機(jī)器人技術(shù)電路設(shè)計(jì)圖集錦

器發(fā)射超聲波。

　　圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號(hào)通過電容C2隔除掉了信號(hào)中的直流量并給超聲波換能器 MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，該信號(hào)通過反向器U1C變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大，C2隔除直流信號(hào)后加在超聲波換能器MA40S2S進(jìn)行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長時(shí)間加直流電壓，會(huì)使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進(jìn)行隔除直流處理。 U2A為 74ALS00與非門，control_port（控制端口）引腳為控制口，當(dāng)control_port為高電平時(shí)，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。

　　圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對換能器接收到的信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過三級(jí)放大后，通過電壓比較器LM339將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL脈沖信號(hào)。INT_Port與單片機(jī)中斷管腳相連，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)立即進(jìn)入中斷并對超聲波信號(hào)進(jìn)行處理和判斷。

　　根據(jù)競技機(jī)器人的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖所示。中央處理器采用微控制器結(jié)構(gòu)，用以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行。舵機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向；驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車輪旋轉(zhuǎn)。電磁鐵作為機(jī)械手夾緊的執(zhí)行元件。設(shè)置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測輸入和8路開關(guān)量檢測接口。

　　TOP6 機(jī)器人接觸式物體探測技術(shù)電路設(shè)計(jì)

　　下圖中給出使用導(dǎo)電橡膠片的比較合理的接口電路。導(dǎo)電橡膠片和一個(gè)3.3k電阻串聯(lián)在地與電源正電壓之間形成了分壓器。當(dāng)導(dǎo)電橡膠片受壓時(shí)，傳感器的輸出端的電壓就會(huì)變化。傳感器的輸出端就是壓電片和電阻之間的一點(diǎn)，此信號(hào)連接到比較器339的反向輸入端引腳上。當(dāng)壓電片的電壓超過了比較器的參考電壓時(shí)，比較器輸出狀態(tài)改變，就表示碰撞發(fā)生了。這個(gè)比較器的輸出可以用來驅(qū)動(dòng)一個(gè)控制馬達(dá)方向的繼電器上或者直接連接到一個(gè)微處理器或計(jì)算機(jī)端口上。

　　多路碰撞開關(guān)

　　當(dāng)有許多開關(guān)或者近距離探測設(shè)備布置在機(jī)器人的周圍時(shí)會(huì)怎樣呢？不得不把每個(gè)開關(guān)的輸出連接到電腦里，但是那樣做浪費(fèi)了很多外設(shè)端口。一個(gè)比較好的解決辦法是利用一個(gè)優(yōu)先編碼器或者多路轉(zhuǎn)換器。這兩個(gè)方案允許在一條公共控制線路上連接多個(gè)開關(guān)。機(jī)器人的微處理器或計(jì)算機(jī)將查詢這條控制線，而不是每個(gè)開關(guān)或近距離探測設(shè)備。

　　使用優(yōu)先編碼器電路設(shè)計(jì)

　　下圖中的電路使用了一塊74148優(yōu)先編碼器集成塊。

　　集成塊的輸入端就是那些開關(guān)的輸出。　當(dāng)一個(gè)開關(guān)閉合，相應(yīng)的二進(jìn)制編碼就會(huì)出現(xiàn)在A-B-C輸出引腳處。對于優(yōu)先編碼器，只有開關(guān)中最高的值才能在輸出端顯示出來。換句話說，如果開關(guān)4和7都閉合了，那么輸出端只能反應(yīng)引腳4閉合。

　　使用電阻分壓排電路設(shè)計(jì)

　　如果機(jī)器人的計(jì)算機(jī)或者微控制器中有模一數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或者可以添加一個(gè)，就能以另一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路開關(guān)接口：電阻分壓排。概念十分簡單，像圖18 所示。每個(gè)開關(guān)通過一個(gè)電阻的一端接地，而+V電壓串接另一電阻到各開關(guān)上。多個(gè)開關(guān)則并行接入ADC的輸入端，如圖所示。這些電阻形成了一個(gè)分壓器。由于每個(gè)電阻值都不同，所以當(dāng)某一開關(guān)閉合時(shí)，對應(yīng)的電壓值都是獨(dú)一無二的。注意，由于電阻是并聯(lián)的，所以一次可能有多個(gè)開關(guān)閉合。從而得到一個(gè)中間值。要對連接每個(gè)開關(guān)的電阻值進(jìn)行摸索實(shí)驗(yàn)以獲得最大的靈活性。

　　TOP7 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的智能跟隨功能是通過紅外實(shí)現(xiàn)的，音樂機(jī)器人上的紅外接收器感知到紅外線時(shí)，會(huì)追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時(shí)，會(huì)原地旋轉(zhuǎn)重新搜索紅外發(fā)射源，直至 重新 定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個(gè)紅外發(fā)射管組成，將10 個(gè)紅外發(fā)射管均勻擺放在一個(gè)球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線，保證音樂機(jī)器人更加快速準(zhǔn)確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻 率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個(gè)普通I/O 引腳，控制紅外線的通斷，即接通4 ms，然后關(guān)斷11 ms，反復(fù)進(jìn)行接通與關(guān)斷。 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。

　　紅外接收裝置采用2 個(gè)紅外接收器1838，分別安裝在音樂機(jī)器人的頭部和尾部。兩個(gè)接收器的輸出引腳分別連接單片機(jī)的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發(fā)射源的方位，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向外發(fā)射源的方向前進(jìn)。

　　圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路

　　拍手信號(hào)捕獲電路設(shè)計(jì)

　　電路利用麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，然后利用LM324 對采集來的信號(hào)進(jìn)行比例放大，放大的比例為100 倍，然后接過兩個(gè)1N5819 和一個(gè)104 獨(dú)石電容進(jìn)行包絡(luò)線檢測，最后利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。機(jī)器人的移動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，即控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用SGS 公司的L298N，內(nèi)部有4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。用三極管組成H 型平衡橋，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。同時(shí)H 型PWM 電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。

　　圖5 拍手信號(hào)捕獲電路

　　直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

　　電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于3 個(gè)因素：負(fù)載、電壓和電流。對于一個(gè)給定的負(fù)載，可以通過脈沖寬度調(diào)制的方法來使電機(jī)保持穩(wěn)定的速度。通過改變施加在直流電機(jī)上的脈沖寬度，可以增加或減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整脈沖寬度，即改變占空比，調(diào)整電機(jī)的速度。驅(qū)動(dòng)板采用6 個(gè)高速光耦6N137 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路之間的相互干擾。驅(qū)動(dòng)板的電路原理圖如圖6 所示。

　　圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

　　通過軟件編程可以自由改變單片機(jī)兩路PWM脈沖信號(hào)的占空比，電機(jī)的A 端連接PWM 脈沖信號(hào)，電機(jī)的B 端連接單片機(jī)的一個(gè)I/O 引腳。當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置1 時(shí)，電流從電機(jī)的B 端流向電機(jī)的A 端;當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置0 時(shí)，電流從電機(jī)的A 端流向電機(jī)的B 端，這樣電機(jī)就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)控制PWM 脈沖信號(hào)的占空比值還可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。

　　TOP8 吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　紅外接近傳感器電路設(shè)計(jì)

　　反射式光電開關(guān)是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，當(dāng)有障礙物阻攔時(shí)光線能夠反射回來，輸出為低電平信號(hào)；當(dāng)沒有障礙物阻攔時(shí)，光線不能反射回來，輸出為高電平信號(hào)。吸塵機(jī)器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發(fā)射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過38kHz晶振和非門電路得到一個(gè)38kHz的調(diào)制脈沖信號(hào)；利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管（TSAL6200）的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收。通過接收頭（HS0038B）內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸入到微控制器的I／O口，如圖3所示。接收頭如果接收到38kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過對I／0口的檢測，便可以判斷物體的有無。

　　兩種電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

　　在小功率系統(tǒng)中，直流電機(jī)線性特性良好，控制性能優(yōu)越，適合于點(diǎn)位和速度控制。為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，只需要改變電機(jī)電源電壓的極性。電壓極性的變化和運(yùn)行時(shí)間的長短可以由處理器實(shí)現(xiàn)，而提供直流電機(jī)正常運(yùn)行的電流則需要驅(qū)動(dòng)電路。

　　H橋式驅(qū)動(dòng)電路是比較常用的驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)兩個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分立器件功率場效應(yīng)管和續(xù)流二極管搭建，成本低，便于散熱，如圖所示。

　　用ARM7的P0．8和P0．9來控制電機(jī)，這兩個(gè)管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)輪上帶有編碼器，可以對行走的路程進(jìn)行檢測。通過航位推算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機(jī)器人光電碼盤的分度數(shù)為N；控制器收到的脈沖數(shù)為m；輪子的直徑為D；兩個(gè)輪子之間的間距為W，則輪子前進(jìn)的距離即可算得。

　　清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，有著巨大的市場潛力和廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和微處理器的不斷進(jìn)步，價(jià)格也在不斷下降。在此研究和設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM7微處理器的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，不僅滿足了實(shí)用性的要求，而且在不增加成本的基礎(chǔ)上為軟件提供了良好的硬件支持，為更好的算法和軟件升級(jí)提供良好的技術(shù)支持。若讀者對機(jī)器人技術(shù)感興趣，不妨多探討一下未來發(fā)展趨勢以及最新革新技術(shù)走勢等等。

　　TOP9 基于AT89C52自動(dòng)追蹤紅外線源機(jī)器人電路設(shè)計(jì)

紅外線傳感器電路下見圖。在機(jī)器人左、中、右三個(gè)方向放置傳感器以檢測紅外線發(fā)射源的位置，當(dāng)某個(gè)傳感器接收到紅外線源后輸出一個(gè)下降沿至74121的 4腳A2端，根下?lián)D中電容C4、C5