最新單片機與控制電路

1、第二單元 單片機與控制電路機器人之所以能夠根據(jù)外界環(huán)境的變化做出不同的反應(yīng)，除了擁有功能強大的“大腦”單片機和靈活的“思維”控制軟件外，還必須像人一樣能感知外部世界的變化，并做出相應(yīng)的動作。本單元將介紹為機器人提供環(huán)境變化信號的元件傳感器，以及如何圍繞單片機組成簡易機器人的控制系統(tǒng)。通過本單元的學(xué)習(xí)與實踐，我們將實現(xiàn)以下四個目標(biāo)：1. 知道常見的傳感器及其作用。2. 了解控制系統(tǒng)的基本組成。3. 能用傳感器、單片機等安裝一個簡單控制裝置，并進行實驗。4. 充分利用項目活動，體驗小組合作的過程，學(xué)會與他人交流。5. 在項目活動中，努力培養(yǎng)自己的動手能力和創(chuàng)新能力。1. 常見傳感器的種類2. 傳感

2、器的作用3、控制系統(tǒng)的基本組成4. 輸入、輸出設(shè)備的程序控制第一節(jié) 常見的傳感器本節(jié)中我們將通過具體的項目活動，來了解和認識常見的傳感器。項目一 簡易多功能報警器報警器又稱防盜器，是對用于發(fā)生警情、危險、緊急情況等狀況下以聲音、光線、氣壓等形式發(fā)出警報的電子產(chǎn)品的統(tǒng)稱。在這個項目中我們將搭建一個簡易多功能報警器，來認識一下傳感器。1、根據(jù)生活中常見的報警器的種類，用AS-EI控制器、觸碰傳感器、磁敏傳感器、光敏傳感器搭建一個簡易多功能報警器（圖2-1-1）。 圖2-1-12、當(dāng)分別按下觸碰傳感器、用物品遮擋光敏傳感器、用磁鐵接近磁敏傳感器，使蜂鳴器發(fā)出報警聲音。通過實驗，了解這幾種常見的傳感器

3、。3、通過與同伴合作完成項目，學(xué)會與他人進行交流的方法。導(dǎo)航一 傳感器的定義和分類人類是通過五官來獲取外界信息的。類似地，機器人只有具備了感知能力，才能夠像自然界的生物一樣根據(jù)環(huán)境的變化作出相應(yīng)的動作。沒有感覺的機器人僅是一臺機械設(shè)備，只能機械地執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的動作。一、傳感器的定義根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)（GB766587），傳感器（Transducer/Sensor) 的定義是：能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。機器人獲取外部環(huán)境信息靠的就是傳感器。傳感器是一種物理裝置或生物器官，能夠探測、感受外界的信號、物理條件（如光、熱、濕度）或化學(xué)組成（如煙霧），并

4、將探知的信息傳遞給其他裝置或器官。傳感器種類繁多，常見的主要有光敏、熱敏、濕敏、壓敏、氣敏等電阻式傳感器件。光電二極管和光電晶體管對紅外線敏感，可應(yīng)用在紅外遙控電子控制系統(tǒng)中。二、傳感器的分類傳感器的分類方法有很多，常用的有以下幾種：分類方法相關(guān)描述按被測物理量分類此分類方法有利于用戶，一目了然，如速度傳感器、加速度傳感器、位移傳感器、溫度傳感器、濕度傳感器等。按工作原理分類分為物理型、化學(xué)型和生物型。再細分可以分為電阻應(yīng)變式、壓電式、電磁式、光電式等。按能量傳遞方式分類為為有源和無源兩類。有源傳感器相當(dāng)于一臺微型發(fā)電機，將非電功率轉(zhuǎn)為電功率，起能量轉(zhuǎn)換作用，無源傳感器不能實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，被測非

5、電量僅對傳感器能量起控制或調(diào)節(jié)作用。按輸出信號性質(zhì)分類有開關(guān)量、模擬量和數(shù)字量三種。開關(guān)量傳感器的輸出只有接通和關(guān)閉兩種狀態(tài)。導(dǎo)航二 本項目中用到的傳感器功能介紹觸碰傳感器：檢查機器人是否與其他物體發(fā)生接觸，如撞到墻壁，或手爪抓握到物體。磁敏傳感器：包括兩部份，一個用來感應(yīng)磁性的傳感器，另一個是提供信號的永磁鐵。光敏傳感器：光敏傳感器能感知一定范圍內(nèi)的環(huán)境光線強度。導(dǎo)航三 報警器介紹報警器(alarm) ，又稱防盜器。是對用于發(fā)生警情、危險、緊急情況等狀況下以聲音、光線、氣壓等形式發(fā)出警報的電子產(chǎn)品的統(tǒng)稱。隨著科技的進步，機械式報警器越來越多地被先進的電子報警器代替，經(jīng)常應(yīng)用于系統(tǒng)故障、安全防

6、范、交通運輸、醫(yī)療救護、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域，與社會生產(chǎn)、生活密不可分。汽車防盜報警器 火災(zāi)煙霧報警器 門窗報警器器材準(zhǔn)備主要部件：1、AS-EI控制器2、觸碰傳感器2、磁敏傳感器3、光敏傳感器活動流程學(xué)生35人分成小組，明確自己分工對報警器項目從功能上進行分析，擬定初步方案選取相關(guān)傳感器和積木搭建報警器簡易模型對報警器進行功能測試，做好相關(guān)記錄在班級中進行項目制作的交流并評價編寫簡易多功能報警器的程序過程記錄項目名稱團隊名稱團隊分工（你擔(dān)任的角色）過程記錄1、說說看你們小組將如何設(shè)計這個簡易多功能報警器的？要用到幾種傳感器？2、畫出你們設(shè)計的報警器的程序流程圖。3、在設(shè)計搭建和程序設(shè)計、測試過程中

7、遇到了哪些問題？3、問題是怎么解決的？搭建參考程序、調(diào)試圖形化語言程序如下圖所示：這里設(shè)定傳感器的模擬通道如下：觸碰AI0，磁敏AI1，光敏AI2。獲取模擬通道的值賦給相應(yīng)的變量磁敏及觸碰傳感器判斷光敏傳感器值判斷，值越大越暗1、在組內(nèi)對自己小組的作品進行點評，指出優(yōu)缺點。2、在全班介紹和展示本組的作品并進行小組互評。你認為其他小組的報警器的優(yōu)點在哪里？3、通過這個項目，你有哪些收獲？學(xué)會了什么？你還想做什么？在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中，你還常常可以看到哪些傳感器？你能描述一下嗎？第二節(jié) 傳感器的作用本節(jié)我們將通過具體的項目活動，來認識傳感器的作用。安檢門是一種檢測人員有無攜帶金屬物品的探測裝置，

8、在這個項目中，我們將模仿機場、火車站等地方的安檢門，用磁敏傳感器搭建一個傳送帶式的簡易金屬安檢裝置，通過對項目的分析，進一步了解傳感器的作用。項目二 簡易金屬安檢門1、根據(jù)生活中碰到的安檢門的實例，用AS-EI控制器、 磁敏傳感器、皮帶等搭建一個簡易金屬安檢裝置（圖2-2-1）。圖2-2-12、將金屬物品放上傳送帶，當(dāng)金屬物品經(jīng)過安檢門時，傳送帶自動停止，蜂鳴器發(fā)出報警聲音并閃爍紅燈。通過對項目的分析，了解傳感器的作用和工作原理。3、通過項目活動，學(xué)會與他人合作的方法并能正確評價他人。導(dǎo)航一 傳感器的作用傳感器是一種電子器件，它具有類似于人類五官的感覺功能，將外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成電信號。傳感器像

9、人體的感覺器官一樣能感受到外界物理信息的變化，在電子控制系統(tǒng)中，傳感器是能夠采集外界物理信息的唯一元器件，是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。傳感器的作用：傳感器在電子控制系統(tǒng)中屬于輸入部分，各種傳感器的作用都是一樣的，它能將非電量的物理信息轉(zhuǎn)換成與之有確定關(guān)系的電信號，輸送給控制電路進行處理。不同的是他們敏感的非電量信息不同，有的是光，有的是聲，有的是溫度，有的是磁圖2-2-2 傳感器的作用傳感器在機器人的制作上得到了廣泛應(yīng)用。如機器人上方有兩個光敏傳感器當(dāng)眼睛使用，有強光照射時他就能追光行走。這主要是因為光敏傳感器能將光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?；同樣聽覺傳感器是機器人的耳朵，它能將聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡?/p>

10、信號。導(dǎo)航二 安檢門介紹安檢門是一種檢測人員有無攜帶金屬物品的探測裝置，又稱金屬探測門。主要應(yīng)用在機場，車站，大型會議等人流較大的公共場所用來檢查人身體上隱藏的金屬物品，如槍支，管制刀具等。當(dāng)被檢查人員從安檢門通過，人身體上所攜帶的金屬超過根據(jù)重量、數(shù)量或形狀預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值時，安檢門即刻報警，并顯示造成報警的金屬所在區(qū)位，讓安檢人員及時發(fā)現(xiàn)該人所隨身攜帶的金屬物品。安檢門適用于生產(chǎn)型企業(yè)：包括電子（如：芯片、內(nèi)存、電路板、硬盤、手機、MP3、翻譯通、錄音筆、電子器件等）、電線電纜、電器、金銀飾品、香煙、藥品、墨盒、工礦、五金制品、電鍍、壓鑄造、水暖器材、貴金屬（銅、鋁等）及其加工等相關(guān)行業(yè)

11、。適用政府部門：包括公安局、檢察院、法院審判庭、監(jiān)獄、拘留所、勞教所、戒毒所等。適用公共場所：包括體育館、娛樂場所（迪廳、歌舞廳等）、機場、火車站、汽車站、港口、展覽館、博物館、銀行、油庫、發(fā)電站等。圖2-2-3 生活中的安檢門導(dǎo)航三 磁敏傳感器本項目中用到的磁敏傳感器介紹：包括兩部份，一個是用來感應(yīng)磁性的傳感器，另一個是提供信號的永磁鐵。連接數(shù)字輸入，也可作為模擬輸入。對磁鐵的感應(yīng)距離 5mm，能在 10mm以上的距離分辨兩個磁鐵。器材準(zhǔn)備主要部件：1、AS-EI控制器2、磁敏傳感器3、傳送皮帶4、馬達活動流程學(xué)生35人分成小組，明確自己分工對金屬安檢裝置項目從功能上進行分析，畫出草圖并擬定

12、方案選取磁敏傳感器、傳送皮帶、積木等搭建安檢裝置模型對金屬安檢裝置的功能進行測試，并做好相關(guān)記錄在班級中進行項目制作的交流并評價編寫簡易金屬安檢裝置的程序過程記錄項目名稱團隊名稱團隊分工（你擔(dān)任的角色）過程記錄1、用自己的話說說看你們小組制作的金屬安檢裝置的具體功能將怎樣實現(xiàn)？2、在下面空白處畫出你們組的安檢裝置的草圖3、在下面空白處畫出程序流程圖。4、在設(shè)計搭建和測試過程中遇到了哪些問題？是如何解決的？5、用自己的話描述一下本項目活動中用到的磁敏傳感器的作用。傳感器的工作原理總結(jié)1、 你能說說看傳感器在信息傳遞過程中的作用嗎？搭建參考程序、調(diào)試圖形化語言程序如下圖所示：本程序涉及到4個磁敏傳

13、感器，其通道在這里設(shè)置：左磁敏傳感器A0，右磁敏傳感器A1，上磁敏傳感器A2，A3。接通皮帶馬達獲取模擬通道的值，賦給相應(yīng)的變量判斷左右磁敏傳感器是否感應(yīng)到金屬判斷上面的兩個磁敏傳感器是否感應(yīng)到金屬1、在組內(nèi)對自己小組的作品進行點評，指出成功之處和不足之處。2、在全班介紹和展示本組的作品并進行小組互評。你認為其他小組的安檢裝置值得借鑒的地方在哪里？3、通過這個項目，你有哪些收獲？學(xué)會了什么？你還想做什么？根據(jù)其他小組對你們小組提出的改進意見以及其他小組的優(yōu)點，對你們組的金屬安檢裝置進行改進，并做好記錄。改進項目（搭建和程序）改進后測試情況第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成本節(jié)我們通過具體的項目活動，來

14、了解機器人控制系統(tǒng)的基本組成。項目三 恒溫箱恒溫箱是一種將溫度控制在一定的范圍之內(nèi)，用以飼養(yǎng)或培養(yǎng)生物的箱型器具。本項目將通過制作一個簡易恒溫箱，了解簡易機器人控制系統(tǒng)的基本組成。1、根據(jù)生活中的例子，用AS-EI控制器、溫度傳感器等搭建一個簡易恒溫箱裝置（圖2-3-1）。圖2-3-12、編寫并下載程序，當(dāng)恒溫箱內(nèi)溫度升高到一定溫度時，箱內(nèi)的風(fēng)扇自動打開進行降溫，當(dāng)箱內(nèi)溫度低于一定溫度時，加熱燈點亮。通過測試與分析，了解機器人控制系統(tǒng)的基本組成。3、通過參與項目活動，體驗和他人合作帶來的樂趣。導(dǎo)航一 控制系統(tǒng)的基本組成機器人的控制系統(tǒng)由輸入部分、控制部分和輸出部分組成，在本節(jié)中控制系統(tǒng)主要應(yīng)該

15、是傳感器、單片機和電動機，通過綜合連接這些器件，組成一個簡易機器人系統(tǒng)，其實機器人就是這些輸入輸出設(shè)備和控制器組成的復(fù)雜系統(tǒng)?？刂撇糠忠卜Q控制器是控制系統(tǒng)的核心，他負責(zé)接受輸入部分的信號，經(jīng)分析處理，再給輸出部分發(fā)出指令，它是核心部分，因為讀取傳感器輸入信號和驅(qū)動輸出設(shè)備都是由它指揮完成的。具體而言是其中的程序完成的。導(dǎo)航二 恒溫箱介紹恒溫箱是在一定的溫度，用以飼養(yǎng)或培養(yǎng)生物或生物的一部分（細胞等）的箱型器具。以前用于孵卵的恒溫器，有的是通過熱水加熱（水溫式），但實驗用的大部分為電熱式，裝有電熱器和溫度調(diào)節(jié)器，是一種外壁上裝有絕熱材料的箱子或柜櫥。圖2-3-2 生活中恒溫箱導(dǎo)航三 恒溫箱原理恒

16、溫箱的原理其實比較簡單，關(guān)鍵的控制部分有三個：1、溫度探頭 2、是制冷壓縮機 3、熱風(fēng)機，有的用紅外線加熱，或是直接用電阻絲加熱。溫度探頭的測量端伸在恒溫箱內(nèi)部的空氣中，不能與物體或是箱避接觸，實時監(jiān)測箱內(nèi)的溫度，在控制面板上，可以設(shè)置恒溫箱的恒溫范圍，即設(shè)置允許的溫度上限和下限，當(dāng)探頭檢測到溫度低于下限時，開啟熱風(fēng)機加熱，溫度開始回升，當(dāng)探頭檢測到溫度高于上限時，開啟制冷壓縮機制冷，溫度下降，如此來回控制。器材準(zhǔn)備主要部件：1、AS-EI控制器2、溫度傳感器3、馬達4、風(fēng)扇活動流程5、燈學(xué)生35人分成小組，明確自己任務(wù)對恒溫箱項目從工作原理上進行描述分析，最后擬定方案并畫草圖選取溫度傳感器、

17、馬達等搭建恒溫箱模型對恒溫箱的功能進行測試，并做好相關(guān)記錄在班級中進行項目制作的交流并評價編寫簡易恒溫箱的程序過程記錄項目名稱團隊名稱團隊分工（你擔(dān)任的角色）過程記錄1、請用自己的話描述一下恒溫箱控制系統(tǒng)的各組成部分之間的聯(lián)系以及是如何工作的？2、在下面空白處畫出你們組的恒溫箱的草圖以及控制系統(tǒng)各部分之間的是如何連接的？3、在下面空白處畫出程序的流程圖。4、在設(shè)計搭建和測試過程中遇到了哪些問題？問題是怎么解決的搭建參考程序調(diào)試圖形化語言程序如下圖所示：設(shè)置溫度傳感器的模擬通道為AI0，降溫風(fēng)扇電機的通道為MO0，加熱燈的電機為DO0。并設(shè)定需要控制的溫度值。判斷溫度是否高于設(shè)定的溫度，若高，則

18、風(fēng)扇啟動判斷溫度是否低于設(shè)定的溫度，若低，則加熱燈點亮說明：在本程序中，設(shè)定了一個溫度區(qū)域：需要控制的溫度值加減2的范圍，在這個溫度范圍，就認為箱內(nèi)溫度恒定，風(fēng)扇和加熱燈都不啟動。1、在組內(nèi)對自己小組的作品進行點評，指出成功之處和不足之處。并用自己的話說說恒溫箱控制系統(tǒng)的各組成部分及是如何工作的。2、在全班介紹和展示本組的作品并進行小組互評。你認為其他小組的恒溫箱值得借鑒的地方在哪里？3、通過這個項目，你有哪些收獲？學(xué)會了什么？你還想做什么？根據(jù)其他小組對你們小組提出的改進意見以及其他小組的優(yōu)點，對你們組的恒溫箱裝置進行改進，并做好記錄。改進項目（搭建上的和程序上的）改進后測試情況第四節(jié) 控制

19、電路綜合應(yīng)用本節(jié)我們通過一個項目活動，初步實踐控制電路的綜合應(yīng)用。項目四 自動門自動門是生活中常見的設(shè)施，在商場、機場、火車站隨處可見，本項目通過制作一個自動門裝置，掌握控制電路的綜合應(yīng)用，能用傳感器、單片機等安裝一個簡單控制裝置，并進行實驗。1、根據(jù)生活中接觸的自動門，用AS-EI控制器、光電傳感器，磁感傳感器、馬達等搭建一個自動門裝置（圖2-4-1）。圖2-4-12、編寫并下載程序，當(dāng)自動門上的光電傳感器探測到物體時，自動門將打開，5秒后自動關(guān)閉。3、通過參與自動門的搭建與程序設(shè)計，進一步了解機器人的控制電路及應(yīng)用。導(dǎo)航一 簡易機器人制作核心簡易機器人制作的核心就是機器人的控制系統(tǒng)，能把外

20、界的各種信息通過傳感器反應(yīng)到單片機里，通過單片機的處理使輸出設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)動、發(fā)聲、發(fā)光等動作，這就是簡易機器人。導(dǎo)航二 自動門介紹自動門從理論上理解應(yīng)該是門的概念的延伸，是門的功能根據(jù)人的需要所進行的發(fā)展和完善。自動門是指：可以將人接近門的動作（或?qū)⒛撤N入門授權(quán)）識別為開門信號的控制單元，通過驅(qū)動系統(tǒng)將門開啟，在人離開后再將門自動關(guān)閉，并對開啟和關(guān)閉的過程實現(xiàn)控制的系統(tǒng)。例如：各種用可識別感應(yīng)器控制的自動專用門，如：玻璃自動門、不銹鋼自動門應(yīng)在此范圍內(nèi)。（如圖所示）圖2-4-2 生活中的自動門導(dǎo)航三 自動門工作流程自動門的執(zhí)行程序參考：1、開始狀態(tài)自動門處于關(guān)閉狀態(tài)2、假如一個物體靠近，光敏傳感器檢