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1、机器人电子技术基础与制作,邵建昂,工程训练中心 2005年9月,课程的基本内容:,第一章 概论：3学时第二章 信号处理的基础知识 3+3学时第三章 传感器的基础知识 3学时第四章 电机的基础知识 3+3学时第五章 微控制器（MCU）的基础知识 3+3学时第六章 机器人控制的综合 3+9学时,第一章 概述,1、机器人的电路原理及组成 2、电子系统的设计原则 3、电子系统设计的一般方法 4、电子系统设计的一般步骤,1-1、机器人的电路原理及组成,1.1机器人控制原理框图：,计算机,1.2机器人的组成：机械结构、控制器、传感器、电机控制和驱动等。,具有运算和存储功能，电脑、单片机、DSP等,电机、电
2、磁阀、开关等,光、磁、声音、压力、温度等,模拟、数字信号有秩序地输入,工作状况分析：a.左右传感器均未检到黑线左右轮同时驱动，小车直行；b.左传感器检到黑线左轮停止、右轮驱动，小车向左拐弯；c.右传感器检到黑线右轮停止、左轮驱动，小车向右拐弯。,提问：用一只传感器能否完成巡线功能？怎么完成？（请进行工作状况描述！）,控制器,接口板,1.3机器人的工作示例(巡线小车)：,小车运用了左、右两只传感器，其工作状况如下：a.左右传感器均未检到黑线左右轮同时驱动，小车直行；b.左传感器检到黑线左轮停止、右轮驱动，小车向左拐弯；c.右传感器检到黑线右轮停止、左轮驱动，小车向右拐弯。,1.3机器人的巡线小车
3、实际感受：,看一下演示：,1-2、电子系统的设计原则,电子系统设计最基本的原则是：使用最经济的资源实现最好的电路功能。在这一基本原则下，应正确处理好以下关系：1）尽量提高性价比；2）设计中的“软”与“硬”设计中在同样的性能下，能用软件编程实现的功能就不要用硬件电路来实现；3）设计中的“简”与“繁”在硬件电路设计中应尽可能简化电路，使设计的电路简单明了，也简化了工艺设计和组装调试；4）采用器件的考虑应尽量选用现成的模块或组件，应选择当前流行的“大路货”，鼓励采用新器件、新技术、新工艺。,1-3、电子系统设计的一般方法,电子系统是很复杂的，基于系统的功能与结构上的层次化，演化出如下三种设计方法。自
4、顶向下法：系统、子系统、部件级、元件级设计；自底向上法：与自顶向下法正好相反；自顶向下法为主导，并结合使用自底向上的方法,1-4、电子系统设计的一般步骤,电子系统的设计一般要经历以下三个设计步骤：行为描述与设计行为是指系统、子系统、部件或元件诸单元的功能；结构描述与设计结构是指为实现相应功能所用的单元以及单元之间的互连方式；物理描述与设计物理是指实现结构的具体形式、技术与工艺。,第二章 信号处理的基础知识,1、常用元器件的运用 2、信号的采样与保持、滤波与放大 3、A/D与D/A 4、信号采集与放大的实现（电路制作与调试）,2-1 常用元器件简介,1、电阻与电位器2、电容3、电感4、晶体管5、
5、运算放大器6、电源电路,2.1.1 作用：限流、分流、降压、分压、负载；,2-1 常用电子元器件电阻与电位器,2.1.2 分类：,2.1.3 固定电阻的标示,2-1 常用电子元器件电阻与电位器,直标法：,代表 4.7欧姆,代表 0.3欧姆,数字法：用三位数字表示阻值，它主要用于片状电阻中，203代表阻值201000欧姆。,色标法：四色环允许偏差颜色为金、银。五色环允许偏差第五条颜色离第四条远一点。,2.1.3 固定电阻的标示,2-1 常用电子元器件电阻与电位器,四环标志法：,五环标志法：,2.1.4 电位器：电阻值可变,2-1 常用电子元器件电阻与电位器,金属玻璃釉电位器：应用于要求较高的各种
6、电路及高频电路；,金属陶瓷微调电位器：应用于各种要求较高的电路微调用；,线绕电位器WX：应用于高温、大功率电路及精密调节电路；,合成膜电位器WH：民用中低档产品及一般仪器仪表电路；,数字电位器：是一个半导体集成电路，没有噪声，有极长的工作寿命。,2.1.5 检测：,2-1 常用电子元器件电阻与电位器,万用表电阻档选择适当的量程,2.1.6 选用：,满足阻值要求满足功率要求满足特定的工作性能要求 低成本、安装工艺简单,注意：1.不能用手同时捏住电阻引脚，测量不准确。2.不能在电路中带电检测电阻。,2.2、电容：,2-1 常用电子元器件电容,一般符号 极性电容器 可变电容器 微调电容 双连同轴可变
7、电容器,2.2.1 特性：电容器是一种储能元件,加在它两边的电压不能突变，有充放电的特点。,2.2.2 作用：,滤波RC延时电路耦合电路（通交流隔直流）谐振电路旁路电路,2-1 常用电子元器件电容,2.2.3 分类：,2.2.4 识别：,电解电容：铝电解、钽电解电容等，容量可以很大，有极性。非电解电容：瓷介电容、涤纶电容、钽电容、CBB电容、独石电容等，各种电容右各自的适用范围。,直标法：适用于电解电容数字法：适用于瓷介、涤纶电容等（与电阻的标示类似）,2-1 常用电子元器件电容,2.2.5 检测：,2.2.6 选用：,数字多用电桥：测电容的容量数字万用表：电阻挡检测电容品质，定性判断,电容类
8、型电容容量电容的工作耐压 安装空间体积要求等,先将引脚短接放电；开始选用合适的量程，红黑两表笔接电容的两极；显示值从“000”开始逐渐增加直至缢出符号“1”。,滤波电路举例,延时电路举例,旁路电容举例,2.3、电感：,23,2-1 常用电子元器件电感,2.3.1 特性：电感器是一种能够存储磁场能的电子元件，又称 电感线圈，它具有通低频、阻高频特性。,2.3.2 作用：,调谐、振荡耦合、滤波延迟补偿及偏转等,24,2-1 常用电子元器件电感,2.3.3 分类：由于用途、工作频率、功率、工作环境不同，导致电感的基本参数、结构形式的多样化。按电感形式分固定电感器和可调电感器；按结构可分为小型固定电感
9、、平面电感以及中周；按导磁体性质分带磁芯（铁氧体芯、铁芯、铜芯）和空芯电感器；按适用的工作频率分高频、中频和低频电感器；按电感器的绕线形式分单层线圈、多层线圈、蜂房式线圈。,25,2-1 常用电子元器件电感,2.3.4 检测：,2.3.5 选用：,数字多用电桥：测量电感器的电感量万用表：判断一个电感器的好坏，可以利用万用表直接测量其直流电阻，是否与其电阻标称值相符。,性能参数（例如电感量、额定电流、品质因数等）生产工艺、材料 外形尺寸是否符合要求,2-1 常用电子元器件晶体管,2.4 晶体管：,二极管：重点掌握二极管种类、作用；三极管：重点掌握三极管种类、作用；场效应管：重点掌握场效应管的作用
10、；高频、高压 和大功率电路，性能优于三极管。,2-1 常用电子元器件二极管,1、特性：具有单向导电性（以硅管为例）,正向导通,反向截止,U正向电压 0.7V,反向击穿,反向截止,正向导通,0.5V,0.7V,2-1 常用电子元器件二极管,稳压二极管（1N4735、1N4744）：稳压、限幅。,稳压条件：1）工作在反向击穿状态；2）外加工作电压大于反向击穿电压；3）IzII最大工作电流。,2-1 常用电子元器件二极管,开关二极管（1N4148）：电子开关。,正向导通,反向截止,更高的开关频率,2-1 常用电子元器件二极管,发光二极管：电源指示、照明等。,发光二极管工作在正向导通状态,U正向压降=
11、1.82.5V,注意：,2-1 常用电子元器件三极管,特性：放大和开关作用。,按功能可分为：,放大管：工作在放大状态,开关管：交替工作在饱和 与截止状态,高反压管：CE之间承受较 高的反压,2-1 常用电子元器件三极管,三极管的符号：,2-1 常用电子元器件三极管,三极管的放大作用：,电流放大：Ic=*Ib,a.直流电流放大,b.交流信号放大,2-1 常用电子元器件三极管,三极管的开关作用：功耗低、效率高,2-1 常用电子元器件场效应管,场效应管：放大与开关作用，主要运用于高频、高压、大功率场合。,G 栅极（b）,D 漏极（c）,S 源极（e）,2-1 常用电子元器件场效应管,场效应管的特点：
12、,1）输入阻抗大，电流小，功耗小,2）开关速度快，高频特性好,3）温度稳定性好。,4）场效应晶体管的增益在工作电流变化的情况下基本上 是常数。这样可以使信号得到稳定放大，信号失真小。,2-1 常用电子元器件运算放大器,理想运算放大器的特点：输出开路电压增益无穷大。,理想运放两输入端之间永远“虚短”；理想运放两输入端永远“虚断”。,反相输入端,同相输入端,2-1 常用电子元器件运算放大器,反相应用构型：,Uo-(Z2/Z1)*Uin,2-1 常用电子元器件运算放大器,同相应用构型：,Uo(1+Z2/Z1)*Uin,2-1 常用电子元器件运算放大器,差分应用构型：,Uo(Z1+Z2)/Z1*Z4/
13、(Z3+Z4)*Ui2-(Z2/Z1)*Ui1,通常：Z1=Z3=Za，Z2=Z4=Zb；则：Uo(Zb/Za)*(Ui2-Ui1）,2-1 常用电子元器件运算放大器,基本运算电路：比例运算电路 加、减法运算电路 积分、微分运算电路 对数和反对数运算电路,有源滤波电路：低通滤波电路 高通滤波电路 带通滤波电路,信号产生电路：RC正弦波振荡电路LC正弦波振荡电路比较器矩形波产生电路三角波和锯齿波产生电路,2-1 常用电子元器件电源器件,线性稳压电路：三端集成稳压器,直流变换电路：电荷泵式DC-DC变换器 电感升压式DC-DC变换器 降压式DC-DC变换器,2-1 常用电子元器件电源器件,三端集成
14、稳压器举例：,78xx的连接,Vo=+5V,Vi,要求：78xx:Vi-Vo2.5V79xx:Vi-Vo1.1V,79xx的连接,2-2 信号的采样与处理,采样传感器：,信号的放大处理：保持、滤波、放大等等。,温度：空调、冰箱、锅炉压力：气泵、液压站、电子秤应变：扭矩测试仪声、光、磁：音乐喷泉速度、位移：数控车床电压、电流：,各种物理量,电信号,电控制系统,2-3 A/D与D/A,D/A转换:将数字量信号的每一位代码按其“权”的函数换成相应的模拟量，然后利用电路中的线性叠加原理，将各位的模拟量相加，从而获得与数字量成比例的模拟量。,A/D转换：将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数。,
15、数字量控制,模拟量输出,模拟量输入,2-3.1 数/模（D/A）转换,D/A转换:将每一位的代码按其“权”的函数换成相应的模拟量，然后利用电路中的线性叠加原理，将各位的模拟量相加，从而获得与数字量成比例的模拟量。,2-3.1 数/模（D/A）转换,一、权电阻网络D/A转换器,开关ai控制参考电压输入:,2-3.1 数/模（D/A）转换,二、T形R2R电阻网络D/A转换器,2-3.1 数/模（D/A）转换,三、主要技术指标,分辨率最小模拟输出量（数字量最低位为“1”）与最大量（数字量全为“1”）之比。通常用最大输入码的个数来表示，如8位，10位D/A等,建立时间将一个数字量转换为稳定模拟信号的需
16、要时间，也可以认为是转换时间。一般电流输出DA建立时间较短，电压输出DA则较长。,2-3.1 数/模（D/A）转换,四、接口技术,D/A的输出有数字输入和参考电源的组合进行控制，输入一般是二进制或BCD码形式，输出可以是电流也可以是电压；多数是电流，经运放进行电流对电压的转换。,D/A的选择原则：,满足技术指标要求精度、建立时间；外围电路简单、价格低廉；满足结构和应用特性上的要求，接口方便。,2-3.2 模/数（A/D）转换,AD转换器是一种用来将连续的模拟信号转换成适合于数字处理的二进制数的器件，其原理框图如下：,输入两种：Vin和Vref共同作用;输出：一组二进制数。即将一个模拟信号值编制
17、成对应的二进制码的编码器；与此对应，DAC则是一个解码器。,2-3.2 模/数（A/D）转换,一、AD转换器的基本原理,A/D转换器大多是将电压量转换为正比的二进制数字量，乘以转换系数后可获得电压的数值量；也有先将电压量转换为时间或频率，然后再经计数得到电压的数值量。,1、积分型：,2-3.2 模/数（A/D）转换,过程分析，第一步：S1通，其余断，积分；第二步：S3通，其余断，回积分；第三步：S4、S5通，其余断，复零。,2-3.2 模/数（A/D）转换,2、逐次比较型：,构成：时钟脉冲发生器、逻辑控制器、移位寄存器、D/A电路、开关指令数字寄存器和比较器等。控制逻辑：从MSB开始，顺序地对
18、每一位将输入电压与内置DA转换器输出进行比较，经n次比较而输出数字值。,2-3.2 模/数（A/D）转换,下面以位、010V量程的转换器为例说明逐次比较A/D的转换原理,假设欲测量的采样电压Vinp=6.6伏,逐次比较A/D转换器的工作流程是：,启动脉冲输入，移位寄存器初始化为零；,系统在时钟脉冲节拍控制下同步工作；,第一个脉冲，使移位寄存器、D/A数据寄存器的最高位a7和B7置“1”，其余各位置“0”；二进制数10000000加到D/A转换器上，这时D/A转换器的输出电压：,VDA=10v(11/2+01/4+0)=5v,VDA与Vinp 比较，显然VinpVDA，D/A数据寄存器的B7位保
19、持“1”；,2-3.2 模/数（A/D）转换,第二个脉冲，使移位寄存器、D/A数据寄存器的a6和B6置“1”，其余各位置“0”；则加在D/A的二进制数值为11000000，此时D/A转换器的输出电压：,VDA=10v(11/2+11/4+0)=.5v,VDA与Vinp 比较，显然VinpVDA，D/A数据寄存器的B6位置“”；则加在D/A的二进制数值仍为10000000。,第三脉冲使a5、B5为1，即10100000；依此过程发出直到第8个时钟脉冲，使得加在D/A上的数字寄存器的二进制数值为10101001。,VDA=10v(11/2+11/8+11/32+11/256)=6.6015625v
20、,第九个以上时钟脉冲，使得移位寄存器溢出，表示A/D转换结束。,信号采集与放大的实现,比例放大器：,Uo-(R2/R1)*UinR3=R1/R2(平衡电阻),跟随器：,UoUin提高输入阻抗,信号采集与放大的实现,比较器：,UinUref Uo:+VccUinUref Uo:-Vcc,第三章 传感器的基础知识,1、触动传感器 2、光传感器 3、感压传感器 4、超声波传感器 5、角度传感器,3-1 触动传感器,触动传感器：利用与物体的直接接触进行检测，微动开关、簧片开关等。,触觉传感器,输出受触动传感器控制,3-1 光电传感器,光电传感器：受到光线照射时，其感光元件会产生电流或电压。,光电二极管
21、,光电三极管,3-1 感压、超声波、角度传感器,感压传感器：利用材料在压力的作用下发生电阻的变化，用于压力的检测。,超声波传感器：利用超声波传播速度相对较慢的原理，用于距离的检测。,角度传感器：检测物体角速度的传感器，用于运动物体的位置和姿态检测。有触感式、光电式等。,3-1 光电传感器实验相关知识,光电传感器：利用发光二极管和光电三极管，检测有无障碍物。,1）发光二极管，采用直流驱动方式；2）光电三极管接收反射回来的信号；3）利用运算放大器等元器件对信号进行放大、滤波处理，以消除背景光的干扰以及提高检测能力。,第四章 电机的基础知识,1、直流电机 2、步进电机 3、电机的控制 4、电机控制的
22、实现（制作与调试）,4-1、直流电机工作原理,直流电机的结构示意图,直流电机的工作原理图,电磁力：通电导线在磁场中受到电磁力作用产生位移（左手定则）；换向器：实现线圈的有效边从一个磁极转到另一个磁极时，电流的方向同时发生改变，从而电磁力或电磁转距的方向不发生改变。,4-1、直流电机转动控制,1)S2、S3 打开，S1、S4合上，电机正转；,2)S1、S4 打开，S2、S3合上，电机反转。,注意：一定要先 打开，再合上，防止发生短路现象；,4-1、直流电机转动控制,3)S1、S3 或S2、S4合上，发生短路；,4)S3、S4合上，电机制动。,说明：电机两端短路时，若电机转动时反电势产生制动力矩。
23、,4-1、直流电机速度控制,常用的直流电机调速方法：弱磁调速；电枢回路串接电阻；改变电枢端电压：,改变输入电压的电平；改变输入电压的占空比，使电压的有效值改变。,输入电压的有效值小，转速慢,输入电压的有效值大，转速快,4-1、直流电机实验相关知识,1）用2只PNP和2只NPN三极管，组成电机的控制开关；2）速度控制是改变施加在电机两端的有效电压实现的；3）调节比较器同相输入端的参考电压实现PWM的；4）三角波可以用运放对电容的冲放电产生。5）PWM 波形可以用单片机的端口（软件）实现。,4-1、直流电机实验相关知识,1）三极管8550（PNP）和8050（NPN）,2）运放（LM339）：,可
24、单(236V)或双(-18+18V)供电；最大输出电流16mA;记住：封装管脚。,开关作用:交替工作在截止和饱和状态。注意：管脚的测量方法。,4-1、直流电机实验相关知识,3）参考电路,4-2、步进电机概念,步进电机是将电脉冲信号转变为角位移的执行机构。即：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（即步进角）。,脉冲个数角位移量，从而达到准确定位的目的；脉冲频率转动速度，从而达到调速的目的。,4-2、步进电机组成与原理,原理：磁极的吸引；电机定子励磁线圈按照一定的顺序切换，形成转子的旋转和静止定位。,原理示意图,控制电路,4-2、步进电机转动控制,正转励磁
25、顺序：,单相励磁：,反转励磁顺序：,正转励磁顺序：,多相励磁：,反转励磁顺序：,4-2、步进电机转动控制,改变励磁顺序,转向控制：,改变励磁的频率,转速控制：,脉冲的数量（步数）,转动角度控制：,第五章 微控制器的基础知识,1、单片机系统设计思想 2、单片机小系统设计 3、单片机系统的模拟输入（A/D）4、单片机系统的输出（D/A）5、输入、输出及其扩展 6、键盘/显示接口 7、定时器/计数器 8、中断 9、最小功耗设计 10、可靠性设计,5.1 单片机系统设计思想,功能性设计,可靠性设计,产品化设计,单片机应用系统,单片机系统,单片机,后向：输出,前向：输入,传感器放大滤波转换,控制放大隔离
26、转换,5.1 单片机系统设计思想,一、设计先进性 1、尽量选用新型单片机：单片化应用趋势；全盘COMS化；串行扩展为主，并行为辅；虚拟接口及虚拟器件应用；,、采用更成熟先进的通讯方式,、采用集成度高、性价比高的芯片,5.1 单片机系统设计思想,二、设计中应考虑的几个问题,、采用标准化、集成化电路,、软件与硬件兼顾,、单片机与传感器、各接口电路等统一考虑,、单片机尽量选自己熟悉的机型,5.1 单片机系统设计思想,三、设计步骤,3、软件设计,4、保密性设计,、总体设计,2、硬件设计,5.2 单片机小系统设计,5.5 键盘/显示接口技术,一、键盘接口技术,查询方式,中断方式,5.5 键盘/显示接口技
27、术,矩阵式按键设计：行*列,键扫描工作过程：,使行线线为低，其余为高；读列线状态：若列线为低，则键按下；列线状态全为高，则使行线线为低，其余为高，读列线状态；依次循环。判断出哪个键压下后，程序转相应的键处理程序。,5.5 键盘/显示接口技术,二、显示接口技术,LED数码管：段码，米字形；mA级。,、静态位同时选通：编程方便，硬件复杂，功耗大。、动态位分时选通，段合用：扫描过程。、共阴极与共阳极（考虑芯片的灌电流）。、驱动能力直接驱动LED 20mA。,LCD液晶显示器：功耗低；uA级。,5.6 输入、输出及其扩展,一、单片机I/O特性：,驱动能力小 4 TTL 电平匹配：CMOS TTL 电源
28、电平锁存器加引脚双向口需配置输入输出方式多功能口需配置,5.6 输入、输出及其扩展,二、8155可编程I/O接口芯片：,三个I/O口 RAM256*814位定时器控制逻辑Vcc、Vss,5.6 输入、输出及其扩展,三、键盘/显示控制芯片BC7281：,串行通讯 8*8按键8位LED光柱、闪烁控制虚拟总线,5.7 定时器计数器,1、定时：对机器周期计数；计数：对Ti引脚上事件计数。、计数溢出后：TFi置1，可用于查询；可申请中断。、启动停止：GATE=0，由TRi启停;GATE=1，且TRi1，由INTi启停。,5.中断系统,1、中断源：外部中断、内部中断；、中断允许寄存器；、中断方式控制寄存器
29、；4、中断优先级控制寄存器。,5.9 应用系统最小功耗设计,一、功耗分析：,1、有效运行和无谓等待（90%以上）；2、电路中静态和动态运行；3、应用系统中理想功耗：实现零功耗设计。,二、最小功耗系统设计：,1、系统本质低功耗设计硬件；2、低功耗运行管理硬件、软件综合设计；3、电源管理间隙供电、按需供电（IC卡）。,5.10 应用系统可靠性设计,一、硬件可靠性设计,二、软件可靠性设计,三、抗干扰,1、元器件筛选；2、参数、容量留有余地。,1、规范性设计；2、软件测试，不断完善。,1、信号线路上短；2、电源上隔离、滤波；3、电磁感应屏蔽、可靠接地；4、软件措施上电初始化、复位、软件陷阱、WDT等。
30、,第六章 应用纳英特机器人介绍,我酷吗？,6.1 纳英特机器人主控板介绍,6.2 机器人与计算机的连接,主板通讯口与通讯线水晶头相连,与计算机的9针串口连接,步骤：,1、接上连线和电源（事先充电）；,鼠标单击,鼠标双击,3、选择纳英特机器人，如下图所示。,2、打开机器人操作平台；,6.2 机器人与计算机的连接,步骤：,4、选择连接机器人的串口，并点击Conneck Now连接；,鼠标单击,5、选择下载机器人操作系统；,鼠标单击,6.2 机器人与计算机的连接,步骤：,7、如下图所示，机器人开始正确下载操作系统：,鼠标单击,6.2 机器人与计算机的连接,步骤：,8、调入程序后，点击“Download”,即可下载程序。注意：程序不能保存在带有汉字的文件夹下；,下载,6.3 机器人程序模块说明,1、motor(int m,int p)；启动电机 int m：启动电机序号；int p：功率级别-100100，整数。,、stop()；停止电机,4、digital(int DIN)；数字输入（数字输入端口编号715）,5、analog(int AIN)；模拟输入（模拟输入端口编号36）,2、sleep(float time)；延时等待 float time：0.0019999.999；,谢谢大家！,
