接外部晶體振蕩器 為系統(tǒng)提供時鐘，這里選用 8M晶振，從而為系統(tǒng)提供時鐘。需要注意的是內(nèi)部時鐘的頻率是該晶振頻率的四分之一，既 2M。系統(tǒng)時鐘可以在 E管腳上輸出。 該單片機有兩個外部中斷引腳，分別為 IRQ 和 XIRQ 引腳。 IRQ 是異步中斷請求的輸入引腳，通過配置 OPTION 寄存器中的相應位可以配置成下降沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)，默認是低電平觸發(fā)。該中斷引腳是可軟件屏蔽的。 XIRQ 是不可屏蔽中斷引腳。該引腳的機制是在 CPU 復位時系統(tǒng)自動將 CCR 寄存器中的 X位置位，此時所有中斷被屏蔽，而此后不能通過軟件設置來屏蔽這 個中斷，既這 CCR中這個 X位不能置位。該中斷是電平觸發(fā)中斷，不能配置成下降沿觸發(fā)。 根據(jù)前面敘述的該單片機工作模式，對照下表中的 MODA 和 MODB 的電平配置，我們選擇單片工作模式，因此 MODA 接 VDD， MODB 接地。 Vrh 和 Vrl 引腳的處理 ， 這兩個引腳分別為單片機內(nèi)部 A/D 轉(zhuǎn)換的參考電壓和模擬地，這里 Vrh 接 VDD， Vrl 接地。 本系統(tǒng)根據(jù)能力風暴機器人的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，首先選用同系列的摩托羅拉 68HC11 單片機 ，在 Proteus 仿真平臺里搭建仿真環(huán)境，根據(jù)各部分需要的功能設計了以下模塊：電機驅(qū)動 模塊， 避 障模塊，地面 檢 測模塊，用戶交互模塊。其中，各部分電路和程序均需重新從底層設計。因此本系統(tǒng)設計的重點和難點放在了基于 68HC11 單片機的底層軟件驅(qū)動的開發(fā)，和最后各模塊配合工作的調(diào)試上。最終，在 Proteus 仿真模型里實現(xiàn)電機的正反 轉(zhuǎn) ，完成機器人行走、轉(zhuǎn)彎、后退功能，然后加入 避障 模塊的檢測，完成 避 障功能；最后加入 地面灰度 傳感器，和前面的模塊綜合聯(lián)調(diào)，經(jīng)過不斷的參數(shù)對比來完成綜合的 避 障和 循跡 功能。在仿真結(jié)束 后 ，在能力風暴機器人上再根據(jù)仿真的算法思想來設計具體的操作實物機器人的程序，完成實際機器人的 避 障和 循跡 等所有功能 。 13 復位及啟動方式 計算機有多種復位方式：上電自動復位；外部 RESET 復位；看門狗復位（軟件工作不正常時）；時鐘監(jiān)視復位。能力風暴采用前兩種復位方式， 并且在工作是有 4種工作模式可選。初始工作模式的確定是靠在 MODA 和 MODB 兩條引腳上加高低不同電平而實現(xiàn)的。 只能是先有了應用程序并寫入片子中 ， 才能使之工作在單片方式下。在我們學習和開發(fā)單片機時 ， 顯然不適合這種工作方式。 單片機提供給外界數(shù)據(jù)總線和地址總線 ， 允許用戶在 64K空間上擴展 RAM和 EPROM,，擴展 I/ O。這給用戶開發(fā)程序帶來了極大的方便。這種方式的缺點是擴展地址和數(shù)據(jù)總線占用了兩個 8位的 I/ O 端口 ， 而另外擴展出兩個 8 位并行口并不困難。當開發(fā)工作基本完成后 ， 回到單片方式去 ， 將兩個并口還給系統(tǒng) ， 這種工作方式是開發(fā)階段最適用的。 在自引導模式下 ， 單片機加電復位后 ， 可以從串行口向芯片內(nèi)部的 256 個字節(jié) RAM中裝入一段程序 ， 并開始執(zhí)行這段程序。可以想象 ， 裝入的程序不同 ， 單片機能實現(xiàn)很多不同的功能。例如對系統(tǒng)作不同的初始化 ， 然后跳轉(zhuǎn)到不同的 ROM 中程序起始地址。這種工作方式也是要先有應用 程序在 ROM 中才行 ， 只能等到對 68HC11 應用嫻熟時才能用得巧妙。 該模式用于工廠中對產(chǎn)品進行測試 ， 對這種模式暫不考慮。確切地說 ， 工作模式的確定是靠 68HC11 復位后鎖存 MODA 和 MODB 端的電平狀態(tài)完成的 ， 工作模式的切換也可用寫寄存器指令在程序中進行。 各模式和對用 MODEA 和 MODEB 對應電平： 單片模式 （ 01） 擴展模式 （ 11） 測試模式 （ 10） 自引導模式 （ 00） 檢測 模塊 硬件仿真 碰撞模塊仿真 智能機器人 通常用行程開關(guān)裝在機器人的周圍來感知碰撞，在機器人碰到障礙物時相應方向的行程開關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號，由單片機掃描檢測到以后判定該方 14 向發(fā)生碰撞，然后控制執(zhí)行模塊使機器人轉(zhuǎn)向從而避開障礙物。這種方法的優(yōu)點是電路簡單，驅(qū)動容易，軟件調(diào)試和編程也相對簡單容易。但是該方法由于檢測方法的限制，只能在機器人發(fā)生碰撞以后才能檢測，不能預先檢測到障礙物然后繞行，因此存在很大弊端。 碰撞傳感器仿真電路圖如圖 所示： R24 .7 kR34 .7 kR44 .7 kR54 .7 kR64 .7 kR74 .7 kR84 .7 kR94 .7 kC 1 41 5 uC 1 5