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1、第3章传感器、微处理器与驱动器3.1. 智能机器人的三大要素人对周围环境的反应过程主要是感觉大脑思考作出反映，机器人的信息处理流程 也是如此。能力风暴智能机器人的配有 5 种十几个传感器，另外还可以根据需要扩展其他传感器， 对环境的感知能力很强。感知环境的能力是产生智能行为的前提，因此能力风暴能产生许多 智能性行为。能力风暴通过微控制器（microcontroller）来思维。我们采用的是 Motorola 公司 8 位单片机中功能最强、集成功能最全的高档机种。它的可靠性很高，有程序自下载功能。能 力风暴连上串口线就可自动下载程序。计算机硬件决定了机器的极限潜能，去开发这种潜能是软件的工作。我
2、们为用户提供 了交互式图形化编程 C 语言VJC，它使开发能力风暴的高层行为充满了乐趣。有的低层的 驱动软件与硬件相关太紧密或实时要求很高，需要用汇编语言来处理。能力风暴智能机器人的执行器有：二只高性能直流电机；一只喇叭；一只 2*16 字符的 液晶显示器。4只碰撞传感器2只红外传感器稳压与低电 压复位系统电机 2只直流电机 驱动2只光敏传感器2只光电编码器外部存储器单片机BUS喇叭 驱动LCD喇叭1只麦克风直流 1只直流电机 驱动 或伺服电机各种外部 扩展卡ASBUS 串口 总线 通讯PC图 31 能力风暴智能机器人的系统结构3.2. 能力风暴的传感器及其处理电路3.2.1.碰撞传感器碰撞传
3、感器是使能力风暴智能机器人有感知碰撞环上的碰撞信息能力的传感器。在能力 风暴智能机器人的左前、右前、左后、右后设置有四个碰撞开关（常开），它们与碰撞环共 同构成了碰撞传感器(见图 3.2)。碰撞环与底盘柔性连接，在受力后与底盘产生相对位移， 触发固连在底盘上相应的碰撞开关，使之闭合。我们把来自四周的碰撞分为八个方向(见图3.3)。图 3.2 碰撞开关及碰撞环图 3.3 碰撞传感器方位应用我们在 VJC 环境中，编写一个碰撞检测程序，来理解如何在程序中使用碰撞开关。VJC 图形编辑界面参见图 1-4：1进入 VJC 的图形化编程界面，将“控制模块库“中的“永远循环”模块拖入到流程图生 成区并与“
4、主程序”相连；2将“传感器模块”库中模块连接到循环内部，见图 3-6；3将“执行器模块”中的“显示模块”连接到程序中；4设置“显示”模块（见图 3-5），在“显示”模块上点击右键，在弹出“设置显示模块”对话框选中“引用变量”，会出现“变量百宝箱”对话框，点击“碰撞检测”图标，在碰撞变量引用中点击“碰撞变量一”，按确定键；5在“显示”模块正下方，连接“任务结束”模块，完成碰撞检测程序的编写。图 3-5 VJC 碰撞显示变量设置图图 3-6 碰撞检测程序流程下载并运行此程序，观察 LCD 上的显示：bmp_1=0（表示此时没有碰撞） 若前碰撞受到碰撞，LCD 上显示：bmp_1=4（表示左后方受到
5、碰撞）在其它方向施加碰撞，LCD 显示的值将不同，四个方向发生碰撞时返回值的意义为：1= 左前方受碰，2=右前方受碰，4=左后方受碰，8=右后方受碰。上面我们使用的是 VJC 的图形编程方式编的程序，我们再用 JC 语言编写下面的程序来 理解碰撞传感器是如何工作的。在 JC 语言中，碰撞传感器的库函数是 bumper()，在程序运行过程中此库函数仅在被调 用到时执行一次，即采集数据一次。因此要连续查询碰撞传感器的状态就要在 VJC 交互式调 试窗口一行编辑框中输入如下程序块：while(1) printf(bump=%dn,bumper();wait(0.1); 按回车，JC 能立即编译这一段
6、程序并下载运行，LCD 上显示：bump=0（表示此时没有碰撞）（VJC 的这种交互式能力特别便于调试、测试和学习） 按左前碰撞环，LCD 上显示：bump=5。在其他方向施加碰撞，显示的值将不同。各个方向发生碰撞时返回值对应关系如下：无 0,左前 1，右前 2，左后 4，右后 8安装以下是碰撞传感器的接线图左后右后左前右前图 3.4碰撞传感器的接线图用户在使用时只需将碰撞开关的组合插针以正确的方向插入相应的位置即可。碰撞开关图 3.5碰撞传感器的插针位置图原理到此，碰撞传感器已经能够被用户直接使用。但是，对应于每一个方向的碰撞，用户是怎样得到一个二进制数值的呢？ 在能力风暴智能机器人里，四个
7、碰撞开关接在一个电阻网络里，通过采集模拟口 PE3上电压值的变化，来识别出哪个或哪些碰撞开关闭合，从而判断出哪个方向有碰撞。同样， 在 VJC 交互信息窗口上方一行编辑框中输入如下程序块：while(1) printf(pe3=%dn,analogport(3);wait(0.1); 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示：pe3=1(表示此时无碰撞)在各个方向上按压碰撞环，pe3 返回值各不相同，这些值是 pe3 上电压值通过模数转换（模拟量转化为数字量）得到的结果。它们不直观，也不方便记忆。对此在库函数中进行了 变换，将模拟口上采得的电压值变为直观表示各个方位的四位二
8、进制数（参看 VJC10robotsAS-UIIlibslib_AS_MII.jc中的子函数 int bumper()，这样就得到了在应 用中的对应关系、计算方式和调用方法。1K1K2K3.9K图 3.6碰撞传感器的电路图范例void main()int bumpvalue;/* 定义整形变量*/while(1)bumpvalue=bumper();/* bumper（）将返回碰撞检测值*/printf(bump=%bn,bumpvalue);/*以二进制形式打印出碰撞传感器的检测值*/wait(0.5);/*等待0.5秒*/运行以上程序，前后左右按碰撞环，可直接从显示屏上读出显示值。3.2.
9、2.红外传感器能力风暴运用了 2 只红外发射管（970nm）和一只红外接收模块构成红外传感系统（见 图 3.7），主要用来检测前方、左前方和右前方的障碍，检测距离范围为 1080cm。用户可 以通过调节两个电位器来调节左右两个红外的检测距离，顺时针红外发射强，检测距离远， 逆时针红外发射弱，检测距离近。注意强红外线可以穿透塑料，在机器人的上盖中传播，造 成接收信号始终表现为有障碍。解决办法是在红外发射管上套上黑纸环，使其侧面不能透出 红外线。同时也要避免地面的反射影响。逆时针将电位器旋转到底时将关闭红外线发射管。 主板中的 XT2 为 38kHz 的晶体，它将红外光发射的调制频率固化在 38K
10、Hz 左右，这是红外接 收模块中带通滤波器的中心频率。红外光发射器红外接收器图 3.7红外传感器 图中可以看出红外发射管的头部象一个发光二极管，它是两针的；红外接收器的头部是个集成块，它是三针的。 安装红外传感器的插针是有方向性的，用户自己拆卸、安装时应注意方向。红外线发射接 口 IRR 和 IRL 的正极已经标出，插反不会损坏元件，但传感器会不工作。红外线接收模块的 正确接法是将紫色线朝向主板上边中间的缺口，如果插反不会损坏器件，但错位有可能损坏 红外接收模块。装好以后可用下面介绍的语句检测一下。左红外发射左发射调节红外接收右发射调节右红外发射图 3.8红外传感器插针位置图应用在 JC 语言
11、中，红外传感器的库函数是 ir_detector()，在程序运行过程中此库函数仅在被调用到时执行一次，即采集数据一次。 在 JC 对话窗口中输入如下程序块：while(1) printf(ir=%bn, ir_detector();wait(0.5); 按回车，JC 能立即编译这一段程序并下载运行，LCD 上显示：ir=0（表示此时没有障碍） 用一张白纸分别挡在能力风暴智能机器人的前方、左方和右方，液晶显示器上显示的 ir 的 值都不一样，可总结如下：无障碍左方右方前方 十进制表示：0124原理红外接收模块集成了红外接收管、前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器、 整前电路和输出放大电
12、路，灵敏度很高。有时从红外管侧面和后面漏出的红外光也会被接受 模块探测到，在能力风暴智能机器人上，两个红外发射管和一个红外接收器都是先装在套管 里再固定在外壳上的，有效的避免了这种情况的发生。用户在自己扩展红外传感器时，如果 遇到这种情况，只需用黑胶布把发射管的侧面和后部包住即可。红外传感器是靠发射并接收由障碍物反射回来的红外光来判断是否有障碍（如图 3.9）。图 3.9 红外测障原理图图 3.9 中所示即为前方有障碍时的情况，红外光以 60 度的散角向外发射，阴影区域分别是 左右两个红外的反射光区域，而红外的接收模块正好处于左右两个反射光区域内，能接收到 左右两个红外发射管的反射光，由前所述
13、即认为此时前方有障碍，事实也是如此。在此，应特别注意红外接收模块只是在接收到了一定强度的红外光时才起到质的变化，认为有障碍。所以，当障碍物太细时，能力风暴智能机器人会检测不到；当障碍物是黑色或 深色时，会吸收大部分的红外光，而只反射回一小部分，有时会使接收模块接收到的红外光 强度不够，不足以产生有障碍的信号。下面是红外传感器的电路图：C30U6A1 274HC14U6B3 474HC14R243K9 D2PD2U6E11 1074HC14AR1VM6CK332 R91KVCCR29100Q3IRL CL5RR30R263K9IRMOLDR314722pR231N4148U6FAR29012IRRC31 2200pXT238Khz1MR15R253K9 D3PD313 1274HC14VM6CK332 R101K100Q49012CL5R603M C2312KP
