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转 模拟电路控制的循线机器人  

2016-07-12 11:02:34|  分类: 机器人制作 |  标签: |举报 |字号 订阅

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 本文介绍一部由模拟计算机控制的循线小车,它由传感器和线性比例器构成,原理简单易懂,无需编程。只要具备模拟电路知识就可以上手制作。

  下面开始,我们的口号是DO IT ALL THE WAY!
  一,制作小车底盘。
  材料清单:
  名称      数量
  瓶盖      2只
  微型减速电机  2只
  工业端子排   1条
  通孔珠子    1个
  曲别针      1个
  M3螺丝螺母   若干
  洞洞板     若干
  M3套管    4个
  M3铜柱    若干
  4AAA电池仓  1个
  双面胶带    适量
         从工业端子排里面拆出两套铜芯,作为轴连器,用来连接车轮和电机。我是用的是380V10A的端子排,铜芯内径是3MM,连接3MM的螺丝和电机输出轴非常合适。这种端子排在一般的五金灯具市场都可以买到,有的吸顶式节能灯的镇流器里面也有这样的铜芯。如下图A。

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         下图是准备好的材料,很简单吧?除了电机,其他材料都是生活中常见的。瓶盖用来做车轮,要选择直径比电机大一些,这样小车下面的电池仓距离地面有一定高度,不会蹭底盘。盖子边缘厚一些,可以增加摩擦力,小车走起来不会打滑。我用的是婴儿食品的金属盖子,铁灰色,比较耐看。如下图B。

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        在瓶盖的中心打一个3MM的孔,借助一颗3MM的螺丝和轴连器,连接好电机和车轮。用曲别针穿上珠子,弯成下图C形状,做小车的尾轮。
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把减速电机稍微靠前,固定在一片洞洞板上。这里电机是用铁丝缠绕并焊接固定的,简单点也可以用热熔胶固定,或者用薄铁皮做一对箍子,配合螺丝固定好电机。如下图D。 

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          尾轮靠后用螺丝固定在电路板下方。电池仓直接用双面胶贴在洞洞板下面。如下图E。

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           我是用的是5X7厘米的预制洞洞板,四角有安装孔,借助铜螺丝可以很方便的一片片叠加起来。把电机和电源都单独引出接头,方便将来和上面控制板的连接。如下图F。

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这样,一个基础小车的底盘就做好了。5X7厘米的洞洞板上有足够数量的焊盘,将来还可以用它做单片机小车,换不同的控制板,实现不同的用途。很方便吧?

二,制作循线控制板
  这台循线小车是由模拟计算机控制的。模拟计算机是用电流、电压等连续变化的物理量直接进行运算的计算机,由运算放大器构成核心器件,运算过程不存在模数-数模转换和编程算法的问题。
  线路图:
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 芯片接线图:
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 元件清单:
  型号 数量
  ITR20001-T红外线光电开关 2
  74HC240配插座 1
  5V小型继电器 2
  4.3K电阻 2
  10K电阻 1
  100欧姆电阻 2
  网线芯 若干
  洞洞板 若干
  LED 1
  细导线 若干

  小车每侧的车轮由两只反相器组成的比例器控制,通过继电器带动减速电机运转。这里使用的是一片八路反相驱动芯片74HC240作为模拟计算机的核心。读者也可以使用通用运算放大器接成反相器来替代,控制效果是一样的。

以下是小车运行状态的分析:

  1, 当比例器输入端的红外线光电开关检测到黑线的时候,红外线接收管接收到的反射光减小,接收管呈高阻状态,比例器输入和输出都是高电平,驱动继电器吸合,与之相应的减速电机带动车轮转动。

  2, 当左右两只光电开关都检测到黑线,两只继电器同时吸合,小车全速直行。当黑线终止的时候,两个光电开关发射管发出的光线经地面反射至接收管,接收管接收到的入射光增加,比例器输入电平降低,输出电平跟着降低,两只继电器释放,小车停驶。

  3, 由此不难分析出小车拐弯时的状态:以小车为第一视角,行驶中遇到顺时针弯道,左侧光电开关首先脱离黑线,继电器J1释放,右轮停转;左轮带动小车做顺时针转动,直至左侧光电开关回复到黑线上方。

  4, 逆时针弯道的转向状态与上面相反。

  5, 避障控制是利用74HC240的使能端来实现的。当小车前方没有障碍物的时候,74HC240的1脚,11脚因为10K下拉电阻的作用,保持在低电平,对应的四只反相器U1,U2,U3,U4为使能状态。9脚为高电平,LED灯亮,小车按设计运转。当遇到障碍物的时候,1脚和11脚为高电平,四组反相器为关断状态,LED灯灭,小车静默。避障开关的优先级高于光电开关,无论小车在那种运行状态,只要避障开关动作,都会强制小车进入静默状态。


总结起来如下表所示:
  状态 避障开关 右光电开关 左光电开关 继电器J1 继电器J2 右轮 左轮 小车
  1 断 黑 黑 吸和 吸和 转 转 前进
  2 断 黑线 白 释放 吸和 停 转 顺时针
  3 断 白 黑线 吸和 释放 转 停 逆时针
  4 断 白 白 释放 释放 停 停 停
  5 通 任意 任意 释放 释放 停 停 停

  下图是光电开关的安装示意。两只红外线光电开关焊接在一片裁剪成条形的洞洞板上,要求模块间距略小于路面黑线的宽度。也就是当小车直线行驶的时候,两只模块同时位于黑线上方。
        用两根曲别针弯一对L型的支架,把传感器板固定在小车前部。铁质曲别针很好定型,使得微调光电开关与路面间距变得很简单。线路图里面的电阻数值是配合ITR20001-T型红外线光电开关,经过实际试验决定的。当传感器距离路面5MM的情况下,可以准确动作。如果爱好者使用其他型号的光电开关,电阻数值需要做适当调整。

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        下图所示为避障开关的做法。简单到只需要一根电阻腿,一段网线。
  用电阻腿弯一个圆圈焊在洞洞板上,做为开关的定片;网线剥皮穿过圆圈焊在洞洞板上,与圆圈保持微小的间距,做为开关的动片。在网线碰到物体的时候,定片和动片接触,触发电路动作。
  因为74HC系列的芯片为CMOS器件,输入阻抗很高,这里可以忽略开关的接触电阻,即使有几百欧姆的接触电阻也不会影响电路的正常动作,实际上这个简陋的土制开关动作非常灵敏。

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    因为电路比较简单,控制板的焊接过程不再做过多说明。5X7厘米的洞洞板空间很大,我把光电开关的电阻用串并联的方式焊在的电路板上,这样有两个好处:一是可以很方便的通过短路个别电阻来调整传感器灵敏度,二是分散的电阻布局使得线路板看上去不会显得太空,外观上比较美观。

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