教育机器人硬件设计概述

教育机器人硬件设计概述

作者：马国旗何鑫耿爽

来源：《商情》2011年第07期

[摘要]教育机器人是由生产厂商专门开发的以激发学生学习兴趣、培养学生综合能力为目标的机器人成品、套装或散件。它除了机器人机体本身之外，还有相应的控制软件和教学课本等。本文就教育机器人的硬件设计部分做了简要概述，并对一些相关模块做了合理的选型设计。

[关键词]at89s51单片机 usb转接控制模块传感器

1 前言

教育机器人有着很大的意义，设计的目的并不只是定位在相关比赛和教育机构中，除此之外，还应以玩具的形式出售给中小学生或家长，也就是说他不只是用于教室和比赛场地，还应该是在每个家庭，让孩子在玩中体会自己开发玩具的乐趣，从而学习到相关的知识，开拓思维。

2 设计概述

该教育机器人硬件部分主要以小车为框架，包括两个直流减速电机、电路板、以及可选择安装的诸多传感器。其中主控电路板包括了单片机最小系统、电源模块、电机控制模块、16路通用I/O口及相应的指示灯、usb转接控制模块、4路拨码开关、200m无线收发模块和速度/位移检测模块。传感器或执行部件与电路主控板分离设计，其中安装相应的电路部分，为了统一，每个传感器引出3根线，两根电源线及信号线，直接插在主电路板上的任何一个I/O口上。传感器和执行部件包括4路光电对关模块、1路蜂鸣器模块、两路高亮LED模块、两路碰撞开关模块、一路直流减速电机模块和两路红外壁障模块（在此作品中由于资金受限，只设计了红外壁障模块）。

3 所能实现的功能操作方法概述

机器人通过编程可以实现循迹、避障、走某种图形、走迷宫、发声、遥控等功能。用户想使机器人达到某种功能，首先是选择安装合适的传感器和执行部件，因为大部分传感器和执行部件输入输出的数据都是0或1，所以他们可以安装在单片机的任何一个I/O口上(控制车轮的电机部分除外)。编程时所控制的也直接是I/O口，而不像其他教育机器人每个传感器都是固定的。

4 模块设计

4.1控制核心

控制芯片采用at89s51单片机，at89s51单片机是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可在线编程（ISP）也可用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片中，ATMEL公司的功能强大，低价at89s51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。

4.2电源管理模块

电源作为小车动力来源，为小车上的控制器，执行器，传感器提供可靠的工作电压，现在市面上常见的充电电池包括镍福电池、镍氢电池、铿离子电池、碱性电池和封闭式铅酸电池等几类。电源管理模块的功能对电池进行电压调节，为各个模块正常工作提供可靠的工作电压。考虑到电池的购买与成本，我们选择用两节9v碱性电池或6节AA电池。控制芯片采用典型的线性稳压芯片LM7805。

4.3速度、位移检测模块

机器人的速度、位移检测可以实现电机的闭环控制，可以通过测量每个车轮所转过的位移通过编程计算控制机器人的行动，使功能更丰富，更可靠。在本设计中，我们选用了对射式光电对管rpr220和码盘的组合实现检测功能。在车轮的内侧贴上一个光电码盘，用光电对管对码盘进行检测。光电对管照射到黑色和白色的边界时输出信号会有跳变。将跳变的输出信号送给单片机进行检测就可以得到轮子的转速。

4.4 usb转接控制模块

随着计算机的发展，电脑尤其是笔记本已经很少带有串口，这样对于学习单片机就不方便了。很多单片机开发商和销售商都早就有了USBisp的配套软件和硬件了的，只不过都比较昂贵。在这种情况下，集成USBisp下载模块在电路板中就显得很重要了。本设计中选用南京沁恒公司的CH341A芯片将USB转为并口直接实现ISP编程。

4.5电机控制模块

教育机器人是由电池供电的系统，所以电机一般采用直流电机，其中最常用的是带换向电刷的永磁直流电机、无刷直流电机和步进电机。

另外本设计采用了用于电机驱动的集成芯片 L298N。L298N是 ST公司生产的一款高电压、大电流、小功率电机驱动芯片。该芯片内含两个 H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载；采用标准 TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个

逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈給控制电路。

4.6红外传感器设计

红外传感器是机器人控制中最为常用的一种环境传感器，大多数机器人的控制任务均离不开红外传感器的应用，如避障、轨迹跟踪等。本设计用红外接收头和红外发射二极管组合进行避障。

4.7光电对关模块

路径识别模块是机器人控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着机器人的控制效果。在控制系统中，有多种寻迹方案。包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。在本设计中采用rpr220光电对关模块主要完成机器人的循迹功能。

4.8无线遥控模块设计

无线遥控是指实现对被控目标的非接触遥远控制，在工业控制、航空航天、家电领域应用广泛。无线遥控和无线传输系统与有线和红外设备相比提高了移动自由度。由此使无线遥控装置和无线传输系统在工业领域的应用越来越多。相对电缆连线的优点在于安装成本低(无需布线、不用地下工程、没有电缆槽)，提高了灵活性并降低了维护成本。

在本设计中选用市场上常见的200m桃木

拨码四键遥控器，它的主要技术指标如下

工作电压：9V~12V（2016电池）

工作电流：≤10mA

工作频率：315MHz、433MHz（特殊频率可定做）

频率偏差：≤±150KHz

编码芯片：PT/HS1527、PT/HS2240、滚码等（免割码）

4.9其他模块设计