机器人仿生机器龟设课程设计

课 程 设 计

设计题目： 仿生机器龟设计

仿生机器龟设计

课程设计任务书

课程设计题目： 仿生机器龟设计

I

沈阳工程学院课程设计（论文）

仿生机器龟设计

1 设计主要内容及要求

1.1设计目的：

（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。

（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能执行一定的任务。

1.2基本要求：

（1）要求设计一个具有仿生功能的机器人；

（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。 （3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。 1.3发挥部分： 自由发挥

2 设计过程及论文的基本要求：

2.1 设计过程的基本要求

（1）基本部分必须完成，发挥部分可任选；

（2）符合设计要求的报告一份，其中包括总体设计框图、电路原理图各一份； （3）设计过程的资料、草稿要求保留并随设计报告一起上交；报告的电子档需全班统一存盘上交。

2.2 课程设计论文的基本要求

（1）参照毕业设计论文规范打印，包括附录中的图纸。项目齐全、不许涂改，不少于3000字。图纸为A4，所有插图不允许复印。

（2）装订顺序：封面、任务书、成绩评审意见表、中文摘要、关键词、目录、正文（设计题目、设计任务、设计思路、设计框图、各部分电路及相应的详细的功能分析和重要的参数计算、工作过程分析、元器件清单、主要器件介绍）、小结、参考文献、附录（总体设计框图与电路原理图）。

3 时间进度安排

顺序 1 2 3 4 5 阶段日期 2010.7.19 2010.7.20 2010.7.21 2010.7.22 2010.7.23 计 划 完 成 内 容 讲解主要设计内容，学生根据任务书做出原始框图 检查框图及初步原理图完成情况，讲解及纠正错误 继续修正逻辑图，指导原理图绘制方法，布置答辩 答辩、写报告 备注 打分 打分 打分 打分 检查逻辑图并指出错误及纠正；讲解原理图绘制及报告书写 打分 2010-7-19

II

仿生机器龟设计

沈 阳 工 程 学 院

机器人技术及其应用 课程设计成绩评定表

指 导 教 师 评 审 意 见 评价 内容 具 体 要 求 权重 0.1 5 评 分 4 3 2 加权分 调研 能查阅文献,收集资料；能制定课程设计方案论证 和日程安排。 工作工作态度认真，遵守纪律，出勤情况是否良好，能能力 够完成设计工作， 态度 工作量 按期完成规定的设计任务，工作量饱满，难度适宜。 0.2 5 4 3 2 0.2 5 4 3 2 说明说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字书的通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表质量 完备，书写工整规范。 0.5 5 4 3 2 指导教师评审成绩 （加权分合计乘以12） 指 导 教 师 签 名： 分 加权分合计 年 月 日 评 阅 教 师 评 审 意 见 评价 内容 查阅 文献 工作量 具 体 要 求 查阅文献有一定广泛性；有综合归纳资料的能力 工作量饱满，难度适中。 权重 0.2 0.5 评 分 加权分 5 5 5 4 4 4 3 3 3 2 2 2 说明说明书立论正确，论述充分，结论严谨合理，文字书的通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，图表质量 完备，书写工整规范。 0.3 评阅教师评审成绩 （加权分合计乘以8） 评 阅 教 师 签 名： 课 程 设 计 总 评 成 绩 分 加权分合计 年 月 日 分 III

沈阳工程学院课程设计（论文）

中文摘要

随着人类认知领域的不断扩展和研究层次的不断深入，人类的作业环境也开始向着更为复杂的空间发展，例如核辐射场所、深海、太空、有毒环境或高温高压等。这些环境的作业条件远远超出了人类所能够承受的极限，因此人们就开始寻找可以代替人来完成作业的物体，最终人们发明了机器人这种拟人化的机器。

机器人是一种智能型的机器，它能够代替人类的部分工作，从处理个别问题的速度和可靠性来看，它在一定程度上已经超过了人。在国际上关于机器人的定义有好几种，但是这几种不同的定义都有共同的属性是：象人或人的一部分，并模仿人的动作；具有智能或感觉与识别能力；是人制造的机器或机械电子装置。在研究机器人和制造机器人的领域必须要知道机器人学的三定律：第一，机器人不得伤害人或由于故障而使人遭受不幸；也不得见人受到伤害而袖手旁观 。第二，机器人应执行人们所下达的指令，除非这些指令与第一定律相矛盾；第三，机器人应能保护自己的生存，只要这种防护行为不与第一或第二定律相矛盾。所以无论在任何时候，我们都要遵守这三定律。

本次课程设计的题目是仿生机器龟，仿生是模仿生物系统的功能和行为，来建造技术系统的一种科学方法。它打破了生物和机器的界限，将各种不同的系统沟通起来。本次设计通过四个部分来实现机器龟的基本功能。分别是主控制器、驱动部分、传感器部分、机器人的控制部分的设计。其中，在主控制器部分我是通过C8051单片机对机器龟的行动进行控制的。驱动部分，我选择的是直流电动机，由于直流电机控制方便，只用一个简单的H桥电路就能实现电动机的正反转。传感器部分，避障传感器我选择的是红外传感器，趋光传感器我选择的是光敏电阻，机器龟的觅食其实就是当它本身要没有电的时候自动去寻找阳光充电。机器龟的新走机构我选择的是四轮式行走机构。

总之，我设计的机器龟的整体结构包括两个驱动轮，两个转动轮，四个红外传感器，两个光敏电阻，单片机。红外传感器分别位于壳体的前、后、左、右，两个光敏电阻分别位于壳体前部的左右两侧。四个红外传感器，两个光敏电阻的测量电路分别与单片机连接，四个红外传感器用于检测障碍物，光敏电阻用于检测光强，单片机通过根据红外传感器，光敏电阻输入的信号来控制电机，进而控制驱动足。

关键词 传感器，电动机，机器人，仿生龟

IV

仿生机器龟设计

目 录

中文摘要 ............................................................................................................................................................ IV 1设计任务描述 ................................................................................................................................................... 1

1.1 设计题目：仿生机器龟的设计 .......................................................................................................... 1 1.2 设计要求 .............................................................................................................................................. 1

1.2.1 设计目的 ................................................................................................................................... 1 1.3 基本要求 .............................................................................................................................................. 1

1.3.1 发挥部分 ................................................................................................................................... 1

2 设计思路 .......................................................................................................................................................... 2

2.1 行走机构的设计 .................................................................................................................................. 2 2.2 执行器部分的选择 .............................................................................................................................. 2 2.3 驱动方式的选择 .................................................................................................................................. 2

2.3.1 液压驱动 ................................................................................................................................... 2 2.3.2 气压驱动 ................................................................................................................................... 3 2.3.3 电动机驱动 ............................................................................................................................... 3 2.4 传感器的选择 ...................................................................................................................................... 4

2.4.1 趋光功能传感器的选择 ........................................................................................................... 4 2.4.2 避障功能传感器的选择 ........................................................................................................... 4 2.5 主控制器的选择 .................................................................................................................................. 5 2.6 软件功能的实现 .................................................................................................................................. 5 2.7 电机驱动芯片的选择 .......................................................................................................................... 5 3 设计方框图 ...................................................................................................................................................... 7 4 硬件设计 .......................................................................................................................................................... 8

4.1 单片机模块 .......................................................................................................................................... 8

4.1.1 电源电路 ................................................................................................................................... 8 4.1.2 复位电路 ................................................................................................................................... 8 4.2 趋光功能的设计 .................................................................................................................................. 9

4.2.1 光敏电阻传感器 ....................................................................................................................... 9 4.2.2 光敏电阻的数量和布局 ........................................................................................................... 9 4.2.3 光敏电阻的测量电路 ............................................................................................................... 9 4.3 避障功能的设计 ................................................................................................................................ 10

4.3.1 红外传感器 ............................................................................................................................. 10 4.3.2 红外传感器的测量电路 ..........................................................................................................11 4.4 觅食功能的设计 .................................................................................................................................11 4.5 电机驱动部分的设计 ........................................................................................................................ 12

4.5.1 L298简介 ................................................................................................................................ 12 4.5.2 H桥原理简述 .......................................................................................................................... 12 4.5.3 驱动电路的设计 ..................................................................................................................... 13

5 系统软件 ........................................................................................................................................................ 14

5.1 软件流程图 ........................................................................................................................................ 14 6 工作过程分析 ................................................................................................................................................ 15

V

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7 元器件清单 .................................................................................................................................................... 16 8 主要元器件介绍 ............................................................................................................................................ 17

8.1 光敏电阻CdS的介绍 ........................................................................................................................ 17

8.2 红外传感器的介绍 .................................................................................................................... 17 8.3 LM7805的介绍 .......................................................................................................................... 17 8.4 C8051单片机 ............................................................................................................................ 17 8.5 LM298的简介 ............................................................................................................................ 18

小结 .................................................................................................................................... 错误！未定义书签。 致谢 .................................................................................................................................... 错误！未定义书签。 参考文献 ............................................................................................................................................................ 19 附录 .................................................................................................................................................................... 20

VI

仿生机器龟设计

1设计任务描述

1.1 设计题目：仿生机器龟的设计 1.2 设计要求

1.2.1 设计目的

（1）了解机器人技术的基本知识以及有关电工电子学、单片机、机械设计、传感器等相关技术。

（2）初步掌握机器人的运动学原理、基于智能机器人的控制理论，并应用于所设计的机器人中。

（3）通过学习，具体掌握机器人的控制技术，并使机器人能执行一定的任务。

1.3 基本要求

（1）要求设计一个具有仿生功能的机器人；

（2）要求设计机器人的行走机构，控制系统、传感器类型的选择及排列布局。 （3）要求机器人具有趋光功能（龟喜欢晒太阳），避障功能（不能撞到障碍物上），知道饥饿（电池电量检测功能）。 1.3.1 发挥部分

遇到障碍物时LED等报警。

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2 设计思路

2.1 行走机构的设计

行走机构是行走机器人的重要执行部件，也称为机器人的下肢，是机器人的关键部分，主要用来承受体重和完成位移，它决定着机器人能否迅速灵活地移动，能否准确地按照作者的意愿到达指定地点。机器人的行走机构首先要体现稳定性，其次是灵活性。行走机器人的行走机构主要有车轮式行走机构、履带式行走机构和足式行走机构。

一般而言，在崎岖的山路上，适合选择履带式行走机构；在沙漠中，适合选用足步式行走机构；在相对平坦的道路上，适合选择车轮式行走机构。由于轮式行走机构由滚动摩擦代替滑动摩擦，主要的特点式效率高，适合在平坦的路上移动，定位准确，而且重量较轻，制作简单。因为设计的仿真小龟主要是针对陆地而言的，而且对小龟的重量上还有一定的，所以，在设计仿真龟时，选择车轮式行走机构。

2.2 执行器部分的选择

驱动机器人做出各种行为，包括发出各种信号（点亮发光二极管、发出声音）的部分，并且可以根据控制器部分的信号调整自己的状态。对机器龟来说，最基本的就是轮子。这部分就好比乌龟的四肢一样。车轮型移动机构按车轮数可分为两轮式、三轮式和四轮式。

人们把非常简单、便宜的自行车或两轮摩托车用在机器人上的试验很早就进行了。但是人们很容易的就认识到两轮车的速度、倾斜等物理量精度不高，而进行机器人化，所需简单、便宜、可靠性高的传感器也很难获得。此外，两轮车制动时以及低速行走时也极不稳定。而使用三个轮的优点是所有的轮子都会着地，不会产生悬空现象，控制稳定。但当机器人重心偏移时，如转弯、相撞等，由于只有三个轮子支撑车体，稳定性不好。较三轮车体来说，四个轮子可以更好地支撑龟体，行走稳定，当重心偏移时，左右晃动小。所以在设计中我选择机器龟为四轮式。

2.3 驱动方式的选择

机器人驱动方式可分为液压式、气动式和电动式。 2.3.1 液压驱动

液压驱动的特点是，液压容易达到较高的压力，体积较小，可以获得较大的推力或转矩；液压系统介质的可压缩性小，工作平稳可靠，并可得到较高的位置精度；在液压传动

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仿生机器龟设计

中，力、速度和方向比较容易实现自动控制；液压系统由于采用油液作介质，具有防锈性和自润滑性，可以提高机械效率，使用寿命长。但是，液压驱动方式也有不足之处，由于油液的粘度随着温度的变化而变化，影响工作性能，高温容易引起燃烧爆炸等危险；另外液体的泄露难于克服，要求液压元件有较高的精度和质量，故造价比很高。

总之这种驱动方式的输出力和功率很大，经常用于比较大型机器人关节的驱动，而且这种驱动方式还存在着危险性，所以对于仿生机器龟来说不适合选择液压驱动方式。 2.3.2 气压驱动

气压驱动的特点是，压缩空气粘度小，很容易达到高速；它不必添加动力设备；空气介质对环境无污染，使用安全，可直接应用于高温作业；气动元件工作压力低。但是它的不足之处是若要获得较大的力，其结构就要相对的增大，而且空气压缩性大，工作平稳性差，速度控制困难，要想达到准确的位置控制很困难。另外，还有一个严重的问题是，压缩空气的排水问题如果处理不当会使钢类零件生锈，导致机器人失灵。此外，排气还会造成噪声污染。

总之，气压驱动多用于开关控制和顺序控制的机器人，且其体积较大和精确度不高等缺点也使其不适合作为仿生机器龟的驱动方式。 2.3.3 电动机驱动

经过以上的分析可知，液压式和气压式都不适合作为机器龟的驱动方式，所以就选择电动式作为机器龟的驱动方式。电动机驱动又分为直流电动机、步进电动机和伺服电动机。下面，分别介绍这三种电动机。

方案一：步进电动机。步进电机是利用电磁铁原理,将脉冲信号 转换成线位移或角位 移的电机。每来一个电脉冲，电机转动一个角度，带动机械移动一小段距离。它的工作特点是给步进脉冲电机就转，不给步进脉冲电机就不转；步进脉冲频率高，步进电机转得快；步进脉冲频率低，步进电机转得就慢；改变各相的通电方式（叫脉冲分配）可以改变步进电机的运行方式；改变通电顺序，可以控制步进电机的正、反转。

方案二：伺服电动机。一个微型伺服马达内部包括了一个小型直流马达，一组变速齿轮组，一个反馈可调电位器，及一块电子控制板。其中，高速转动的直流马达提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出，齿轮组的变速比愈大，伺服马达的输出扭力也愈大，也就是说越能承受更大的重量。伺服电机容易与CPU连接，控制性能好，响应快，最大的优点是可以实现速度和位置的精确控制，适合于中小型机器人。

方案三：直流电动机。直流电机由定子、转子和换向器。定子是固定在机身的圆桶状部分，一般由永磁材料或能产生磁场的线圈制成。由于直流电机驱动是开环控制，所以行进速度一般固定，精度不高，直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。但是直流电机控制起来简单，它只有两根线，一根是电源线，一根

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是接地线。要想控制直流电机的转度，只要加大加在电源线上的电压即可，加大电压的方法是通过调节脉冲的占空比来实现的。如果要想实现电机的正反转，那么就用H桥电路，通过H桥电路就可以实现直流电机的正反转。

综上所述，我选用方案三直流电机作为机器龟的驱动电机。

2.4 传感器的选择

传感器是能够感受被测量（如物理量、化学量、生物量），并能按照一定的规律转换成可用输出信号（通常为电信号）的器件或装置。机器人用来读取各种外部信号的传感器，以及控制机器人行动的各种开关。好比人的眼睛、耳朵等感觉器官。所以选择正确的传感器在设计中就显得尤为重要。 2.4.1 趋光功能传感器的选择

由于乌龟喜欢晒太阳，它为了生存下去必须要保证不断电，为了保证当本身的电量要用完的时候它能够自动去寻找光源充电，所以在设计中要让小龟有寻光的功能，那么当小龟寻找到光源之后，还要准确的对准光源进行充电，所以在设计中还要让小龟有趋光的功能。

自然界中有很多信息是通过光辐射传播的，通过光电器件可获得这些信息。光敏电阻是一种重要的光电转换器件，它是基于内光电效应的光电元件，在光照作用下能使物体的电导率发生变化的现象称为内光电效应。当内光电效应发生时，固体材料吸收的能量使部分价带电子迁移到导带，同时在价带中留下空穴，由于材料中载流子数量增加，其电导率也增加,使电阻值减小。光敏电阻便是利用这一原理，当有光照时,其电阻值很小减小，没有光照时电阻阻值很大，而且，光敏电阻灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等，所以在设计中，我选择了光敏电阻来完成小龟的寻光功能。

2.4.2 避障功能传感器的选择

避障可以说是各种机器人最基本的功能。因此选择合适的测障传感器是非常重要的 常用的避障传感器有以下几种:

方案一：接触式传感器—碰撞开关。碰撞开关的特点是电路为常开，碰到障碍物后连 通，可以用来检测机器人是否发生碰撞。碰撞开关价格便宜，使用简单，使用范围广，对环境条件没有什么。但是，它也有缺点，它的缺点是必须在发生碰撞后才能检测到障碍，这在某些机器人比赛中是相当失分的。并且使用时间较长后容易发生机械疲劳，无法继续正常工作。

方案二：探测障碍物使用超声波传感器。采用超声波传感器，如果传感器接收到反射

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仿生机器龟设计

的超声波，则通知单片机前方有障碍物，反之则通知单片机可以向前行驶。经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。而且超声波传感器价格比较昂贵。

方案三：使用光敏传感器，直接根据光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行,单片机控制电机绕开障碍物行驶。

方案四：红外传感器。机器人自主避碰运动规划只要求对障碍物存在或不存在进行判断。所以，使用红外线传感器就可以满足要求。这种传感器的工作原理就是发射某种射线，遇到障碍物会被反射回来，这时传感器就认为发现了障碍物。传感器由红外线发射电路和接受电路组成。单片机通过接收红外传感器的信号,判断出传感器是否检测到障碍物,从而做出避障动作。

综合上述并结合实际，在本次设计中避障传感器我选择方案四，红外传感器。

2.5 主控制器的选择

主控制器用来接收传感器部分传递过来的信号，并根据事前写入的决策系统（软件程序），来决定机器人对外部信号的反应，将控制信号发给执行器部分，就好比人的大脑。 适合机器人的控制芯片有很多：单片机、DSP、甚至我们计算机上所用的CPU，都可以。但是，在本次设计中我还是选用了我们最熟悉的，价格最便宜的单片机。

单片机是整个系统的核心，它作为冯诺依曼体系结构中的运算器、存储器和控制器的集成，是系统中其它所有输入输出信息的控制和处理中心，本设计中采用的单片机是我们学过的C8051系列单片机。

2.6 软件功能的实现

当外界的传感器传送给单片机后，接下来就需要进行软件编程了，来对机器龟的各种行为进行控制。在本次设计中，机器龟的控制系统采用汇编语言编程，整个软件程序主要由主程序、初始化程序、躲避障碍物子程序、寻光子程序、充电子程序和转弯子程序，还有前进子程序等组成。主程序主要起到导向和决策的功能,决定什么时候该做什么，机器龟的各种功能主要是通过调用具体的子程序模块来实现的。

2.7 电机驱动芯片的选择

在自制机器人的时候，选择一个合适的驱动电路也是非常重要的。在我的设计中我选

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择直流电动机，直流电机最常用的驱动电路是H桥电路，但是考虑如果用硬件来完成H桥电路的搭建非常麻烦，而且所占的空间也大，所以在我的设计中选择了集成的驱动芯片LM298，这款芯片内部集成了H桥电路，就不用再自己搭配了。给我的设计带来了很大的方便。

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3 设计方框图

光源 障碍物 A/D转换 A/D转换 光敏电阻 红外传感器 电源电路 C8051 单 片 机 LED 复位电路 报警 LM298 驱动芯片 向右转 直流电机 向左转 直线前进

图3-1 仿真机器龟硬件设计方框图

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4 硬件设计

4.1 单片机模块

4.1.1 电源电路

在设计中使用了单片机作为主控制器，它正常工作时为5V供电，且电路工作稳态电流较小，因此对电源要求不高。因此在本次设计中我选用LM7805集成稳压电路，它的输出电压为5V，输出电流可达1.5A。由LM7805集成稳压器组成的5V电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。+5V稳压电源电路如图4-1所示。

1D1D44220v7.5vD3321LM780535VD2C1100u2C2470uR01K

图4-1 +5V稳压电源电路

4.1.2 复位电路

复位可分为外部复位和看门狗复位，通常复位都选择外部复位方式，外部复位又叫硬件复位，硬件复位电路的工作原理是，系统正常工作时，RESET引脚通过4.7K电阻接到电源正极，所以应为高电平，若按下复位按钮，则RESET引脚通过100接地为低电平，芯片复位。复位电路图如图4-2所示。

VCCR14.7KC3GND0.1uFR20.1KRESET复位开关

图4-2 复位电路

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4.2 趋光功能的设计

4.2.1 光敏电阻传感器

光敏电阻是根据半导体的光电导效应制成的。它所用的材料主要有：硒、硫化镉、硫化铝、硫化铋、硒化镉、硒化锌、砷化镓、硅等。其中对可见光敏感的硫化镉光敏电阻是最有代表性的一种。光敏电阻在使用时，可以加直流偏压，也可以加交流偏压，它的电流随电压呈线性变化。光敏电阻在无光照时，其暗阻值一般大于1500 kΩ，在有光照时，其亮阻值为几千欧，两者相差较大。光敏电阻的主要特点是：灵敏度高、体积小、重量轻、电性能稳定、可以交直流两用，而且制造工艺简单，价格便宜等。在实际使用中一般都选择硫化镉光敏电阻。

以硫化镉（CdS）为主要成分的光敏电阻是应用广泛的一种光敏，它是利用半导体的光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内的载流子增加，使其电导率增加。CdS通常都是制成薄膜结构的，以便收集和吸收更多的光线。光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽，既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分。 4.2.2 光敏电阻的数量和布局

光敏电阻硫化镉在黑暗环境中的阻值大约为100 kΩ，在明亮环境中阻值为10 kΩ，不同的硫化铅电阻的阻值相差很大，在机器龟的设计中我选择使用两个光敏电阻，并且需要尽量使两个硫化镉光敏电阻的阻值相等或接近。

由于硫化镉光敏电阻的电阻值变化较大，因此，在设计中最好多买几个硫化镉光敏电阻，使购买的数量多于需要使用的数量，然后对这些硫化镉电阻进行测量，从中选择一对电阻值最接近的硫化镉光敏电阻。

把筛选出来的两个硫化镉光敏电阻，分别放在机器龟前方的两侧位置，当这两个光敏电阻传感器接收光线的强度近似相等时，机器龟向前运动，如果一个硫化镉光敏电阻接收的光线强度比另一个强时，小龟则进行左转或者是右转。 4.2.3 光敏电阻的测量电路

机器龟的寻光电路如图4-3所示。在设计中采用桥电路，通过左右两边光强的照射，经过电压比较器来比较反馈光强度，并选择相应行走方向。

该电路的工作原理如下：两只光敏电阻通过下拉电阻连接到电压比较器的输入端，两只下拉电阻的阻值相等，因为两只光敏电阻的阻值不可能完全相等，所以在设计中又添加了一个滑动变阻器。光敏电阻R3是安装在小龟的左侧，R4安装在右侧的。当左侧的光强

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大于右侧的光强时，光敏电阻R3的阻值将变小，所分的电压也将变小，那么与它相连的固定电阻R6所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个低电平信号。当右侧的光强大于左侧的光强时，光敏电阻R4的阻值将变小，所分的电压也将变小，那么与它相连的固定电阻R5所分的电压将变大，这时电压比较器将会输出一个高电平信号。把转化之后的数字量送入单片机进行处理，来驱动机器龟转弯。

+5vCdSR3VoCdSR6R4R7R5GND

图4-3 光敏电阻测量电路

4.3 避障功能的设计

4.3.1 红外传感器

把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。红外式接近觉传感器的基本工作原理：它包括两个组成部分——发送器与接收器。发送器往往为红外发光二极管，而接收器一般为光敏晶体管。发送器向某物发出一束红外光后，该物体发射红外光，并被接收器所接收。通过反射与接收达到判断物体的存在的目的，经过信号处理与解算，又可获得其相对距离，从而确定其位置。红外式接近传感器的明显优点是在于它的发送器与接收器都很小，因此可以方便安装在机器人的各个部位。且它的应答性好，维修方便，是目前应用较多的—种接近觉传感器。一般把它用于移动机器人的路径探测和躲避障碍物。

红外传感器主要分为光电型和热敏型。红外传感器由两个红外发射管和一个红外接收管组成。红外发射管发出红外线，红外线在遇到障碍物后被反射回来，红外接收管收到被反射回来的红外线后，通过A/D转换送入单片机进行处理，并电量发光二极管LED。告诉机器龟前方有障碍物，不能直线前进了，要转弯。

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仿生机器龟设计

4.3.2 红外传感器的测量电路

传感器由红外线发射电路和检测器组成。发射电路使用555时基电路组成的脉冲发生器，其工作频率为38kHz，占空比为60%。其震荡频率为：

f1.44 （4-1）

(R12R2)*C1由式（4-1）可知，当Clnf、f38Hz时，(Ra2Rb) =37.97K。选定Rb =15K，

Ra通过一个可变电阻调节得到。555产生的脉冲波由OUT脚输出，经电阻加到驱动三极

管的基极上，由三极管驱动红外发光二极管发射红外线。检测器使用一个标准的38kHz的电视遥控接收器。由非门74HC14将信号整形，可以得到稳定的方波信号。在实验中发现，当前方没有障碍物时检测器也发生电平变化。经分析认为是红外发光二极管发出的红外线中的一部分直接被检测器检测到所造成的。在红外发光二极管和检测器之间加装金属隔板后，问题得到解决。红外发射电路如图4-4所示。

+5vR?POT2Rb=15KTLC55521nF1510nFOUTTRDGNDUccCORTH37862K3225NPN+5vGND

Ra=7.97K图4-4 红外发射电路

4.4 觅食功能的设计

本设计采用4.8V 镍氢充电电池为系统供电。太阳能电池板正负极通过一个三极管与电池正负极相连。有一个电压比较器比较电池电压与太阳能板的压差，如果压差高于某值，比较器控制三极管导通，太阳能电池板对充电电池充电。充电电池电压上升，当高于某值时控制三极管关断，结束充电。为使太阳能板能对电池组充电，要求太阳能板在阳光直射

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下输出电压高于8V。

4.5 电机驱动部分的设计

4.5.1 L298简介

L298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器龟正反转控制的需要。L298是一块单片集成电路，有两种封装形式，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等。采用L298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机的正反转。L298内部包含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器接收标准逻辑电平信号，可以驱动46V、2A以下的电机。L298可驱动两个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转，这些特性使得L298很适合作直流电机控制芯片。 4.5.2 H桥原理简述

所谓 H 桥驱动电路是为了直流电机而设计的一种常见电路，它主要实现直流电机的正反向驱动，其典型电路形式如右图4-5所示：

VCCACMBD

图4-5 典型的H桥电路

（1）开关 A、D接通，电机为正向转动；

（2）开关B、C接通时，直流电机将反向转动；

（3）刹车 —— 将B 、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用；

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（4）惰行 —— 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。 4.5.3 驱动电路的设计

由于从单片机出来的信号太小，不能驱动电动机正常运转，所以在单片机与电动机之间添加一个驱动电路。驱动电路如图4-6所示。

采用专用芯片L298作为电机驱动芯片。L298采用由达林顿管组成的H型PWM电路。其中，M1、M2是直流电动机，VD1～VD8是整流二极管。L298的输入输出关系：使能控制端ENA接单片机的端口，当这个端口为高电平时，通过PWM信号输入端IN1和IN2可以控制电动机的正反转和速度（输入端IN1为PWM信号，输入端IN2为低电平，电动机正传；输入端IN2为PWM信号，输入端IN1为低电平，电动机反转）；当它为低电平时，驱动电桥上的4个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。

该驱动电路的工作过程是，单片机的两个PWM输出口P1.0和P1.2分别用于控制左右两个直流电机，分别连到LM298的IN1和IN3两个输入端，主要用来控制电机的转速。P1.1和P1.3是控制电机的正反转的，分别连在LM298的IN2和IN4两个输入端。这样，就可以实现L298输出端对电机的控制了。

+5v+C12100uFC130.1uC11100uFC140.1uFJ2P1.0P1.1P1.2P1.35710126118+5vIN1IN2IN3IN4EN AEN BGNDLM298VSSVSOUT1OUT2OUT3OUT4ISEN AISEN B94231314115D3DIODED5DIODED7DIODED9DIODEM1+M2D4DIODED6DIODED8DIODED10DIODE

图4-6 直流电机驱动电路

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5 系统软件

5.1 软件流程图

开始 定义头文件 开中断 电机控制程序 N 左右光 强一样？ 直线前进 N 左侧光比较强？ Y N 左转 Y 左边有障碍？ Y 右 转 Y 右边有障碍？ N 前进

图5-1 仿真机器龟制作的软件流程图

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6 工作过程分析

仿真机器龟的工作过程如下，在设计中使用了一些集成元器件以及单片机，根据它们的技术要求，正常工作时均为5V供电，且电路工作稳态电流较小，因此在本次设计中选用LM7805集成稳压电路，它的输出电压为5V，输出电流可达1.5A。由LM7805集成稳压器组成的5V电压源主要由变压器、整流电路、滤波电路、稳压电路组成。

本次设计的机器龟就是一个机器生命，机器生命就是一个能自主生存的机器，一个自动为生存下去而奋斗的机器。对于机器生命来说，生存的含义就是不断电，继续运行。机器生命具有完全自主决策、自主行动、活动于未知世界、不需人类参与就能持续运行并且自我维护等特征。这次设计的机器龟就有自主决策、自主行动、活动于未知世界的功能。它能自主寻光、觅食和避障等功能。

机器龟由四大模块组成，分别是机械部分、传感器部分、单片机部分以及驱动电机这四部分组成。它的工作过程是，合上电源开关，使机器龟进入工作状态，此时机器龟的后面两个左、右轮在直流电机作用，由单片机控制这两个轮的转速相同，使机器龟沿着直线向前走。由于从单片机出来的信号比较小，不能直接作用于电动机，所以要用驱动电路作为单片机和电动机之间的桥梁。在我的设计中我选择直流电动机，直流电机最常用的驱动电路是H桥电路，但是考虑如果用硬件来完成H桥电路的搭建非常麻烦，而且所占的空间也大，所以在我的设计中选择了集成的驱动芯片LM298，这款芯片内部集成了H桥电路，就不用再自己搭配了。电动机的转速是通过单片机的PWM输出端口输出来控制的。只要调节输出脉冲的占空比就可以实现机器龟的行走速度。

机器龟在行进过程中，左、右两侧的光敏电阻开始感知机器龟前方的光强，分别以数字信号值的形式传给单片机，然后单片机通过接受到的信号“0”或“1”来决定机器龟是向右转还是向左转。只要两个轮子的速度不同就能转向了，转向是利用单片机编程来实现的。如果左侧光强值大于右侧光强值，左轮正转，右轮反转，转向轮向右转动，驱使机器龟向右侧前进；反之，左轮反转，右轮正转，转向轮向左转动，驱使机器龟向左侧前进，以实现机器龟的趋光性。机器龟在行进过程中，四个红外传感器同时感知四周的障碍物信息，当机器龟前部的红外传感器感知到障碍物时，准备转弯，此时光敏电阻首先比较左、右两侧的光强，以使机器龟向着光线较弱的一侧转弯，如果两侧光强一样，则左、右两侧的红外传感器比较两侧障碍物的距离信息，并向着与障碍物距离远的一侧转弯。

这样，一个具有初级智能行为的机器龟就设计出来了。

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7 元器件清单

名称 普通电阻器 光敏电阻 红外传感器 电解电容 型号 数量 10 2 4 2 备注 整流二极管 发光二极管 LM298 直流电机 1N4004 12 1 1 2 LED 5V 电源 集成稳压器 单片机 变压器 LM7805 C8051f020

1 1 1

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8 主要元器件介绍

8.1 光敏电阻CdS的介绍

以硫化镉（CdS）为主要成分的光敏电阻是应用广泛的一种光敏，它是利用半导体的光电效应，即当光照射在硫化镉半导体表面上时，半导体内的载流子增加，使其电导率增加。CdS通常都是制成薄膜结构的，以便收集和吸收更多的光线。光敏电阻与其他半导体光电器件相比，有以下特点，光谱响应范围相当宽，工作电流大，所测得光电强度范围宽，既可测强光也可测弱光，灵敏度高，无选择极性之分。

8.2 红外传感器的介绍

把红外辐射转换成电量变化的装置，称为红外传感器。红外传感器主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥控。它可以不从被测物体上吸收热量，不会干扰被测对象的温度场，连续测量不会产生消耗，反应快等优点。

红外传感器主要分为光电型和热敏型。光电型是利用红外辐射的光电效应制成的，其核心是光电元件，这类传感器主要有红外二极管、三极管等。热敏型主要制作红外温度传感器，它是利用红外辐射的热效应制成的，其核心是热敏元件。

8.3 LM7805的介绍

LM7805是美国半导体公司的固定输出三端正稳压器集成电路，输出电流在1A以上，输出电压是+5V。内其内部包括过热、过流和调整管保护等电路，误差放大电路，基准电压电路和调整电路，使用比较方便且稳定精度高。

8.4 C8051单片机

C8051系列单片机是集成的混合信号片上系统，具有与MCS-51内核及指令集完全兼容的微控制器，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其他数字外设及功能部件。C8051系列单片机是真正能工作的片上系统（SOC）。CPU有效地管理模拟和数字外设，可以关闭单个或全部外设以节省功耗。

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8.5 LM298的简介

L298是双通道直流电动机驱动芯片，它可以满足机器龟正反转控制的需要。L298是一块单片集成电路，有两种封装形式，它是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电动机，也可以驱动感性负载，如继电器、电动阀、步进电动机等。采用L298作为电动机驱动电路，可靠性高，可以方便地控制电动机的正反转。

它的功率电源电压范围为2.5～46V，逻辑工作电源电压工作范围：5～7 V。最大静态工作电流是70mA。L298的主要参数：允许驱动电压50V；允许控制电压+50V；直流允许输出电流2A；直流最大允许尖峰电流3A；允许采样电压-1～2.3V；允许功耗25 W。

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参考文献

[1] 杜军平，吴立成.人工智能机器人学导论.北京：电子工业出版社，2004 [2] 方建军，何广平.智能机器人.北京：化学工业出版社，2003 [3] 刘荣.机器人探索工程实践指南.北京：电子工业出版社，2004

[4] 陈恳，杨向东，刘莉.机器人技术与应用.北京：清华大学出版社，2006 [5] 山名宏治.玩具机器人制作.北京：科学出版社，2005

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附录

1D1D44220v7.5vD33DR1621LM78053P0.0VccP0.1R01KP1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6R?POT2RESETP1.7C8051P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.70.1K0.1uFGND4.7KLEDVCCD2C1100u2C2470uRb=15KTLC55521nF1510nFOUTTRDGNDUccCORTH372K3225NPN+5vCdS86GND100uF++5vCdSGNDR?POT2R6R5Ra=7.97K+5vGND0.1uF+10uFLM2980.1uFP1.0P1.15710126118IN1IN2IN3IN4ENAENBGNDVssVsOUT1OUT2OUT3OUT4ISENAISENB942D3DIODED5DIODED7D9DIODEDIODEGNDP1.2P1.3GND31413115D4DIODED6DIODED8D10DIODEDIODE+5vGND - 20 -