【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 紅外傳感器 能力風(fēng)暴運(yùn)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(lái)檢測(cè)前方、左前方和右前 方的障礙，檢測(cè)距離范圍為 10～ 80cm。用戶可以通過(guò)調(diào)節(jié) IRLEFT和 IRRIGHT兩個(gè)電位器來(lái)調(diào)節(jié)左右兩個(gè)紅外的檢測(cè)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(gè)發(fā)光二極管，它是兩針的；紅外接收器的頭部是個(gè)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(shí)從紅外管側(cè)面和后面漏出的紅外光也會(huì)被接受模塊探測(cè)到，在能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器 人上，兩個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)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(kuò)展紅外傳感器時(shí)，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(lái)的紅外光來(lái)判斷是否有障礙。 圖 紅外測(cè)障原理示意圖 在紅外線檢測(cè)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(lái)，陰影區(qū)域分別是左右兩個(gè)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(gè)反射光區(qū)域內(nèi)，能接收到左右兩個(gè)紅外發(fā)射管的反射光，所以判斷此時(shí)前方有障礙，從而 實(shí)現(xiàn)避障功能。紅外接收模塊只是在接收到了一定強(qiáng)度的紅外光時(shí)才起到質(zhì)的變化，認(rèn)為有障礙。所以，當(dāng)障礙物太細(xì)時(shí)，能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人會(huì)檢測(cè)不到；當(dāng)障礙物是黑色或深色時(shí)，會(huì)吸收大部分的紅外光，而只反射回一小部分，有時(shí)會(huì)使接收模塊接收到的紅外光強(qiáng)度不夠，不足以產(chǎn)生有障礙的信號(hào)。 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(cè)無(wú)反射而第二次探測(cè)有反射 9 時(shí)，左反射管才是有反射的，這樣系統(tǒng)才認(rèn)為左方有障礙。同理，初始探測(cè)無(wú)反射而第三次探測(cè)有反射時(shí)，右反射管才是有反射的，右方被認(rèn)為有障礙。 光敏傳感器 能力風(fēng)暴 個(gè)人機(jī)器人上有 2 只光敏傳感器，它可以檢測(cè)到光線的強(qiáng)弱。光敏傳感器其實(shí)是一個(gè)光敏電阻，它的阻值受照射在它上面的光線強(qiáng)弱的影響。能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)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(yáng)光或強(qiáng)光下幾十 Ω 。光敏傳感器很靈敏，若需要左右兩個(gè)光敏傳感器對(duì)光強(qiáng)的反應(yīng)非常一致，則把光敏傳感器對(duì)準(zhǔn)照度均勻的白墻進(jìn)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(guò)軟件進(jìn)行偏差值調(diào)整，光敏傳感器在能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人里表現(xiàn)出的光越暗，數(shù)值越大，光越強(qiáng)，數(shù)字越小是因?yàn)椋汗饷綦娮韬?10K 的電阻 R8， R10 相連后構(gòu)成分壓器。左右兩個(gè)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(shí)，光敏電阻上的電壓接近 5V，光強(qiáng)時(shí)，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(fēng) 能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人上的麥克風(fēng) (microphone)是能夠識(shí)別聲音聲強(qiáng)大小的聲音傳感器 ， 對(duì)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(fēng)采集到的信號(hào)通過(guò) LM386（ IC5）進(jìn)行放大，放大倍數(shù)為 200（由C13 確定），輸出信號(hào)接至 PE2。沒(méi)有聲音時(shí)，電壓為 2． 5V 左右，轉(zhuǎn)換為 8位二進(jìn)制數(shù)后得到的十進(jìn)制整數(shù)為 127 左右。 當(dāng)有聲音時(shí)， LM386 的輸出電壓在 上下波動(dòng)。 PE2 測(cè)得的電壓和 V 相減的絕對(duì)值越大，則聲音越大。如 MIC=100=(12727)與 MIC＝ 154=(127+27)表示兩次采集時(shí)的瞬時(shí)聲強(qiáng)是相同的 ,只是波動(dòng)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(pán)組成。能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)器人有 2只光電編碼器，運(yùn)用紅外發(fā)射接收模塊。反射器 (即碼盤(pán) )是黑白相間的鋁合金制成的圓片， 66等分。當(dāng)碼盤(pán)隨輪子旋轉(zhuǎn)時(shí)，黑條和白條交替經(jīng)過(guò)光電編碼器，反饋的信號(hào)狀態(tài)不同 ,即構(gòu)成一個(gè)脈沖。因此 360 度共產(chǎn)生 33 個(gè)脈沖，每個(gè)脈沖的分辨率約為 度，輪子直徑為 65mm，則周長(zhǎng)方面的分辨率約為 。碼盤(pán)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(lái)工作的。能力風(fēng)暴個(gè)人機(jī)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(shí)沒(méi)有反射信號(hào)，因?yàn)榧t外光大部分已經(jīng)被黑色輻條 吸收；當(dāng)紅外光射在白色輻條上時(shí)有反射信號(hào)，因?yàn)榧t外光在白輻條上反射強(qiáng)烈。 10 其他傳感器 人體熱釋片傳感器對(duì)移動(dòng)的人體熱源敏感，加上菲涅耳透鏡后可以探測(cè) 10 米外的人體。能力風(fēng)暴裝上 1 個(gè)或幾個(gè)人體熱釋片傳感器后，你可以讓他一看見(jiàn)你，就向你迎過(guò)來(lái)，讓他跟著你走。 超聲傳感器是機(jī)器人測(cè)距的專業(yè)傳感器，測(cè)量距離一般為 20cm6m，測(cè)量精度為 1%，是測(cè)量聲波發(fā)射與收到回波之間的時(shí)間差來(lái)測(cè)量距離的。運(yùn)用能力風(fēng)暴本體上帶的傳感器在房間里找到門不容易，但運(yùn)用聲納對(duì)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(cè)距紅外傳感器，測(cè)量范圍為10cm80cm，參加滅火比賽時(shí)，用它來(lái)找房間非常好。 想讓機(jī)器人動(dòng)態(tài)告訴你氣溫嗎？加一個(gè)溫度傳感器是個(gè)好方法。能力風(fēng)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(jī)制，以及如何處理現(xiàn)實(shí)情況的復(fù)雜性和難以預(yù)測(cè)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(duì)系統(tǒng)各模塊有了初始的設(shè)計(jì)。 通過(guò) 查閱 相關(guān)書(shū)籍和相關(guān)資料， 知道了 MC68HC11 系列 采用模塊化設(shè)計(jì) ， 各種不同型號(hào)的單片機(jī)可 由 不同的模塊組成 ，我選擇了 MC68HC11A1。這個(gè)型號(hào) 是其中的代表產(chǎn)品 ，它速度快、功能強(qiáng)、功耗低、可靠性高、價(jià)格低 。 由于程序代碼量也不是很大 ，為了合理完成對(duì)系統(tǒng)的控制， 我們選擇 68HC11A1 作為主控芯片 來(lái)完成對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 。 11 第 三章 機(jī)器人 硬件電路 設(shè)計(jì) 能力風(fēng)暴的輪子一共有四只，兩只主動(dòng)輪，兩只從動(dòng)輪，主動(dòng)輪帶動(dòng)整個(gè)能力風(fēng)暴機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，從動(dòng)輪起到平衡和導(dǎo)向的作用，在四只輪子的共同配合下能力風(fēng)暴機(jī)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(dòng) 作 ,將紅外發(fā)射器裝在能力風(fēng)暴的左前和右前 ,紅外接受模塊裝在能力風(fēng)暴機(jī)器人的前面 ,當(dāng)檢測(cè)到有障礙時(shí)，控制器會(huì)控制平移速度和旋轉(zhuǎn)速度的大小，從而避開(kāi)障礙。跟隨的原理和避障一樣，當(dāng)其檢測(cè)到有移動(dòng)的物體時(shí)，會(huì)跟隨上去，沒(méi)有檢測(cè)到時(shí)，會(huì)一直停在原地。主板設(shè)計(jì)框圖如下圖所示： 圖 能力風(fēng)暴機(jī)器人主板結(jié)構(gòu) 68HC11A1 最小系統(tǒng) 摩托羅拉 MC68HC11 單片機(jī)的最小系統(tǒng)， 即 單片機(jī)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(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)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(jī)內(nèi)部共有兩組電源，VDD 和 VSS 是給單片機(jī)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(dú)去耦，這樣可以減少模擬電路對(duì)數(shù)字電路的影響，保證了 MCU 核心 MC68HC11 穩(wěn)壓與低壓復(fù)位系 統(tǒng) 2 只光電編碼器 2 只紅外傳感器 LCD 喇叭驅(qū)動(dòng) 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 4 只碰撞傳感器 1 只麥克風(fēng) 2 只光敏傳感器 ASBUS 總線 串口通訊 12 的穩(wěn)定性同時(shí)提高了 A/D轉(zhuǎn)換的抗噪聲能力。 68HC11A8 的復(fù)位引腳是 RESET，該引腳低電平有效，當(dāng)該引腳保持低電平 8個(gè)時(shí)鐘周期則系統(tǒng)復(fù)位，該復(fù)位方式稱為外部復(fù)位 。該單片機(jī)還有內(nèi)部復(fù)位，內(nèi)部復(fù)位時(shí)該引腳自動(dòng)變?yōu)榈碗娖讲⒈３?4個(gè)時(shí)鐘周期后變?yōu)楦唠娖健? 另外，由于該單片機(jī)內(nèi)部有 EEPROM，為了防止 VDD 電壓過(guò)低造成 EEPROM 中數(shù)據(jù)丟失，在穩(wěn)定的系統(tǒng)中應(yīng)使用低壓保護(hù)電路，既電源電壓過(guò)低時(shí)在 RESET 引腳上產(chǎn)生低電平使系統(tǒng)復(fù)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(shí)電源穩(wěn)定，從而省略了低壓保護(hù)電路，直接讓 RESET 保持高電平，從而一直讓系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行而不復(fù)位。 外部時(shí)鐘輸入引腳是 XTAL 和 EXTAL。這兩個(gè)引腳直接接外部晶體振蕩器 為系統(tǒng)提供時(shí)鐘，這里選用 8M晶振，從而為系統(tǒng)提供時(shí)鐘。需要注意的是內(nèi)部時(shí)鐘的頻率是該晶振頻率的四分之一，既 2M。系統(tǒng)時(shí)鐘可以在 E管腳上輸出。 該單片機(jī)有兩個(gè)外部中斷引腳，分別為 IRQ 和 XIRQ 引腳。 IRQ 是異步中斷請(qǐng)求的輸入引腳，通過(guò)配置 OPTION 寄存器中的相應(yīng)位可以配置成下降沿觸發(fā)還是電平觸發(fā)，默認(rèn)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(jī)制是在 CPU 復(fù)位時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)將 CCR 寄存器中的 X位置位，此時(shí)所有中斷被屏蔽，而此后不能通過(guò)軟件設(shè)置來(lái)屏蔽這 個(gè)中斷，既這 CCR中這個(gè) 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(jī)工作模式，對(duì)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(gè)引腳分別為單片機(jī)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(fēng)暴機(jī)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(jī) ，在 Proteus 仿真平臺(tái)里搭建仿真環(huán)境，根據(jù)各部分需要的功能設(shè)計(jì)了以下模塊：電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊， 避 障模塊，地面 檢 測(cè)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(shè)計(jì)。因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)放在了基于 68HC11 單片機(jī)的底層軟件驅(qū)動(dòng)的開(kāi)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(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反 轉(zhuǎn) ，完成機(jī)器人行走、轉(zhuǎn)彎、后退功能，然后加入 避障 模塊的檢測(cè)，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(guò)不斷的參數(shù)對(duì)比來(lái)完成綜合的 避 障和 循跡 功能。在仿真結(jié)束 后 ，在能力風(fēng)暴機(jī)器人上再根據(jù)仿真的算法思想來(lái)設(shè)計(jì)具體的操作實(shí)物機(jī)器人的程序，完成實(shí)際機(jī)器人的 避 障和 循跡 等所有功能 。 13 復(fù)位及啟動(dòng)方式 計(jì)算機(jī)有多種復(fù)位方式：上電自動(dòng)復(fù)位；外部 RESET 復(fù)位；看門狗復(fù)位（軟件工作不正常時(shí)）；時(shí)鐘監(jiān)視復(fù)位。能力風(fēng)暴采用前兩種復(fù)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(shí)現(xiàn)的。 只能是先有了應(yīng)用程序并寫(xiě)入片子中 ， 才能使之工作在單片方式下。在我們學(xué)習(xí)和開(kāi)發(fā)單片機(jī)時(shí) ， 顯然不適合這種工作方式。 單片機(jī)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(kuò)展 RAM和 EPROM,，擴(kuò)展 I/ O。這給用戶開(kāi)發(fā)程序帶來(lái)了極大的方便。這種方式的缺點(diǎn)是擴(kuò)展地址和數(shù)據(jù)總線占用了兩個(gè) 8位的 I/ O 端口 ， 而另外擴(kuò)展出兩個(gè) 8 位并行口并不困難。當(dāng)開(kāi)發(fā)工作基本完成后 ， 回到單片方式去 ， 將兩個(gè)并口還給系統(tǒng) ， 這種工作方式是開(kāi)發(fā)階段最適用的。 在自引導(dǎo)模式下 ， 單片機(jī)加電復(fù)位后 ， 可以從串行口向芯片內(nèi)部的 256 個(gè)字節(jié) RAM中裝入一段程序 ， 并開(kāi)始執(zhí)行這段程序?？梢韵胂?， 裝入的程序不同 ， 單片機(jī)能實(shí)現(xiàn)很多不同的功能。例如對(duì)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(yīng)用 程序在 ROM 中才行 ， 只能等到對(duì) 68HC11 應(yīng)用嫻熟時(shí)才能用得巧妙。 該模式用于工廠中對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試 ， 對(duì)這種模式暫不考慮。確切地說(shuō) ， 工作模式的確定是靠 68HC11 復(fù)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(xiě)寄存器指令在程序中進(jìn)行。 各模式和對(duì)用 MODEA 和 MODEB 對(duì)應(yīng)電平： 單片模式 （ 01） 擴(kuò)展模式 （ 11） 測(cè)試模式 （ 10） 自引導(dǎo)模式 （ 00） 檢測(cè) 模塊 硬件仿真 碰撞模塊仿真 智能機(jī)器人 通常用行程開(kāi)關(guān)裝在機(jī)器人的周圍來(lái)感知碰撞，在機(jī)器人碰到障礙物時(shí)相應(yīng)方向的行程開(kāi)關(guān)接觸，從而產(chǎn)生電平變化信號(hào)，由單片機(jī)掃描檢測(cè)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(jī)器人轉(zhuǎn)向從而避開(kāi)障礙物。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)容易，軟件調(diào)試和編程也相對(duì)簡(jiǎn)單容易。但是該方法由于檢測(cè)方法的限制，只能在機(jī)器人發(fā)生碰撞以后才能檢測(cè)，不能預(yù)先檢測(cè)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