用NE555制作尋光機(jī)器人

ID:76244 · 發(fā)表于 2015-4-7 00:43

在日常生活和學(xué)習(xí)中充斥著高新技術(shù)的今天，“低技術(shù)”表達(dá)的是回歸自然和傳統(tǒng)，去挖掘人類早已擁有的聰明才智。低技術(shù)不要求我們一味地追求技術(shù)的尖端化，但其所展現(xiàn)的科技成果和科學(xué)理念同樣精彩。本文將通過(guò)一部尋光機(jī)器人的制作，向大家展示低技術(shù)的魅力。一、低技術(shù)機(jī)器人
尋光機(jī)器人，相信很多機(jī)器人愛(ài)好者都曾經(jīng)研究和實(shí)際制作過(guò)。常見(jiàn)的設(shè)計(jì)思路是采用一對(duì)光電傳感器檢測(cè)環(huán)境光，傳感器的輸出信號(hào)送入單片機(jī)I/O口，或者AD口（進(jìn)行AD變換，視傳感器輸出信號(hào)而定），經(jīng)過(guò)程序算法，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)一對(duì)減速電機(jī)或者步進(jìn)電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)機(jī)器人向著光線強(qiáng)的位置運(yùn)動(dòng)。這類解決方案，從機(jī)器人電子部分的造價(jià)來(lái)看，現(xiàn)在市場(chǎng)上機(jī)器人專用光電傳感器大概在20元一只；單片機(jī)，常見(jiàn)的51、AVR、PIC在5～10元，與之配套的PCB工程板在50元左右；雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293、L298在8元左右；此外還有單片機(jī)編程所需的配套軟件，下載燒錄硬件等。
那么，用低技術(shù)的設(shè)計(jì)思路來(lái)制作一個(gè)尋光機(jī)器人，可以把電路簡(jiǎn)化到什么程度呢？它的造價(jià)又可以做到多低呢？答案是只需要三個(gè)元件：一片NE555和一對(duì)光敏電阻。這個(gè)低技術(shù)機(jī)器人的電子部分，造價(jià)將小于1元。NE555尋光機(jī)器人的線路如圖1所示。它是由GrantM在2001年設(shè)計(jì)的。

從圖1中可以看出，NE555工作在雙穩(wěn)態(tài)，第2腳和6腳連接在一起構(gòu)成施密特觸發(fā)器模式。光敏電阻構(gòu)成機(jī)器人的虛擬視野，用來(lái)檢測(cè)機(jī)器人前方的環(huán)境光。機(jī)器人的左眼與右減速電機(jī)、右眼與左減速電機(jī)，是彼此協(xié)同工作的，根據(jù)雙眼檢測(cè)到的環(huán)境光線的差異，由NE555驅(qū)動(dòng)兩只電機(jī)做差速運(yùn)轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)小車向著光線的方向前進(jìn)。從電路的角度來(lái)看，非常簡(jiǎn)單，但是其實(shí)質(zhì)上是一部可以移動(dòng)的模擬計(jì)算機(jī)，光敏電阻是這部計(jì)算機(jī)的輸入設(shè)備，電機(jī)是輸出設(shè)備。注意機(jī)器人在物理結(jié)構(gòu)上對(duì)兩個(gè)光敏電阻和減速電機(jī)的安裝位置有嚴(yán)格要求，圖1中所示的左右方位是從車尾向車頭看的，還需要注意兩只電機(jī)的極性不可接反，否則會(huì)出現(xiàn)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)紊亂的現(xiàn)象。

表1歸納了機(jī)器人在不同環(huán)境光下的運(yùn)動(dòng)特性。,受光敏電阻夾角位置，元件電氣對(duì)稱性，環(huán)境光的變化，電機(jī)和車體的結(jié)構(gòu)的影響，實(shí)際機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方式非常復(fù)雜。筆者制作的這只機(jī)器人，放在中廳會(huì)尋著光線自己跑到陽(yáng)臺(tái)，在陽(yáng)光下是做一種不規(guī)則的8字轉(zhuǎn)動(dòng)；在無(wú)光的環(huán)境下做順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。最奇妙的是，因?yàn)槲沂褂昧烁哽`敏度快速響應(yīng)的光敏元件，這部機(jī)器人甚至可以“感覺(jué)”到墻壁的反光，對(duì)墻壁，衣柜，桌子腿這些淺色高反光物體表現(xiàn)出一種避障特性（靠近墻壁會(huì)自己拐彎）。下面是我制作NE555尋光機(jī)器人的過(guò)程。

二、制作尋光機(jī)器人
業(yè)余制作機(jī)器人是一件非常有趣的事情，愛(ài)好者不光要處理好電路的問(wèn)題，還要解決機(jī)械結(jié)構(gòu)的問(wèn)題。而制作一部個(gè)性十足的移動(dòng)式機(jī)器人的底盤，就需要好好動(dòng)一番腦筋了。
制作這個(gè)底盤的原則是在滿足功能的前提下，結(jié)構(gòu)盡量簡(jiǎn)單，同時(shí)兼顧一點(diǎn)藝術(shù)性。

從圖2中可以看到，這部機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)使用的是最常見(jiàn)，最普通的材料。輪胎、減速電機(jī)和萬(wàn)向輪是入門級(jí)小車機(jī)器人的標(biāo)準(zhǔn)配置，在網(wǎng)上可以很容易買到。車體使用一片覆銅板邊角料加工而成。為了簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，替換方便，電機(jī)和電池盒使用雙面膠帶粘接的方式與車體固定。NE555選用常見(jiàn)的8腳雙列直插式封裝，方便焊接。光敏電阻沒(méi)有特殊要求，可以使用能買到的任意規(guī)格的光敏元件，有的LED二極管也呈現(xiàn)出光敏特性，也可以直接拿來(lái)用。我使用的是一對(duì)直徑5mm的紅外線接收管，反相串聯(lián)在+6V電源與地之間。紅外線二極管的好處是適應(yīng)光線范圍大，響應(yīng)時(shí)間比光敏電阻快，在陽(yáng)光、燈光甚至家電遙控器下都可以靈敏的動(dòng)作。

我使用一片厚度1.5mm的單面環(huán)氧樹(shù)脂覆銅板作為機(jī)器人的主體結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖3）。覆銅板質(zhì)輕，而且有著很好的強(qiáng)度和韌性，也很容易加工。銅皮一面作為機(jī)器人的頂部兼電源地，這樣有兩個(gè)好處：一是可以在銅皮面上迅速的搭建起機(jī)器人的電子部分；二是美觀，黃銅的顏色使這部機(jī)器人看起來(lái)別具一格。
機(jī)器人頭部的萬(wàn)向輪使用四組M3螺釘螺母固定在主體上（見(jiàn)圖4）。需要注意在萬(wàn)向輪水平的轉(zhuǎn)動(dòng)范圍內(nèi)要留有足夠的空間，使它在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中不會(huì)碰到機(jī)器人尾部的電池倉(cāng)。為了使機(jī)器人的主體處于水平位置，可能還要根據(jù)后輪的的情況，在萬(wàn)向輪的法蘭盤上適當(dāng)加一些墊片來(lái)微調(diào)它的高度。
兩只減速電機(jī)作為機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置，借助雙面膠帶粘在覆銅板下面（見(jiàn)圖5）。使用膠帶的好處是可以迅速搭建起需要的結(jié)構(gòu)，元件拆卸和替換非常便利，關(guān)鍵元件可以反復(fù)使用，對(duì)將來(lái)總體結(jié)構(gòu)的升級(jí)改造也是有益的。

4AA電池倉(cāng)借助雙面膠帶倉(cāng)粘在一對(duì)減速電機(jī)電機(jī)下面，完成以后的機(jī)器人重心非常平穩(wěn)。從圖6中的比例可以看出，機(jī)器人主體的覆銅板，長(zhǎng)度大概兩節(jié)AA電池，寬度大概一節(jié)AA電池，可以勻稱的安置上述這幾個(gè)元件。
電路非常簡(jiǎn)單，使我可以把更多的心思用在加強(qiáng)機(jī)器人的藝術(shù)感上，覆銅板邊沿打出兩列M3孔，方便布線和使用尼龍?jiān)鷰Ы壘€，使完成后的作品看起來(lái)規(guī)整。NE555和光敏元件采用壅根焊的方式，555芯片肚皮朝上，貼在銅皮上，8個(gè)管腳作為搭棚的棚架，在上面連通電路的節(jié)點(diǎn)。這個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)另一個(gè)值得稱道的地方是充分利用了555大電流輸出的特性（200mA），省略了電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，進(jìn)一步簡(jiǎn)化了電路。而在實(shí)際制作中，我也給了這片555芯片較高的待遇，把它安放在機(jī)器人頭部居中的位置，使它從外觀上看起來(lái)也比較象機(jī)器人的大腦和神經(jīng)中樞。完成后的機(jī)器人主體是擦的亮閃閃的黃銅色，配著黑色的輪胎，充滿了后現(xiàn)代的味道。
三、運(yùn)行效果
機(jī)器人的最終運(yùn)行效果是我最感興趣的。在完成了這部機(jī)器人以后，我分別作了幾組試驗(yàn)來(lái)觀察它的運(yùn)行效果：包括在自然光下、人造光源下和紅外線遙控器下的動(dòng)作。從電路設(shè)計(jì)上分析，這部機(jī)器人的主要行為就是尋光，對(duì)上述三種光源的反應(yīng)也驗(yàn)證了這一點(diǎn)。此外，受電子部分和機(jī)械部分離散性的影響，機(jī)器人與周圍環(huán)境之間的互動(dòng)還會(huì)觸發(fā)一些獨(dú)特的行為，如上面所提及的8字轉(zhuǎn)動(dòng)和借助物體的反光做簡(jiǎn)單避障運(yùn)動(dòng)。
四、擴(kuò)展你的思路
本文給大家提供一個(gè)新的思路去思考和解決實(shí)際的技術(shù)問(wèn)題，增加業(yè)余制作的趣味性。借助這部小車機(jī)器人的制作，愛(ài)好者可以體會(huì)到模擬控制電路簡(jiǎn)單與強(qiáng)大。如果把電路靈活變通一下，NE555的輸出連接大型繼電器，則可以用來(lái)控制大型太陽(yáng)能采光板，智能溫室系統(tǒng)等。還可以在555施密特觸發(fā)器之前，加入由阻容元件構(gòu)成的PID控制網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)化調(diào)整電路的運(yùn)行特性。當(dāng)然，模擬控制電路與現(xiàn)在主流的單片機(jī)、可編程控制器、嵌入式系統(tǒng)等比較，應(yīng)用上有很多局限性。單片機(jī)具有功能擴(kuò)展方便，動(dòng)作精度高等優(yōu)點(diǎn)，這些問(wèn)題都是模擬控制所解決不了的。而世界上再高端的單片機(jī)，也比不上設(shè)計(jì)師的想象力。END

ID:76306 · 發(fā)表于 2015-4-8 13:15

看了后，感覺(jué)到單片機(jī)的魅力的，以后要好好學(xué)習(xí)。

ID:79449 · 發(fā)表于 2015-5-9 17:58

好研究研究

ID:565663 · 發(fā)表于 2019-6-26 18:52

H全新發(fā)表于 2015-4-8 13:15
看了后，感覺(jué)到單片機(jī)的魅力的，以后要好好學(xué)習(xí)。

你怎么看出來(lái)的？

ID:614250 · 發(fā)表于 2019-9-20 23:06

這個(gè)板子貴嗎

ID:632323 · 發(fā)表于 2019-10-29 21:20

原理還是有點(diǎn)不懂

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