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1、SPCE061A勺教育机器人硬件平台设计，机器人，嵌入式系统，SPCE061A引言当今机器人技术发展如火如荼，其应用已在包括国防等众多领域得到广泛开展，工业自动化，神五、神六升天，无人探月飞船无不得益于机器人技术勺迅猛发展。从某种意义上说，机器人技术水平反映着一个国家勺综合技术实力勺高低。另外，国家对学生素质教育重视程度不断提高，教育部最新颁布勺信号技术课程标准已将智能机器人技术列为中学信息技术课程中勺教学内容，广大中小学生和教师都渴求一种支持和激发学生创造性思维、引言当今机器人技术发展如火如荼，其应用已在包括国防等众多领域得到广泛开展，工业自动化，神五、神六升天，无人探月飞船无不得益于机器人
2、技术勺迅猛发展。从某种意义上说，机器人技术水平反映着一个国家勺综合技术实力勺高低。另外，国家对学生素质教育重视程度不断提高，教育部最新颁布勺信号技术课程标准已将智能机器人技术列为中学信息技术课程中勺教学内容，广大中小学生和教师都渴求一种支持和激发学生创造性思维、寓教于乐勺智能教育机器人平台，而在工业、医疗、军事领域勺智能机器人造价昂贵，不宜中小学生学习使用，在这种背景下，我们研制开发了一种具有较高性价比勺嵌入式教育机器人通用平台，定位于中小学信息技术课程教学、课外科普教育活动以及相关竞赛。该系统的核心是以智能小车为载体的基于SPCE061/微控制器的嵌入式控制平台及编程环境，在该机器人平台上配
3、有各种传感器(红外、超声和光敏等)和驱动电机接口，用户可在PC机的编程环境中完成控制及算法程序的编写，通过通信接口下载到机器人平台上。1机器人硬件平台的研制本设计以凌阳SPCE061A微控制器为核心，通过红外和光电等各种传感器采集外部数据，利用PWM技术实时调整小车的速度和方向，实现小车寻迹、寻找光源、躲避障碍物、入库等自动控制。系统框图如图1所示，车上装载的各种传感器通过后向反馈通道将信息不断传递给车载微控制器，微控制器通过前向控制通道实时调整小车的行车状态，从而构成闭环控制系统。SPCE061ASPCE061A!凌阳推出的卩nSP(MicrocontrollerandSignalProce
4、ssor)16位微控制器，其结构框图如图2所示。该控制器资源丰富，具有极高的性价比，它内置32K字Flash，2K字SRAMCPU时钟最高达49.152M赫兹，32位I/O端口，2路D/A转换，8路A/D转换，14个中断源以及可在线仿真等，使得SPCE061A勺工控能力非常强，可很容易地实现机器人的控制，另外，它采用CMO制造工艺，同时增加软件激发的弱振方式，空闲方式和掉电方式，极大地降低其功耗，并能在低电压供电(最低至2.4V)时正常工作，这对机器人对电源的要求有着特殊的意义。图3为智能小车机器人平台电路原理框图。它由SPCE061A和红外避障、自动泊车、寻线、超声测距、码盘测速和电机驱动等
5、功能模块组成。功能模块(1)红外避障红外发射电路如图4(a)所示，D1是红外发射管，控制信号由SPCE061A勺I/O端口发出。红外接收电路如图4(b)所示，U1是一种红外接收模块，采用韩国Kodenshi公司的KSM-603LM其接收频率为37.9K赫兹，它直接将37.9K赫兹的调制信号解调为基带信号，提供给接收的单片机，该芯片接收灵敏度高，性能稳定，其基本工作过程为：当接收到37.9K赫兹信号时，输出低电平，否则，输出高电平，为了实现红外障碍物判断，必须控制红外响应的范围，其方法无外乎控制通过红外发射管的电流和发射频率，因为红外接收模块有带通滤波器，所以，如果发射频率偏离接收频率越远，则红
6、外接收效果越差，在这里，用软件的方式控制发射频率来控制红外发射响应的范围。2)自动泊车在小车的前端放置3个灵敏度较小的光电池，加上一定的聚光措施，将测得的模拟电信号输入到SPCE061A勺ADC端口，由于光源的功率一般较大，为避免小车来回摆动，通过A/D转换后的模糊比较，及时调整小车前进方向，使小车沿光源方向行进，如图5所示(3)寻迹寻迹一般采用2.2cm宽的白线，在车前端下面间隔2cm左右放置6个反射式光电检测开关，实时计算采集的信号，运用模糊算法调整跟踪白线。(4)超声测距超声探测模块主要由超声波发生电路和超声波接收电路组成，其基本原理很简单，一般采用时差法，即通过检测发射的超声波与其遇到
7、障碍物后产生回波之间的时间t，求出障碍物的距离d。计算公式为：d=ct/2式中：为超声波速度，9为环境温度，单位为摄氏度，其详细电路和说明见参考文献1。（5）码盘测速常用的码盘测速机构一般比较复杂，制造也比较麻烦，笔者使用一种简易的码盘模拟方法实现测速：打印出黑白相见的环形纸张，粘贴固定车轮内环。其工作原理为：TCRT100发射红外线，由于黑、白两种颜色对红外的吸收不一而反射输出相反的电平，实现脉冲计数，从而计算出的小车行驶速度，该方法精度可达毫米级，并可通过控制打印黑白个数，调节精度。此方法缺点之一是对环境光线要求较高，但对于教育机器人精度，此法是简单可行的。图6为采用TCRT1OO0勾成的
8、简易码盘测速机构。（6）驱动电路目前轮式机器人平台多采用前后轮分别控制的方式，普通直流电机驱动后轮提供动力，步进电机驱动前轮调整方向。这种方式的驱动机构复杂，控制算法也比较复杂，并且转向不够灵活，图7选用左右轮分别控制小车的方案，各用一个普通直流电机控制小车的左右轮，通过左右轮速度的调节即可实现转向，控制非常方便，还可实现原地转动。驱动电路的选择也是非常重要的，通常选用的驱动电路是由晶体管控制继电器来改变电机的转向和进退。这种方法适用于大功率电机的驱动，但对于中小功率的电机则极不经济，因为每个继电器要消耗20100mA勺电流。还可以使用组合三极管/MOSFE管的方法，但比较麻烦，电路也比较复杂
9、，笔者采用集成电路的驱动方法，极大增强了电路可靠性和简明性。选用SGS公司的恒压恒流桥式驱动芯片L293,其内部包含4通道逻辑驱动电路，额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss为集成芯片工作电压，电压最小为4.5V，Vs为输出给电机的电压，最大可达36V,Vs电压必须比Vss电压高由L293构成的电机驱动电路如图8所示。直流电机转速采用SPCE061AS路PWM控制输出电压，通过编程使占空比以1/16的最小间隔在1/1614/16间变化，以实现速度的调节。1.1 系统整体实现以SPCE061A为核心的教育机器人硬件平台，功能齐全，外围电路简单，可维护性强，其软件编程采用C语言和汇编语言混合编程实现，极大程度地简化了编程过程，丰富了编程思想，给学习开发者带来莫大的方便。另外，系统把暂未使用的I/O口引出，极方便今后的功能扩展。2总结该智能教育机器人系统以性价比较高的SPCE061A微控制器为核心，集成了常见的超声、红外和光敏等传感器和电机控制模块，基本具备了一个简单机器人的各个组成部分。整个硬件系统结构简洁明了，扩展性好，同时又极好的控制了系统成本，使大部分学生都可以将其作为实验平台。通过编程控制机器人的行为培养他们的逻辑思维能力。
