机器人制作过程分享---用74HC240制作寻光机器人

2013年9月30日 22:41
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许多机器人爱好者看到《用NE555制作寻光机器人》中介绍的NE555寻光机器人以后,对这种非编程的机器人控制方式充满了极大的兴趣。私下里有很多朋友询问关于这部寻光机器人电路与机械部分搭配的更多细节,并期待关于这个话题的展开讨论。我在实际制作了NE555寻光机器人以后,对GrantM设计的这部由单施密特触发器作为主控核心的机器人也有了更深一层的体会,有了制作一个系列低技术寻光机器人的想法。本文将给读者介绍我制作的另一部由74HC240作为主控核心的寻光机器人,依然贯彻低技术、低成本的制作理念,与大家共赏。

  控制核心的深入分析

  首先,我们来回顾一下上期介绍的NE555寻光机器人。从机电一体化的角度出发,把它的架构做一个系统分析。由图1可以看出,NE555寻光机器人是一个自动控制系统,它的寻光行为是在没有人直接参与的情况下,利用控制装置操纵受控对象,使被控量等于给定值。
  在这个自动控制系统里,给定值取决于施密特触发器的阀值电压。通过并联在电源两端的两只光敏器件构成的分压网络形成的机器人虚拟视野来“读取”环境光,形成一个测量电压,送入施密特触发器输入端,与它的阀值电压进行比较,进而驱动左右电机带动机器人运动。光敏器件周围光线的变化,会造成分压网络中点的测量电压跟着发生改变,受光敏器件自身特性的影响,测量电压的变化范围是非线性的。测量电压受到光敏器件与光源相对角度的直接影响;此外,光敏器件特性,电机齿轮间隙、轮胎等造成车体位移上的误差等因素也会间接影响到测量电压的数值。这种控制方式的原理是,需要控制的是受控对象的被控量,即机器人移动平台与光源的相对位置;而测量的是破坏系统正常运行的干扰,即光敏器件偏离光源导致的测量电压的变化。利用干扰信号产生控制作用,以纠正干扰对被控量的影响,故称为按干扰补偿。而外部干扰经过光敏器件的测量、与施密特触发器的阀值电压进行比较、执行,控制信号是单向传递的,故亦称开式控制。整个系统最终运行的效果是NE555构成的施密特触发器驱动左右两只减速电机差速运转,使移动平台向着光源前进。

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  施密特触发器

  通过上面的系统分析可以看出,施密特触发器的阀值电压决定了系统的给定值,施密特触发器的特性也就决定了这个系统的特性。因此有必要深入了解一下这个器件的特点。
  施密特触发器是由美国科学家Otto Herbert Schmitt于1934年发明的,当时他只是一个研究生。事后三年,他在其博士论文中将这一发明描述为“ThermiONic Trigger”。这一发明是他对鱿鱼神经中的神经脉冲传播进行研究的直接成果。在电子学中,施密特触发器是包含了正反馈的比较器电路。施密特触发器也有两个稳定状态,但与一般触发器不同的是,施密特触发器采用电位触发方式,其状态由输入信号电位维持;对于负向递减和正向递增两种不同变化方向的输入信号,施密特触发器有不同的阀值电压。施密特触发器是一种特殊的门电路,与普通的门电路不同,施密特触发器有两个阈值电压,分别称为正向阀值电压和负向阀值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阀值电压,在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阀值电压。正向阀值电压与负向阀值电压之差称为回差电压。对于标准施密特触发器,当输入电压高于正向阀值电压,输出为高;当输入电压低于负向阀值电压,输出为低;当输入在正负向阀值电压之间,输出不改变,也就是说输出由高电平翻转为低电平,或是由低电平翻转为高电平对应的阀值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时,输出才会变化。这种双阀值动作被称为迟滞现象,表明施密特触发器有记忆性,可用于在开环配置中的抗干扰。
  在NE555寻光机器人中,正是利用了NE555构成的施密特触发器的上述特性来实现机器人的控制。施密特触发器增强了仅有单输入阀值电路的抗扰能力。由于只有一个输入阀值,阀值附近的干扰输入信号会导致输出因微小的干扰来回地快速翻转。但是对于施密特触发器,阀值附近的噪声输入信号只会导致输出值翻转一次,若输出要再次翻转,噪声输入信号必须达到另一阀值才能实现,这就利用了施密特触发器的回差电压来提高电路的抗干扰能力。在作品的运行测试中,我也体会到了这点:比如使用两只不经过严格配对的光敏器件;在左右两侧的电机上故意使用直径不一致的轮胎;把其中一只光敏器件的夹角改变等。机器人仍然可以在一定范围内自我纠正方向,按照设计的要求,向着光源前进,只是在步态上增加了一些不必要的转弯,换句话说就是机器人以一种之字形的路线,忽左忽右振荡着前进。

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  图1 斯密特触发器寻光机器人系统框图

  改进版的控制核心

  图2为改进版的寻光机器人,核心部分由一对光敏二极管和74HC240集成电路构成。74HC240是一片功能强大的三态缓冲器,芯片内部集成了8路带有施密特触发器输入特性的反向缓冲器。在数字计算机中,这类缓冲器的作用是用来暂时存放处理器送往外设的数据,有了数控缓冲器,就可以使高速工作的CPU部分与慢速工作的外设起协调和缓冲作用,实现数据传送的同步。这个改进版的寻光机器人,因为有了74HC240的加盟,使得机器人的控制系统即可以继承到上文所介绍的施密特触发器的全部好处,又可以借助缓冲器的作用,来协调机器人电子部分与机械结构之间的配合。实际制作完成以后的机器人运行方式,介于模拟控制与数字控制之间,因此它的设计者也给它起了一个形象的名字“Bare Bones Photovore”,我把它翻译为“准系统寻光机器人”。线路图中的U1和U2分别各代表了74HC240芯片内一组并联工作的驱动器。

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  图2 74HC240寻光机器人线路图


  图3是74HC240的框图,可以看到芯片内部由两组带有使能输入端的反向缓冲器组成,输入端和输出端分别为A1, A2, A3,A4, B1, B2, B3, B4(对应管脚2, 4, 6, 8, 11, 13, 15, 17);YA1,YA2, YA3, YA4, YB1, YB2, YB3, YB4(对应管脚 18, 16, 14, 12, 9, 7,5, 3)。使能输入端为Enable A, Enable B (对应管脚1, 19),电源正(对应管脚20),电源地(对应管脚10)。

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  图3 74HC240内部图


  缓冲器分为两种,常规缓冲器和三态缓冲器。常规缓冲器总是将值直接输出,用在推进电流到高一级的电路系统。三态缓冲器除了常规缓冲器的功能外,还设置有使能输入端,这里对应的是74HC240的第1脚和第19脚。从图4的真值表中可以看出当使能端电平不同时缓冲器有不同的输出值。当Enable A,Enable B=0时,芯片选通,缓冲器工作;当Enable A, EnableB=1,缓冲器被阻止,无论输入什么值,输出的总是高阻抗状态,用Z表示。高阻抗状态能使电流降到足够低,以致于类似缓冲器的输出没有与任何电路相连。

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  图4 74HC240真值表


  在这部寻光机器人里,74HC240内部的缓冲器是工作在选通状态,故需要把芯片的第1脚、19脚接低电平(电源地),另外还需注意,74HC240内部缓冲器的单路输出电流只有35mA,在实际应用中,需要多组缓冲器并联以获得足够的输出电流,才能驱动减速电机安全有效的工作。我在制作中,使用2片74HC240,16只缓冲器分成两组各8路并联,U1和U2的输出端可以获得最大280mA的输出电流,足已驱动常见的小型减速电机。由此可以规划出一个系统的实际接线图,对制作很有帮助,见图5。

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  图5 74HC240寻光机器人接线图


[page]机器人的实际制作

  下面是我制作74HC240寻光机器人的过程。因为74HC240机器人移动平台的结构和制作方法与上一期的NE555寻光机器人相同,这里不再鳌述。见表1。

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  电子控制部分的全部材料,与NE555寻光机器人相同,依然使用红外线接收管作为光敏器件,把它们反相串联,接在+3.7V电源与地之间。为了使控制部分获得足够的输出电流驱动电机,需要使用两片74HC240,把它们叠加焊接在一起工作。
  控制核采用BEAM仿生机器人常用的“DEAD BUG”的焊接方式。使用这种手法建造电路的特点是把集成电路管脚朝上,在管脚上进行外围元件的搭棚焊接,它好处是可以迅速搭建起一个功能电路,另外完成的作品兼具一点艺术性。
  我们可以把图6看做一个硅基的大脑,从电路功能和表现形式上都比较符合。注意把需要的连接外部设备的端口留出适当的长度,方便搭焊导线。图7为安在机器人头部的“大脑”特写,为了美观和增加气氛,我用塑料包装板给它做了透明盖。

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  图6 为焊接完毕的控制核,顶视图


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  图7 机器人的大脑


  图8为机器人底部,锂电池直接粘在减速电机上。因为74HC240的工作电压范围比较宽2~6V,这样在电源的选择上就很灵活,可以使用我偏好的3.7V锂电池。而NE555的最低工作电压是4.5V,在电源的选择上就有很大的局限性。图9为总体装配完毕的74HC240寻光机器人。

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  图8 机器人底部


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  图9 74HC240寻光机器人


  机器人的运行效果

  74HC240寻光机器人的运行效果要优于NE555寻光机器人。根据光线的变化,机器人的步态呈现出一种不规则的步进形式,非常类似单片机控制下的PWM电机驱动效果,只是74HC240机器人的步态完全是自发的。通过仔细的观察,机器人的主要行为模式可以总结为:当它向着一个固定光源前进,没有周围的干扰,两个电机将以左右交替触发的方式步进运转,每执行一步,轮胎转动的角度大概在30~350°(取决于光源强度)。从能量的利用角度看,它也优于NE555寻光机器人,74HC240机器人的两只电机是缓冲器分别触发启停,间歇工作,非常经济。而NE555机器人的两只电机是串联在电源里,启停会互相牵制,造成执行效率降低和能量的浪费。我使用的是一块手机拆下的800mAH的锂电池(实际容量小于800mAH),充满实测机器人的持续运行时间超过90分钟。
  题图是NE555寻光机器人和74HC240寻光机器人的全家福,图左为74HC240寻光机器人,图右为NE555寻光机器人。由图片的对比中,读者可以看出74HC240版本的升级。机器人制作是一项实践性极强的爱好,需要多加动手实践,才能体会到电路和结构的特点。把书本上的理论知识与工程实践结合起来,通过这两个简易寻光机器人的制作,你会发现,机器人不再是一个高不可攀的话题。

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