陳義平， 時 穎， 袁明明

（黑龍江科技學(xué)院電氣與信息工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150027）

0 引言

單片機(jī)是電子信息類及控制類專業(yè)開設(shè)的一門重要課程，普遍采用的輔助教學(xué)的實驗方式是利用單片機(jī)開發(fā)板、實驗箱或軟件仿真等形式［1-5］，但這幾種方式趣味性不強，不利于激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，影響了學(xué)習(xí)效果。因此結(jié)合教學(xué)實際，開發(fā)了一種機(jī)器人形式的輔助教學(xué)裝置，該裝置以STC89C516單片機(jī)為控制核心，采用了多單片獨立控制方式，軟硬件均可根據(jù)需要進(jìn)行剪裁。而且該裝置上搭載的傳感器及通信和控制方式均是各種電子設(shè)計競賽中常常會用到的，使學(xué)生會認(rèn)識到該輔助教學(xué)裝置提供的練習(xí)，有利于日后參加電子競賽等科技活動，進(jìn)一步激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

1 總體方案

采用大谷機(jī)器人公司生產(chǎn)的路虎5履帶式移動平臺，該移動平臺裝有4個280直流減速電機(jī)，電機(jī)的工作電壓為7.2 V，運轉(zhuǎn)電流為160～180 mA，堵轉(zhuǎn)電流約為500 mA，并且每個電機(jī)安裝了抑制電機(jī)干擾的電感。電機(jī)經(jīng)過三級齒輪減速后輸出，減速比為1∶64。該平臺裝有4個特制的編碼器。普通編碼器是3根線，電源線、地線和信號輸出線，這種特制的編碼器比普通的編碼器多了一條信號輸出線，通過對2根信號線的輸出信號的處理，不僅能得到轉(zhuǎn)速信息，還可以判斷出旋轉(zhuǎn)的方向。

機(jī)械手包括3個部分：夾持器、舵機(jī)、金屬架。為滿足設(shè)計要求，該機(jī)械手使用了3個舵機(jī)，第一個舵機(jī)控制夾持器的張開和閉合，第二個舵機(jī)控制機(jī)械手的抬高和降低，第三個舵機(jī)控制機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)。夾持器與舵機(jī)直接相連，舵機(jī)通過金屬架固定在移動平臺上。

電路部分采用多單片機(jī)獨立控制方式，軟硬件均可根據(jù)需要進(jìn)行剪裁［6］。機(jī)器人總體功能圖見圖1。

圖1 機(jī)器人的總體功能框圖

2 機(jī)器人的主要功能實現(xiàn)

2.1 語音識別與播報功能

模塊的主要功能是識別控制者發(fā)出的語音指令，發(fā)出相應(yīng)的控制信號。根據(jù)設(shè)計需求，采用凌陽公司的61A板來完成此功能。SPCE061A是凌陽科技研發(fā)生產(chǎn)的性價比很高的一款16 bit單片機(jī)，它具有豐富的硬件資源，并集成了ICE（在線仿真電路）接口，可以直接利用該接口對芯片進(jìn)行下載、仿真、調(diào)試等操作。61 A板除了具備單片機(jī)最小系統(tǒng)電路外，還包括電源電路、音頻電路、復(fù)位電路等，采用電池供電。61 A板上有調(diào)試器接口以及下載線接口，分別可接凌陽科技的在線調(diào)試器、簡易下載線，配合在線仿真電路，可方便地在板上實現(xiàn)程序的下載、在線仿真調(diào)試［7］。

采用ISD4004芯片實現(xiàn)語音播報，工作電壓3 V，單片錄放時間8～16 min，音質(zhì)好，適用于移動電話及其他便攜式電子產(chǎn)品中。芯片采用CMOS技術(shù)，內(nèi)含振蕩器、防混淆濾波器、平滑濾波器、音頻放大器、自動靜噪及高密度多電平閃爍存貯陣列。操作命令可通過串行通信接口送入。芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現(xiàn)語音、音樂、音調(diào)和效果聲，避免了一般固體錄音電路因量化和壓縮造成的量化噪聲和“金屬聲”。采樣頻率可為 4.0、5.3、6.4 或 8.0 kHz，頻率越低，錄放時間越長，而音質(zhì)則有所下降，片內(nèi)信息存于閃爍存貯器中，可在斷電情況下保存100年（典型值），反復(fù)錄音10 萬次［8］。

2.2 GPS 定位功能

GPS的基本原理是測量出已知位置的衛(wèi)星到用戶接收機(jī)之間的距離，然后綜合多顆衛(wèi)星的數(shù)據(jù)就可知道接收機(jī)的具體位置。要達(dá)到這一目的，衛(wèi)星的位置可以根據(jù)星載時鐘所記錄的時間在衛(wèi)星星歷中查出。而用戶到衛(wèi)星的距離則通過紀(jì)錄衛(wèi)星信號傳播到用戶所經(jīng)歷的時間，再將其乘以光速得到。設(shè)計中GPS定位功能的作用是通過接收衛(wèi)星信號，來確定機(jī)器人當(dāng)前所處的位置，該位置通過經(jīng)度、緯度和海拔來描述。根據(jù)設(shè)計的要求，采用HOLUX公司的GPS模塊來完成相應(yīng)的功能。該模塊結(jié)構(gòu)緊湊，只需用單片機(jī)來接收GPS模塊發(fā)出信息，進(jìn)行解析就可得到位置坐標(biāo)。

2.3 短信收發(fā)功能

收發(fā)短信功能模塊的作用是接收控制者發(fā)來的短信，將短信內(nèi)容傳遞給控制單元，以便教學(xué)機(jī)器人根據(jù)短信內(nèi)容完成相應(yīng)的操作，在完成操作后，再通過該功能模塊將反饋信息發(fā)送給控制者。這里采用TC35模塊來完成此功能。TC35是西門子公司的1個便捷的即插即用解決方案。作為1個終端產(chǎn)品它內(nèi)置了TC35無線模塊，集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可以在PC機(jī)上用AT命令通過串口對它進(jìn)行設(shè)置。這使它成為在聲音和數(shù)據(jù)通訊上通用的1個GSM雙頻終端產(chǎn)品。你可以快速的把它應(yīng)用到產(chǎn)品開發(fā)上，同時它也可以作為產(chǎn)品的1個組成部分和產(chǎn)品結(jié)合在一起。由于本模塊集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，故只需將單片機(jī)串口的TTL電平轉(zhuǎn)換為232電平，就可以將TC35模塊和單片機(jī)相連，即建立起連接［9］。

2.4 超聲測距功能

超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知，測量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來的時間，根據(jù)發(fā)射和接收的時間差計算出發(fā)射點到障礙物實際距離。設(shè)計采用的超聲波測距模塊直流電壓為5 V，靜態(tài)電流小于2 mA，輸出高電平為5 V，低電平為0 V，感應(yīng)角度不大于15°，檢測距離為0.05～5 m，該模塊可直接和單片機(jī)相接，無需任何輔助電路。

2.5 溫濕度測量功能

DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。它應(yīng)用專用的數(shù)字模塊采集技術(shù)和溫濕度傳感技術(shù)，確保產(chǎn)品具有極高的可靠性與卓越的長期穩(wěn)定性［7］。傳感器包括1個電阻式感濕元件和1個NTC測溫元件，并與1個高性能8 bit單片機(jī)連接。因此該產(chǎn)品具有品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強、性價比高等優(yōu)點。每個DHT11傳感器都在極為精確的濕度校驗室中進(jìn)行校準(zhǔn)。校準(zhǔn)系數(shù)以程序的形式儲存在OTP內(nèi)存中，傳感器內(nèi)部在檢測信號的處理過程中要調(diào)用這些校準(zhǔn)系數(shù)。單線制串行接口，使系統(tǒng)集成變得簡易快捷。超小的體積、極低的功耗，信號傳輸距離可達(dá)20 m以上，使其成為各類應(yīng)用甚至最為苛刻的應(yīng)用場合的最佳選則。產(chǎn)品為4針單排引腳封裝。連接方便，特殊封裝形式可根據(jù)用戶需求而提供。

溫度傳感器采用DS18B20，其可以程序設(shè)定9～12 bit的分辨率，精度為±0.5°?？梢赃x更小的封裝方式，更寬的電壓適用范圍。分辨率設(shè)定，及用戶設(shè)定的報警溫度存儲在 EEPROM中，掉電后依然保存。DS18B20的性能價格比也較好。

2.6 藍(lán)牙通信功能

藍(lán)牙，是一種支持設(shè)備短距離通信（一般10 m內(nèi)）的無線電技術(shù)。能在包括移動電話、PDA、無線耳機(jī)、筆記本電腦、相關(guān)外設(shè)等眾多設(shè)備之間進(jìn)行無線信息交換。利用“藍(lán)牙”技術(shù)，能有效簡化移動通信終端設(shè)備之間的通信，也可成功簡化設(shè)備與因特網(wǎng)Internet之間的通信，從而數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，為無線通信拓寬道路。這里采用藍(lán)牙傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是很大，采用一般的藍(lán)牙模塊就可滿足要求［10］。

2.7 搖桿式遙控器

如圖2所示，該電路包括藍(lán)牙模塊、單片機(jī)、動作識別3部分。動作識別部分的作用是當(dāng)使用者向不同方向扳動搖桿時，產(chǎn)生相應(yīng)的信號，傳輸給單片機(jī)。單片機(jī)通過檢測傳輸來的信號，判斷搖桿的運動狀態(tài)，并將狀態(tài)信息通過藍(lán)牙模塊發(fā)給教學(xué)機(jī)器人，從而實現(xiàn)對教學(xué)機(jī)器人的控制。

圖2 搖桿式遙控器電路

如圖2所示，R2、R3是兩個電位器，用于產(chǎn)生參考電壓，調(diào)節(jié)R2的值，使輸入到上方LM339的電壓為2 V，調(diào)節(jié)R3的值使輸入的下方LM339的電壓為3 V。R1是搖桿內(nèi)部的一個滑動變阻器，當(dāng)扳動搖桿，就會改變該滑片的位置，使輸出電壓發(fā)生變化。

當(dāng)搖桿處于中間位置，滑動變阻器R1的滑片也處于中間位置，輸出電壓為2.5 V。對于上方的LM339來說，“+”端電壓高于“－”端電壓，輸出端開路，由電阻R4上拉為高電平;對于下方的LM339來說，“+”端電壓高于“－”端電壓，輸出端開路，由電阻R5上拉為高電平。其他操作類似。

2.8 電源設(shè)計

考慮到成本和可維護(hù)性等因素，采用鉛蓄電池來提供能源。鉛蓄電池的工作電壓平穩(wěn)、使用溫度及使用電流范圍寬、能充放電數(shù)百個循環(huán)、貯存性能好，造價較低?？紤]到鉛蓄電池的能量密度小、瞬間放電電流不宜過大等因素，采用了多電源獨立供電的方式。具體方案為：

（1）機(jī)械手由3個舵機(jī)驅(qū)動，在抓取物體時，舵機(jī)處于堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，經(jīng)測量，此時的3個舵機(jī)的總電流可達(dá)2 A，故采用1個輸出電壓為12 V，容量為1.3 A·h的鉛蓄電池為其供電。

（2）移動平臺由4個直流電機(jī)驅(qū)動，經(jīng)測量，在正常行駛情況下，電流在1 A左右，但在啟動時瞬間電流較大，故采用一個輸出電壓為12 V，容量為1.3 A·h的鉛蓄電池為其供電。

（3）在收發(fā)短信功能中使用到的TC35模塊對電源要求較高，如果電源不穩(wěn)定會導(dǎo)致模塊自動關(guān)機(jī)，故采用1個輸出電壓為6 V，容量為1.3 A·h的鉛蓄電池為其供電。

（4）除上述3部分電路外，其余電路統(tǒng)一由一個輸出電壓為6 V，容量為1.3 A·h的蓄電池供電。

2.9 顯示部分設(shè)計

設(shè)計的顯示部分包括主顯示和副顯示。主顯示部分主要顯示漢字，具體內(nèi)容包括溫度、濕度、機(jī)器人的傾角、障礙物距離、當(dāng)前時間、經(jīng)度、緯度、海拔等信息，由于顯示內(nèi)容較多，故采用一塊3.5英寸的彩色液晶顯示屏，該顯示屏特點為安裝方便，板尺寸為91 mm×81 mm，安裝孔直徑3 mm，4個安裝孔位置距離邊緣為3.5 mm ×3.5 mm，高度為 9.3 mm（算上器件高度）。微處理器可以隨時讀寫顯示存儲器，而不影響顯示效果，即顯示不會出現(xiàn)“雪花”。有4頁顯示緩存，可以任意設(shè)定顯示頁和操作頁。顯示真彩色，16位色（65536色）。副顯示部分主要顯示圖片，采用的是一塊2.4英寸的彩色液晶顯示屏，該液晶屏集成了SD卡模塊，可存放大量圖片，這樣就解決了因單片機(jī)存儲空間小而無法存放圖片信息的問題，單片機(jī)只需將圖片信息從SD卡中讀出，傳輸給液晶屏顯示即可［11-12］。

3 各功能模塊的布局與安裝

由于設(shè)計涉及到的功能模塊較多，且移動平臺的尺寸相對較小，采用層疊式的結(jié)構(gòu)來對各功能模塊進(jìn)行布局［13］。具體方案是通過銅柱和膠水將相應(yīng)的功能模塊固定在有機(jī)玻璃板上，然后再將多塊有機(jī)玻璃板連接到一起，從而構(gòu)成本設(shè)計的機(jī)械本體。圖3為教學(xué)機(jī)器人的側(cè)視圖。

圖3 教學(xué)機(jī)器人側(cè)視圖

4 結(jié)語

依據(jù)多種控制方式并存的思想，設(shè)計完成的。機(jī)器人可以通過按鍵式遙控器、自制搖桿式遙控器、手機(jī)、筆記本電腦等設(shè)備對教學(xué)機(jī)器人進(jìn)行控制，還可以通過語音對其進(jìn)行控制。采用多種無線通信方式，并搭載了多種傳感器。電路部分采用多單片機(jī)獨立控制方式，軟硬件均可根據(jù)需要進(jìn)行剪裁。該教學(xué)機(jī)器人已應(yīng)用于我校單片機(jī)課程教學(xué)，實際應(yīng)用效果顯著，具有良好的推廣使用價值。

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