淺析C 語言教學(xué)輔助系統(tǒng)中機(jī)器人傳感器的選擇及應(yīng)用

黃鑫

（北京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100000）

一、嵌入式機(jī)器人主控板的選擇及詳細(xì)接口介紹

本文針對(duì)C 語言課程教學(xué)，以VB 作為編譯軟件，特選擇AVR 主控板，此主控板采用AVR ATmage128 單片機(jī)。128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash；4K 字節(jié)的EEPROM，4K 字節(jié)的內(nèi)部SRAM。板內(nèi)集成電源穩(wěn)壓電路、16×2 字符液晶顯示器、聲控開關(guān)、蜂鳴器、雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等。提供26 個(gè)通用I/O 接口，其中8 個(gè)可用于模擬輸入進(jìn)行10 位的A/D 轉(zhuǎn)換。另有I2C 和通用串行接口。

（一）電源及下載端口

AVR 主控板自帶電源穩(wěn)壓電路，輸入電源范圍DC 3.6V—6V。與PC 機(jī)USB 接口連接實(shí)現(xiàn)機(jī)器人程序的下載。

（二）液晶顯示對(duì)比度調(diào)節(jié)

AVR 主控板上帶有LCD1602 液晶顯示器，利用電位器調(diào)節(jié)LCD1602 液晶顯示器的對(duì)比度。

（三）ISP 下載端口

主控板寫入低層程序接口，用于系統(tǒng)的初始化和支持PC 機(jī)通過USB接口與主板進(jìn)行程序的下載。

（四）I/O 端口說明

1.三端連接插座。三端連接插座接口總計(jì)18 個(gè)，全部可用于數(shù)字位的輸入輸出。其中8 個(gè)數(shù)字接口（D0-D7）；8 個(gè)模擬接口（ADC0-ADC7）可接收DC 0-5V 的模擬信號(hào)進(jìn)行10 位的A/D 轉(zhuǎn)換。

2.擴(kuò)展接口。為需要多端口的外接模塊提供連接方便，主控板使用插針方式設(shè)置了兩組擴(kuò)展接口。一組4 位（K0-K3），另一組6 位（K4-K9）。

3.I2C 接口。主控板的I2C 通訊采用主從方式。主板CPU 為主機(jī)，I2C接口的傳感器為從機(jī)。作為從機(jī)的I2C 傳感器各自有固定的地址。主控板只設(shè)置一個(gè)I2C 接口，多個(gè)I2C 傳感器可以并聯(lián)到主機(jī)。

4.驅(qū)動(dòng)電機(jī)。主控板提供雙路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元，常用于機(jī)器人行走電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。采用L298 驅(qū)動(dòng)電路?？商峁┳罡逥C36V，總電流4A 的驅(qū)動(dòng)能力。

5.擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)接口。為方便外接驅(qū)動(dòng)電路（步進(jìn)電機(jī)或其它獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)電路），主控板設(shè)置了擴(kuò)展驅(qū)動(dòng)控制接口。本接口可按用戶需要提供多種電機(jī)驅(qū)動(dòng)方式。

二、傳感器的選擇及應(yīng)用

為了讓機(jī)器人更具有智能化，需要在主控板上連接相應(yīng)傳感器，根據(jù)教學(xué)需要，特選擇三種類型的傳感器：數(shù)字量傳感器、模擬量傳感器、I2C 接口傳感器。針對(duì)這三種傳感器，需要集合在軟件之中，所以分別采用數(shù)字接口傳感器、模擬接口傳感器和I2C 接口傳感器來顯示。下面簡單介紹一下選擇的三種類型的傳感器。

（一）數(shù)字接口傳感器

各種開關(guān)量的傳感器的檢測(cè)結(jié)果均為二進(jìn)制的一位數(shù)字信號(hào)，此類型的傳感器均為數(shù)字量傳感器，如：光電傳感器、紅外避障傳感器和超聲波傳感器、接觸傳感器、金屬傳感器、聲控開關(guān)等。這些傳感器均可配置3線鎖緊接插頭，與主控板上的三端連接插座配套。推薦使用這些傳感器與主控板的D 類接口（D0-D7）連接。若A 類接口（A0-A7）有空余，也可連接到A 類接口。若D 類和A 類接口沒有空余，再使用擴(kuò)展I/O 接口。下面簡單介紹一下所選擇的數(shù)字接口傳感器。

1.紅外避障傳感器。紅外避障傳感器是一種能夠識(shí)別障礙物的傳感器。機(jī)器人在機(jī)身的前面、左面、右面、后面四個(gè)不同方位各安裝了一個(gè)紅外線傳感器，可以實(shí)現(xiàn)四個(gè)方向的避障，也可根據(jù)需要安裝更多的紅外傳感器。

紅外避障模塊是一種被動(dòng)式紅外線傳感器。由石英晶體震蕩器、紅外發(fā)射管和一體化接收器組成。發(fā)射管發(fā)射調(diào)制的紅外線信號(hào)，遇到障礙物后會(huì)反射回來，被接收器接收。當(dāng)在其有效距離內(nèi)遇到障礙時(shí)，接收器輸出低電平。程序通過檢測(cè)接收器的輸出電平，便可知道是否有障礙物存在。避障傳感器的避障距離在5－80CM 范圍，可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)整過程中，有信號(hào)指示燈顯示，信號(hào)指示燈亮說明有避障信號(hào)。如圖1 所示。

2.光電傳感器。光電傳感器是可以識(shí)別顏色及色差的一種傳感器，光電傳感器可以識(shí)別不同的顏色，如深色呈現(xiàn)高電位（光電傳感器的電位顯示滅），白色呈現(xiàn)低電位（光電傳感器的電位顯示亮），利用它的這一特性，我們可以讓機(jī)器人做多種動(dòng)作。利用左側(cè)和右側(cè)的接受光強(qiáng)不一致，也可以讓機(jī)器人走規(guī)定路線。

光電傳感器由輔助光源（發(fā)光二極管）、光敏電阻和比較器組成。它是基于光敏電阻原理設(shè)計(jì)的，即：光敏電阻的阻值與其接收的光線強(qiáng)度成反比。光線越強(qiáng)，阻值越小。當(dāng)光敏電阻接收的光強(qiáng)接近時(shí)，其阻值較小，與固定電阻Rx 分壓后，使比較器的同向輸入端電壓低于反向輸入端，比較器輸出低電平。通過調(diào)整電位器滑動(dòng)臂的位置，即可改變使比較器輸出低電平時(shí)的絕對(duì)光強(qiáng)?；瑒?dòng)臂向下調(diào)，反向輸入端電壓降低，需要更強(qiáng)的光照使光敏電阻的阻值更小，才能使同向輸入端電壓低于反向輸入端，輸出低電平。反之亦然。光電傳感器的缺點(diǎn)是受環(huán)境光影響較大，需要根據(jù)環(huán)境光線強(qiáng)弱的變化隨時(shí)調(diào)整電位器滑臂位置，才能獲得較好的效果。理想的經(jīng)常分壓點(diǎn)的電壓低于電源電壓的1/2，在窗口比較器設(shè)定的窗口之內(nèi)，兩個(gè)比較器均輸出高電平。當(dāng)其中一個(gè)光敏電阻接收光強(qiáng)較強(qiáng)時(shí)，分壓點(diǎn)的電壓將遠(yuǎn)離電源電壓的1/2，超出比較器設(shè)定的窗口，相應(yīng)的比較器輸出低電平。如圖2 所示。

為使用方便，選擇的光電傳感器分上下兩個(gè)部分，上半部分為調(diào)節(jié)部分，主要用來進(jìn)行調(diào)節(jié)對(duì)比點(diǎn)；下半部分為檢測(cè)部分，因?yàn)闄z測(cè)部分常常接近被檢測(cè)物體，所以單獨(dú)分立出來，便于安裝。

（二）模擬接口傳感器

模擬接口傳感器主要是進(jìn)行一些模擬量的測(cè)量，需要得到變化的數(shù)值，此類型傳感器需要具有線性變化的特性，檢測(cè)的結(jié)果均為模擬電壓信號(hào)，必須與A類接口連接。CPU可對(duì)A類端口輸入的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換處理。例如：光電接收（光感）傳感器、模擬光電（灰度）傳感器、紅外測(cè)距傳感器、模擬聲控傳感器等。下面簡單介紹一下所選擇的模擬接口傳感器

1.模擬光電傳感器。模擬光電傳感器用來檢測(cè)場地顏色的，可識(shí)別各種顏色，通過主板上的AD 口可以得到不同的數(shù)值，此數(shù)值在LCD 液晶顯示板上可以看見，在淺顏色下數(shù)值小，深顏色下數(shù)值大。為使用方便，同樣選擇上下兩部分組成。

2.模擬聲控傳感器。模擬聲控傳感器是機(jī)器人的耳朵，功能是利用聲音來控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。例如機(jī)器人跳舞就可以利用聲控模塊來實(shí)現(xiàn)。此傳感器由話筒、放大電路、整形電路組成。話筒接收到聲音信號(hào)，經(jīng)放大、整形后，得到的是高低電平的變化。無聲時(shí)輸出為高電平，有聲時(shí)輸出低電平。如圖3 所示。

（三）I2C 接口傳感器

I2C 接口的傳感器均作為從機(jī)與作為主機(jī)的主板CPU 進(jìn)行I2C 通訊。主板中只有一個(gè)I2C 插座，但此類傳感器均設(shè)置雙I2C 接口插座。需要使用多個(gè)I2C 傳感器時(shí)，可通過I2C 傳感器上的第二個(gè)I2C 接口接續(xù)連接。在此項(xiàng)目的使用上，我們選擇了一個(gè)復(fù)合尋跡傳感器。

下圖為復(fù)合尋跡傳感器接口圖，如圖4 所示。

復(fù)合尋跡傳感器并列設(shè)置7 個(gè)尋跡傳感器，適于實(shí)現(xiàn)復(fù)雜情況的尋線檢測(cè)。每路尋跡檢測(cè)設(shè)置有指示燈。此傳感器上設(shè)置有兩位DIP 開關(guān)，一位開關(guān)（1-4）用于選擇I2C 通訊地址值，因此可以同時(shí)使用兩個(gè)復(fù)合尋跡傳感器。另一位開關(guān)用于選擇檢測(cè)白線還是檢測(cè)黑線。使用復(fù)合尋跡傳感器前，最好在使用現(xiàn)場進(jìn)行校驗(yàn)。復(fù)合尋跡傳感器DIP 開關(guān)設(shè)置如表1所示。

表1 復(fù)合尋跡傳感器DIP 開關(guān)設(shè)置

開機(jī)后，全部指示燈全亮 1 秒后熄滅，進(jìn)入正常工作狀態(tài)。此時(shí)，可以將全部尋跡傳感器置于引導(dǎo)線上，按S1 校正鍵，按鍵后單數(shù)1、3、5、7 通道指示燈閃爍，表示正在讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)。各通道數(shù)據(jù)讀完后，全部指示燈閃亮，提示將全部傳感器放置到引導(dǎo)線外，放置好后，再次按動(dòng)校正鍵，此時(shí)，雙數(shù)2、4、6 通道指示燈閃爍，表示正在第二次讀取檢測(cè)數(shù)據(jù)。第二次數(shù)據(jù)讀完，校驗(yàn)正確，燈熄滅。若校驗(yàn)不正確，單數(shù)1、3、5、7 通道指示燈閃爍，返回讀取第一次數(shù)據(jù)的狀態(tài)，重新進(jìn)行校驗(yàn)。復(fù)合尋跡傳感器通訊協(xié)議表如表2 所示。

表2 復(fù)合尋跡傳感器通訊協(xié)議表