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1简易机器人制作华南师范大学郑永驹2008年8月Email:zhengyj@scnu.edu.cn手机：137980037522一、概述1、机器人的发展与应用2、机器人的定义3、课标有关本课程的大纲要求4、广东版教材的体系结构31、机器人的发展与应用•1954年，美国人（G.C.Devod）申请了工业机器人专利•1958年，美国制造出第一台工业机器人•半个世纪来，机器人技术得到高速发展，目前全世界机器人的保有量超过100万台，并以每年10万台的速度在增长。机器人以从单一的工业应用发展到许多领域：如军用、探险、医疗、服务等4简易机器人的结构与应用简易机器人结构相对简单，价格便宜。一般分为控制与机械两大部分。机械包括机体结构、动力装置、传动机构和执行机构等；控制包括单片机（或嵌入式）系统及其软件、传感器及其电路、控制驱动电路等。5简易机器人的基本结构框图6对“简易”的理解与在现实生活各个领域服役的机器人比较，“简易机器人”有如下不同：“麻雀虽小，五脏俱全”。《简易机器人》满足机器人的几大基本特征，是专门为中学生科技制作度身定制的。比较项目简易机器人在役机器人应用场合教具、玩具各类产业领域体系结构单片机最小系统分层递阶系统、分布式系统控制系统单片机（8位）嵌入式、驱动芯片、软件开发资源丰富、单任务简单编程专用控制板或计算机（32位）、专用电机驱动单元、软件开发环境复杂和昂贵、多任务实时操作系统机械结构拼装、模型额定负载下满足刚度和强度传感器简单、廉价高质量、高水平、高价格环境室内、结构环境室外、非结构环境材料单一（ABS塑料）多种高强度、轻质材料重量/尺度小大72、机器人的定义目前世界上有关机器人的定义没有统一的答案。日本——机器人是一种具有移动性、个体性、智能性、通用性、半机械半人性、自动性、奴隶性等七个特征的柔性机器。法国——机器人学是指设计能根据传感器信息实现预先规划好的作业系统，并以此系统的使用方法为研究对象。国际标准化组织——工业机器人是一种具有自动控制的操作和移动功能，能完成各种作业的可编程操作机。中国——机器人是一种自动化的机器，它具备一些与人或生物相似的智能，如感知能力、规划能力、动作能力和协同能力，是一种高度灵活的自动化机器。83、课标关于《简易机器人制作》的大纲要点基于计算机技术的学习平台，将机械、电子和单片机的应用有机组合起来。通过本课程的学习，学生应该知道单片机和机械传动的基本知识，能设计与制作由单片机和传动机械等组成的简易自动控制机器或简单的自动控制系统。课程由“单片机及其控制程序”、“单片机与控制电路”、“单片机与传动机械”三个主题构成。给学生提供了运用当代先进技术和先进思想方法进行设计、制作，以解决实际问题的机会。94、广东版教材体系结构全书分为四章，第1、2、3章分别对应于课标的三个主题。第4章介绍应用有关机器人教具平台制作简易机器人的案例作为教学的参考。10二、教材涉及的知识与教法1、简易机器人的控制核心：单片机的基本知识。2、简易机器人的控制电路。3、简易机器人的机械传动。4、教具介绍。111、单片机基本知识内容提要（1）、课标的要求（2）、什么是单片机（3）、单片机的特点及应用（4）、单片机的内部基本结构（5）、单片机的外引脚与最小应用系统（6）、单片机的软件（7）、设计与实践12（1）课标的要求•1.知道单片机的特点和应用。（第1节）•2.知道单片机的基本组成及工作过程。（第2节）•3.知道单片机集成电路引脚的功能（第3节）。•4.了解一种单片机的编程语言，掌握一种单片机常用的编程指令。（第4节）•5.学会用指令编制简单的控制程序，并能根据试验进行修正。（设计与实践）•6．能操作单片机编程器将编写的程序烧结固化。（设计与实践）13（2）、什么是单片机：单片机全称单片微型计算机(Single-ChipMicrocomputer)，也称微控制器（Micro-Controller）。它是一片大规模的集成电路芯片。在这个芯片里集成了计算机的基本部件。包括中央处理器（CPU）、存储器（RAM和ROM）、定时振荡器（时钟）和输入输出接口（I/O接口）等部件。一片芯片就相当于一个微型计算机，使用者只要将程序编写固化到芯片内，单片机一上电复位就能按程序执行，完成我们事先预定的任务。14（3）单片机的特点及应用用软件取代硬件电路，实现微控技术。功能强、使用灵活、成本低。体积小、功耗低，抗干扰能力强。单片机的应用已渗透到各个领域，如各种设备的自动控制、智能仪器仪表、医疗器械、交通信号控制、汽车电子控制、导弹、导航、智能武器、军用机器人等。据报道：20世纪90年代初期，美国家庭平均拥有64个单片机，到2000年该拥有量已增至226个。由此可见单片机的广阔应用前景。15（4）单片机内部基本结构16（5）外引脚及最小应用系统以AT89C2051为例17引脚功能说明引脚号功能引脚号功能1(RST)复位输入20(VCC)工作电源引脚2(P3.0)I/O口线P3.019(P1.7)I/O口线P1.73(P3.1)I/O口线P3.118(P1.6)I/O口线P1.64(XTAL2)外接晶振引脚217(P1.5)I/O口线P1.55(XTAL1)外接晶振引脚116(P1.4)I/O口线P1.46(P3.2)I/O口线P3.215(P1.3)I/O口线P1.37(P3.3)I/O口线P3.314(P1.2)I/O口线P1.28(P3.4)I/O口线P3.413(P1.1)I/O口线P1.19(P3.5)I/O口线P3.512(P1.0)I/O口线P1.010(GND)接地引脚11(P3.7)I/O口线P3.718最小系统应用实例19（6）单片机的软件机器语言、汇编语言、高级语言机器语言是CPU能够直接识别并执行的最底层的语言，它由一些二进制代码组成。不同系列单片机其代码意义不相同。汇编语言是用一些助记符来代替机器语言中的指令代码，它与机器指令一一对应同时又便于人们学习和记忆。高级语言（如C语言、图形化语言等）是按一定的语法规则组成的，它更加符合人们的语言习惯，程序的可读性高，编程简单快捷并具有可移植性。51系列单片机指令系统具有33种功能，7种寻址方式，共有111条基本指令。20亮点流动程序分析ORG0000HSTART：MOVA，#11111110B;LOOP：MOVP1，AACALLDELAY；调延时子程序RLA；A左移一位SJMPLOOP；转回LOOP处再将A送P1口DELAY:：MOVR7,#80HL1:：MOVR6,#0FFHL2:：NOPNOPNOPNOPDJNZR6,L2DJNZR7,L1RETEND21图形化语言基于流程图的图形化语言基于LabView的图形化语言22（7）设计与实践教材在第一章第3节安排了一个实践活动，让学生制作一个单片机最小应用系统并编写程序烧写到单片机，最后运行观察结果并反复修改程序观察结果。23242526272、简易机器人的控制电路内容提要（1）课标的要求（2）简易机器人常用传感器。（3）传感器与单片机的接口电路（4）继电器与单片机的接口（5）直流电动机的控制28（1）课标的要求1.了解电子控制系统的基本组成,知道单片机是一种使用广泛的控制电路。2.知道常见的传感器及其作用。3.了解继电器的结构和工作原理，并能掌握简单的使用方法。4.能用传感器、单片机和继电器等安装一个简单控制装置，并进行试验。2930（2）简易机器人常用传感器人通过五官感知外部环境的各种信息并传递到大脑，大脑综合分析判断各种信息后输出控制信号去控制肢体作出相应的动作和反应。简易机器人的电子控制系统也与人类似，它通过各种传感器感知外部信息后传递到单片机，单片机处理后输出相应控制信号去控制相应的执行机构作出反应。31五官与传感器感觉器官相关物理量对应传感器视觉眼可视光光敏电阻，光电池、光敏晶体管、CCD等。听觉耳声波、振动压电转换元件、麦克风等触觉手指、皮肤压力压敏元件温度皮肤辐射、温度热敏元件嗅觉鼻气味气体传感器味觉舌离子检测器32简易机器人常用传感器接触开关红外光电传感器超声波传感器位置位移传感器力觉传感器听觉传感器视觉传感器33开关常用有按键开关、拨动开关和接触开关（微动开关）等。微动开关往往用于碰触传感，如防碰撞，限位等。拨动开关往往用于选择输入，地址编码设定等。按键开关用于复位，键盘等。34二、光电传感器光电传感器有光敏电阻、光敏二（三）极管、光电池、光电倍增管等，还有CCD、CMOS等图像传感器。光敏电阻（也称光导管）是一种价格低廉，光谱范围广，灵敏度高(暗电阻1～100M、亮电阻1K以下）且使用方便的光敏器件。在简易机器人中常用于亮度变化检测器件，由于阻值与光强是非线性的，一般不作为光强检测器件。光电池也称太阳能电池，它直接将光能转变成电能，也是一个光敏器件。它的短路电流与光照度在一定范围内成线性，常用于测量照度（光强）。352.1红外光电传感器由一只红外发射管和一只红外光电二极管组成。由于其价格低、寿命长、使用方便等特点，此类传感器目前应用广泛，如非接触性开关、遥控、安防等。在简易机器人中往往用于巡线检测。红外发光管的材料一般为砷化钾半导体，发光波长范围是0.76~1.5um(一般是930nm），管压降为1.0~1.3V，工作电流20~50mA。36光敏二极管特性红外光敏二极管在无光照时其反向电阻为无穷大，正向电阻大约为10K；有光照时，反向电阻随光照强度增加而减小，阻值可达几K或1K以下。无反压时，正向电压与光照强度成比例，一般可达0.2~0.4V。应用电路：37三、超声波传感器由发射和接受两大部分组成，除了电路，主要器件是超声换能器，其基本原理是基于压电效应。发射与接受往往使用同一个探头。超声波测距是通过发射声波，接受反射回波并计算回波时间从而得出与反射物体的距离。R=V×T/2简易机器人往往应用超声波探测前方障碍物的距离，从而实现避障功能。38脉冲回波式检测示意图39超声波测距的基本特性测距精度：17cm/ms测距范围：小于10米超声波不受被测物体的透明度、颜色、电导率的影响，但不适合测量海棉或棉织物等吸音材料。40四、位置传感器位置传感器既可以用来检测位移（角位移和线位移）也可用于检测运动。在机器人中应用较广，如手、脚的移动定位等检测。414.1电位器式位置传感器这是一种最简单的位置传感器，有旋转式的也有直线式。它们拥有以下特点：1、性能稳定、结构简单、精度较高。2、输出信号范围可以选择。3、输入输出特性可以是线性的也可以是其它函数关系。4、具有断电保持功能。5、模拟电压输出，需接A/D转换器。6、属于接触式，触点易磨损，寿命有限。7、有一定的测量范围，需加限位开关。424.2光电式编码器光电式编码器是一种非接触的数字位置位移传感器。它的基本原理是采用红外发射接受管，检测编码盘的位置或移动的方向、速度等。其优缺点刚好与电位器式相反，它是数字信号输出，接口方便；非接触式寿命长；不需限位可以无限次旋转等。有绝对式和增量式两种形式。43绝对式编码器的码盘示意图444.2.2增量式编码器45增量式编码器的原理•增量式光电编码盘上只有A、B、C三条码道，只需要三对红外发射接受管。在A、B码道上分别刻有等距离的黑白相间标识（或透光缝隙）并相互错开半个缝宽（90度），C道只有一个黑点，每转一圈出一个脉冲。•应用增量式编码器可以得到运动的方向（正转、反转）；运动的速度；位移等信息。46五、力觉传感器有关力和压力传感器种类较多：例如压电晶体：受到挤压会产生相应电压（如电唱机）；力敏电阻：一种聚合物厚膜器件，其阻值随垂直施加在表面的力的增加而降低。电阻应变片：阻值与形变成正比。47六、声音传感器一般采用话筒（麦克风）作为声音传感器。有动圈式和电容式两种。在简易机器人中往往作为检测声音的有无，声音的大小等简单声控功能。48（3）传感器与单片