淺析C 語言教學輔助系統中機器人傳感器的選擇及應用

黃鑫

（北京信息職業技術學院，北京 100000）

一、嵌入式機器人主控板的選擇及詳細接口介紹

本文針對C 語言課程教學，以VB 作為編譯軟件，特選擇AVR 主控板，此主控板采用AVR ATmage128 單片機。128K 字節的系統內可編程Flash；4K 字節的EEPROM，4K 字節的內部SRAM。板內集成電源穩壓電路、16×2 字符液晶顯示器、聲控開關、蜂鳴器、雙路直流電機驅動電路等。提供26 個通用I/O 接口，其中8 個可用于模擬輸入進行10 位的A/D 轉換。另有I2C 和通用串行接口。

（一）電源及下載端口

AVR 主控板自帶電源穩壓電路，輸入電源范圍DC 3.6V—6V。與PC 機USB 接口連接實現機器人程序的下載。

（二）液晶顯示對比度調節

AVR 主控板上帶有LCD1602 液晶顯示器，利用電位器調節LCD1602 液晶顯示器的對比度。

（三）ISP 下載端口

主控板寫入低層程序接口，用于系統的初始化和支持PC 機通過USB接口與主板進行程序的下載。

（四）I/O 端口說明

1.三端連接插座。三端連接插座接口總計18 個，全部可用于數字位的輸入輸出。其中8 個數字接口（D0-D7）；8 個模擬接口（ADC0-ADC7）可接收DC 0-5V 的模擬信號進行10 位的A/D 轉換。

2.擴展接口。為需要多端口的外接模塊提供連接方便，主控板使用插針方式設置了兩組擴展接口。一組4 位（K0-K3），另一組6 位（K4-K9）。

3.I2C 接口。主控板的I2C 通訊采用主從方式。主板CPU 為主機，I2C接口的傳感器為從機。作為從機的I2C 傳感器各自有固定的地址。主控板只設置一個I2C 接口，多個I2C 傳感器可以并聯到主機。

4.驅動電機。主控板提供雙路直流電機驅動單元，常用于機器人行走電機的驅動控制。采用L298 驅動電路。可提供最高DC36V，總電流4A 的驅動能力。

5.擴展驅動接口。為方便外接驅動電路（步進電機或其它獨立的驅動電路），主控板設置了擴展驅動控制接口。本接口可按用戶需要提供多種電機驅動方式。

二、傳感器的選擇及應用

為了讓機器人更具有智能化，需要在主控板上連接相應傳感器，根據教學需要，特選擇三種類型的傳感器：數字量傳感器、模擬量傳感器、I2C 接口傳感器。針對這三種傳感器，需要集合在軟件之中，所以分別采用數字接口傳感器、模擬接口傳感器和I2C 接口傳感器來顯示。下面簡單介紹一下選擇的三種類型的傳感器。

（一）數字接口傳感器

各種開關量的傳感器的檢測結果均為二進制的一位數字信號，此類型的傳感器均為數字量傳感器，如：光電傳感器、紅外避障傳感器和超聲波傳感器、接觸傳感器、金屬傳感器、聲控開關等。這些傳感器均可配置3線鎖緊接插頭，與主控板上的三端連接插座配套。推薦使用這些傳感器與主控板的D 類接口（D0-D7）連接。若A 類接口（A0-A7）有空余，也可連接到A 類接口。若D 類和A 類接口沒有空余，再使用擴展I/O 接口。下面簡單介紹一下所選擇的數字接口傳感器。

1.紅外避障傳感器。紅外避障傳感器是一種能夠識別障礙物的傳感器。機器人在機身的前面、左面、右面、后面四個不同方位各安裝了一個紅外線傳感器，可以實現四個方向的避障，也可根據需要安裝更多的紅外傳感器。

紅外避障模塊是一種被動式紅外線傳感器。由石英晶體震蕩器、紅外發射管和一體化接收器組成。發射管發射調制的紅外線信號，遇到障礙物后會反射回來，被接收器接收。當在其有效距離內遇到障礙時，接收器輸出低電平。程序通過檢測接收器的輸出電平，便可知道是否有障礙物存在。避障傳感器的避障距離在5－80CM 范圍，可根據需要進行調節，調整過程中，有信號指示燈顯示，信號指示燈亮說明有避障信號。如圖1 所示。

2.光電傳感器。光電傳感器是可以識別顏色及色差的一種傳感器，光電傳感器可以識別不同的顏色，如深色呈現高電位（光電傳感器的電位顯示滅），白色呈現低電位（光電傳感器的電位顯示亮），利用它的這一特性，我們可以讓機器人做多種動作。利用左側和右側的接受光強不一致，也可以讓機器人走規定路線。

光電傳感器由輔助光源（發光二極管）、光敏電阻和比較器組成。它是基于光敏電阻原理設計的，即：光敏電阻的阻值與其接收的光線強度成反比。光線越強，阻值越小。當光敏電阻接收的光強接近時，其阻值較小，與固定電阻Rx 分壓后，使比較器的同向輸入端電壓低于反向輸入端，比較器輸出低電平。通過調整電位器滑動臂的位置，即可改變使比較器輸出低電平時的絕對光強。滑動臂向下調，反向輸入端電壓降低，需要更強的光照使光敏電阻的阻值更小，才能使同向輸入端電壓低于反向輸入端，輸出低電平。反之亦然。光電傳感器的缺點是受環境光影響較大，需要根據環境光線強弱的變化隨時調整電位器滑臂位置，才能獲得較好的效果。理想的經常分壓點的電壓低于電源電壓的1/2，在窗口比較器設定的窗口之內，兩個比較器均輸出高電平。當其中一個光敏電阻接收光強較強時，分壓點的電壓將遠離電源電壓的1/2，超出比較器設定的窗口，相應的比較器輸出低電平。如圖2 所示。

為使用方便，選擇的光電傳感器分上下兩個部分，上半部分為調節部分，主要用來進行調節對比點；下半部分為檢測部分，因為檢測部分常常接近被檢測物體，所以單獨分立出來，便于安裝。

（二）模擬接口傳感器

模擬接口傳感器主要是進行一些模擬量的測量，需要得到變化的數值，此類型傳感器需要具有線性變化的特性，檢測的結果均為模擬電壓信號，必須與A類接口連接。CPU可對A類端口輸入的信號進行A/D轉換處理。例如：光電接收（光感）傳感器、模擬光電（灰度）傳感器、紅外測距傳感器、模擬聲控傳感器等。下面簡單介紹一下所選擇的模擬接口傳感器

1.模擬光電傳感器。模擬光電傳感器用來檢測場地顏色的，可識別各種顏色，通過主板上的AD 口可以得到不同的數值，此數值在LCD 液晶顯示板上可以看見，在淺顏色下數值小，深顏色下數值大。為使用方便，同樣選擇上下兩部分組成。

2.模擬聲控傳感器。模擬聲控傳感器是機器人的耳朵，功能是利用聲音來控制機器人的運動。例如機器人跳舞就可以利用聲控模塊來實現。此傳感器由話筒、放大電路、整形電路組成。話筒接收到聲音信號，經放大、整形后，得到的是高低電平的變化。無聲時輸出為高電平，有聲時輸出低電平。如圖3 所示。

（三）I2C 接口傳感器

I2C 接口的傳感器均作為從機與作為主機的主板CPU 進行I2C 通訊。主板中只有一個I2C 插座，但此類傳感器均設置雙I2C 接口插座。需要使用多個I2C 傳感器時，可通過I2C 傳感器上的第二個I2C 接口接續連接。在此項目的使用上，我們選擇了一個復合尋跡傳感器。

下圖為復合尋跡傳感器接口圖，如圖4 所示。

復合尋跡傳感器并列設置7 個尋跡傳感器，適于實現復雜情況的尋線檢測。每路尋跡檢測設置有指示燈。此傳感器上設置有兩位DIP 開關，一位開關（1-4）用于選擇I2C 通訊地址值，因此可以同時使用兩個復合尋跡傳感器。另一位開關用于選擇檢測白線還是檢測黑線。使用復合尋跡傳感器前，最好在使用現場進行校驗。復合尋跡傳感器DIP 開關設置如表1所示。

表1 復合尋跡傳感器DIP 開關設置

開機后，全部指示燈全亮 1 秒后熄滅，進入正常工作狀態。此時，可以將全部尋跡傳感器置于引導線上，按S1 校正鍵，按鍵后單數1、3、5、7 通道指示燈閃爍，表示正在讀取檢測數據。各通道數據讀完后，全部指示燈閃亮，提示將全部傳感器放置到引導線外，放置好后，再次按動校正鍵，此時，雙數2、4、6 通道指示燈閃爍，表示正在第二次讀取檢測數據。第二次數據讀完，校驗正確，燈熄滅。若校驗不正確，單數1、3、5、7 通道指示燈閃爍，返回讀取第一次數據的狀態，重新進行校驗。復合尋跡傳感器通訊協議表如表2 所示。

表2 復合尋跡傳感器通訊協議表