摘 要： 教育機(jī)器人有其靈活性和精確的優(yōu)點(diǎn),，并且易用,、易學(xué)和擴(kuò)展性強(qiáng)，因而在社會有其廣大的市場和發(fā)展前途,。介紹了紅外測距模塊猶如機(jī)器人的眼睛,，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能，并且通過液晶顯示使人們知道機(jī)器人離障礙物的精確距離,，從而更加靈活控制機(jī)器人,。
關(guān)鍵詞： 教育機(jī)器人；凌陽單片機(jī),；紅外測距,；液晶顯示；A/D轉(zhuǎn)換
0 引言
針對目前市場上教育機(jī)器人存在的不足,，研究更加靈活,、易用,、易學(xué)和擴(kuò)展性強(qiáng)的教學(xué)機(jī)器人，服務(wù)于小學(xué)的機(jī)器人技術(shù)教育,、信息技術(shù)教育,、電子技術(shù)教育、小學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì),。本文主要針對機(jī)器人的紅外測距和液晶顯示兩個模塊的硬軟件設(shè)計(jì)以及A/D轉(zhuǎn)換的過程進(jìn)行了較詳細(xì)的論述。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)的核心是一個基于凌陽SPACE061A微控制器的可擴(kuò)展的控制平臺[1],。
此教育機(jī)器人利用具有強(qiáng)大擴(kuò)展功能的凌陽單片機(jī)與模擬輸出的Sharp GP2D12紅外測距傳感器模塊硬件相連并通過C語言程序的軟件支持來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的測距,，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能。同樣采用SMC1602C液晶顯示模塊來實(shí)現(xiàn)對測量距離的精確顯示,，從而使人們很直觀地知道機(jī)器人（車）與障礙物的距離,，從而更加靈活地控制機(jī)器人。同時利用凌陽單片機(jī)的8通道10位精度的A/D轉(zhuǎn)換模塊的其中一個通道（其中一個通道專為聲音模數(shù)轉(zhuǎn)換器,，有聲音錄放功能）把來自紅外測距模塊的距離轉(zhuǎn)化的電壓模擬輸出量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量,。此機(jī)器人體積小，功耗低,，并且測量轉(zhuǎn)換精度高,，能夠在線下載程序；其圖形化C語言編譯器基于流程圖的圖形化交互式C語言,，簡單直觀,，易于小學(xué)生學(xué)習(xí)和使用，適合小學(xué)生的思維方式[2],。
1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
教育機(jī)器人硬件系統(tǒng)主要由SPCE061A單片機(jī),、紅外測距模塊、液晶顯示模塊,、電源,、下載口、晶振和復(fù)位電路組成,，如圖1所示,。其中，凌陽單片機(jī)是機(jī)器人的心臟和核心部分,，與外接功能模塊相連,，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化、輸入輸出和處理功能,，從而使各模塊能夠正常運(yùn)行和實(shí)現(xiàn)各模塊的協(xié)調(diào)工作,。紅外測距模塊：采用模擬輸出的Sharp GP2D12距離傳感器，測量機(jī)器人與外界障礙物的距離,，并把數(shù)據(jù)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給單片機(jī)處理,，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的避障功能,。液晶顯示模塊：采用SMC1602C液晶顯示模塊，單片機(jī)把輸入的距離信號傳輸給液晶顯示模塊,，從而實(shí)現(xiàn)對測量距離的精確顯示,，使人們很直觀地知道機(jī)器人（車）與障礙物的距離，從而更加靈活地控制機(jī)器人[3],。電源模塊：由帶鎖開關(guān),、電壓調(diào)整器SPY0029芯片、三端穩(wěn)壓器7805模塊,、發(fā)光二極管,、穩(wěn)壓管、電容電阻等器件組成,，為單片機(jī)和各模塊提供12 V,、 5 V、3.3 V的電壓,，保證單片機(jī)和各模塊能夠正常工作,。外部上電復(fù)位：通過某種方式，使單片機(jī)內(nèi)存各寄存器的值變?yōu)槌跏嫉牟僮鞣Q為復(fù)位,，由復(fù)位鍵,、電容電阻、LED指示燈組成,，其目的是為了通過對系統(tǒng)的電源電壓進(jìn)行監(jiān)控,，而使系統(tǒng)運(yùn)行在一個正常、可靠的工作環(huán)境,，并在一旦出現(xiàn)電源異常的情況下能立即采取相應(yīng)的措施,，使系統(tǒng)及時恢復(fù)正常。晶振模塊：由32 768 Hz的晶振和兩個電容構(gòu)成,，作為單片機(jī)的時鐘信號,，為單片機(jī)提供系統(tǒng)時鐘、實(shí)時時鐘和時間基準(zhǔn)信號,，從而保證單片機(jī)正常運(yùn)行和程序的執(zhí)行,。下載口：由數(shù)據(jù)緩沖器74HC244和電容、電阻,、穩(wěn)壓管等組成,。用隨機(jī)帶有的一根連接電纜與計(jì)算機(jī)打印機(jī)端口連接，即在線調(diào)試或把寫好的程序直接下載到機(jī)器人控制器中,。
2 紅外測距模塊原理
圖2反映了紅外測距的原理,，如圖知道了距離L和角度?茲，根據(jù)簡單的數(shù)學(xué)方法即可求出障礙物與機(jī)器人（車）的距離Z,。圖3為GP2D12的輸入輸出關(guān)系曲線,。
從圖3可以看出電壓與距離的變化關(guān)系不是成線性的,，其關(guān)系曲線為下降拋物線，距離測量范圍為10~80 cm,，電壓范圍是0.4~2.5 V,。
因?yàn)镚P2D12輸出的距離信號是電壓模擬信號，所以要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后,，才能夠被單片機(jī)接收和處理,，因此A/D轉(zhuǎn)換至關(guān)重要，但因?yàn)榱桕枂纹瑱C(jī)內(nèi)置7通道10位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）,，所以GP2D12可以直接與凌陽單片機(jī)相連,。SPCE061A有8路可復(fù)用10位ADC通道，其中一路通道（MIC_In）用于語音輸入,，模擬信號經(jīng)過自動增益控制器和放大器放大后進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。其余7路通道（Line_In）和IOA[0~6]管腳復(fù)用,，可以直接通過引線（IOA[0~6]）輸入,，用于將輸入的模擬信號（如電壓信號）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。它由DAC0和逐次逼近寄存器SAR（Successive Approximation Register）組成,。所以其A/D轉(zhuǎn)換的原理是逐次逼近式,，即：首先將SAR中數(shù)據(jù)的最高有效位試設(shè)為‘1’，而其他位則全設(shè)為‘0’,，即10 0000 0000B,。這時，DAC0輸出電壓VDAC0（1/2滿量程）就會與輸入電壓Vin進(jìn)行比較,。如果Vin>VDAC0,，則保持原先設(shè)置為‘1’的位（最高有效位）仍為‘1’；否則,，該位會被清‘0’,。接著，逐次逼近式控制又將下一位試設(shè)為‘1’,，其余低位依舊設(shè)為‘0’,，即110000 0000B，VDAC0與Vin進(jìn)行比較,，若Vin>VDAC0,，則仍保持原先設(shè)置位的值，否則便清‘0’該位,。這個逐次逼近的過程一直會延續(xù)到10位中的所有位都被測試之后,，A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果保存在SAR內(nèi)。這種轉(zhuǎn)換具有精度高,、速度快,、轉(zhuǎn)換時間固定的優(yōu)點(diǎn),，從而保證了液晶顯示的及時性、精確性[4],。
3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)
軟件的編程主要是實(shí)現(xiàn)紅外測距模擬電壓量的A/D轉(zhuǎn)換處理,、避障功能的實(shí)現(xiàn)和液晶顯示。程序采用C語言編輯,，并在凌陽單片機(jī)支持的Suplus IDE集成環(huán)境下運(yùn)行和執(zhí)行,。程序思路如下[5]：
（1）定義地址端口,；
?。?）液晶模塊和凌陽單片機(jī)I/O口初始化；
?。?）從GP2D12紅外測距模塊的電壓與距離的關(guān)系曲線中采集15個參考點(diǎn)（并且對應(yīng)A/D轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)）,；
（4）進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換操作的準(zhǔn)備工作,；
?。?）開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；
?。?）根據(jù)15個參考點(diǎn),，計(jì)算出采集到的距離；
?。?）使液晶作好接收數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備,，并發(fā)送數(shù)據(jù)；
?。?）液晶顯示,。
機(jī)器人（車）從遠(yuǎn)處過來，紅外測距模塊GP2D12不停地對外測量機(jī)器人（車）與障礙物的距離,，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后輸入到凌陽單片機(jī)的Flash中,，數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后經(jīng)I/O口輸出給液晶顯示模塊顯示，顯示范圍為10~80 cm,。在程序中設(shè)好一個數(shù)值為拐彎閾值,，GP2D12每測一個數(shù)據(jù)都與設(shè)定值相比較，如果不相等,，則繼續(xù)前進(jìn),，不發(fā)生拐彎；如果相等,，使機(jī)器人（車）拐彎,，從而自動躲避障礙物[6]。
程序流程如圖4所示,。從圖4可以看出取了15個參考點(diǎn),，并且包括GP2D12紅外測距范圍的起始點(diǎn)和終點(diǎn),。當(dāng)測距數(shù)據(jù)超出了10~80 cm的范圍時，設(shè)置fRet=0,，即液晶顯示為零,。當(dāng)所測數(shù)據(jù)等于這15個參考點(diǎn)時，則直接輸出數(shù)據(jù),，并且程序跳出子程序,。當(dāng)所測數(shù)據(jù)非15個參考點(diǎn)時，此時要經(jīng)過流程圖中提到的一種數(shù)學(xué)方法計(jì)算求出,。此計(jì)算方法的詳細(xì)步驟如下：測到的非15個參考點(diǎn)的距離,，從第一個參考點(diǎn)依次循環(huán)向后比較，若此點(diǎn)A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)小于某一個參考點(diǎn)的A/D轉(zhuǎn)換值,，則這個點(diǎn)位于此點(diǎn)與上一個參考點(diǎn)之間,，測出這個點(diǎn)橫坐標(biāo)與兩個參考點(diǎn)橫坐標(biāo)的距離比，此時可以確定出此點(diǎn)在兩個參考點(diǎn)的橫坐標(biāo)的位置,，此時再加上上一個參考點(diǎn)的橫坐標(biāo),，就可以確定出此點(diǎn)的橫坐標(biāo)。同理得此點(diǎn)縱坐標(biāo)在兩個參考點(diǎn)的位置,，此時在加上相鄰的下一個參考點(diǎn)的縱坐標(biāo)，即可得到此點(diǎn)的縱坐標(biāo),，橫坐標(biāo)縱坐標(biāo)都知道了,，即可確定此點(diǎn)的位置，然后跳出子程序,，最后返回[7],。
4 結(jié)論
在上述設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上研制出了樣機(jī)。樣機(jī)的整體性能已經(jīng)達(dá)到了預(yù)期要求,。但在以下方面有待改進(jìn)：
?。?）電機(jī)驅(qū)動方式方面：目前所使用的邏輯驅(qū)動是開環(huán)控制，只能利用PWM實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足精確度的要求,。若能給電機(jī)加上碼盤和用PID方式對電機(jī)進(jìn)行精確控制，在比賽中將會有更大的主動權(quán),。
?。?）測距方面：目前所使用的紅外傳感器只能實(shí)現(xiàn)簡單的比較。精確地計(jì)算差值并利用差值對轉(zhuǎn)向進(jìn)行精確的控制,，這也是改進(jìn)的方向之一[8],。
（3）在具體的硬件和軟件設(shè)計(jì)方面要注意以下問題：①AD轉(zhuǎn)換口IOA0-6要設(shè)置為懸浮式輸入口,；②外部接的電阻不能太小,，否則就能把電壓拉下來,；③液晶顯示有鎖存功能，液晶的數(shù)據(jù)口和AD轉(zhuǎn)換口不能重復(fù),。
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