第二單元 單片機(jī)與控制電路

1、第二單元 單片機(jī)與控制電路機(jī)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(qiáng)大的“大腦”單片機(jī)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(dòng)作。本單元將介紹為機(jī)器人提供環(huán)境變化信號(hào)的元件傳感器，以及如何圍繞單片機(jī)組成簡(jiǎn)易機(jī)器人的控制系統(tǒng)。通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)與實(shí)踐，我們將實(shí)現(xiàn)以下四個(gè)目標(biāo)：1. 知道常見(jiàn)的傳感器及其作用。2. 能用傳感器、單片機(jī)等安裝一個(gè)簡(jiǎn)單控制裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3. 充分利用項(xiàng)目活動(dòng)，體驗(yàn)小組合作的過(guò)程，學(xué)會(huì)與他人交流。4. 在項(xiàng)目活動(dòng)中，努力培養(yǎng)自己的動(dòng)手能力和創(chuàng)新能力。 1. 常見(jiàn)傳感器的種類(lèi)2. 傳感器的作用3、控制系統(tǒng)的基本組

2、成4. 輸入、輸出設(shè)備的程序控制第一節(jié) 常見(jiàn)的傳感器人類(lèi)是通過(guò)五官來(lái)獲取外界信息的。類(lèi)似地，機(jī)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(dòng)作。沒(méi)有感覺(jué)的機(jī)器人僅是一臺(tái)機(jī)械設(shè)備，只能機(jī)械地執(zhí)行預(yù)先設(shè)定好的動(dòng)作。機(jī)器人獲取外部環(huán)境信息靠的是傳感器。傳感器種類(lèi)繁多，常見(jiàn)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(duì)紅外線(xiàn)敏感，可應(yīng)用在紅外遙控電子控制系統(tǒng)中。傳感器的分類(lèi)：傳感器的分類(lèi)方法有很多，常用的有以下幾種：分類(lèi)方法相關(guān)描述按被測(cè)物理量分類(lèi)此分類(lèi)方法有利于用戶(hù)，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

3、。按工作原理分類(lèi)分為物理型、化學(xué)型和生物型。再細(xì)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(lèi)為為有源和無(wú)源兩類(lèi)。有源傳感器相當(dāng)于一臺(tái)微型發(fā)電機(jī)，將非電功率轉(zhuǎn)為電功率，起能量轉(zhuǎn)換作用，無(wú)源傳感器不能實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，被測(cè)非電量?jī)H對(duì)傳感器能量起控制或調(diào)節(jié)作用。按輸出信號(hào)性質(zhì)分類(lèi)有開(kāi)關(guān)量、模擬量和數(shù)字量三種。開(kāi)關(guān)量傳感器的輸出只有接通和關(guān)閉兩種狀態(tài)。 下面讓我們通過(guò)具體的項(xiàng)目活動(dòng)，來(lái)了解和認(rèn)識(shí)常見(jiàn)的傳感器。項(xiàng)目一 簡(jiǎn)易多功能報(bào)警器報(bào)警器在生活中隨處可見(jiàn)，在這個(gè)項(xiàng)目中將搭建一個(gè)簡(jiǎn)易多功能報(bào)警器，了解觸碰、磁敏、光敏等常見(jiàn)傳感器。用AS-EI控制器、觸碰傳感器、磁敏傳感器、光敏傳感器搭

4、建一個(gè)簡(jiǎn)易報(bào)警器，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(bào)警聲音。通過(guò)實(shí)驗(yàn)，知道常見(jiàn)的傳感器的種類(lèi)。導(dǎo)航一本項(xiàng)目中用到的傳感器功能介紹：觸碰傳感器：檢查機(jī)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(gè)用來(lái)感應(yīng)磁性的傳感器，另一個(gè)是提供信號(hào)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(xiàn)強(qiáng)度。導(dǎo)航二報(bào)警器(alarm) ，又稱(chēng)防盜器。自主定位防盜報(bào)警器,是對(duì)用于發(fā)生警情、危險(xiǎn)、緊急情況等狀況下以聲音、光線(xiàn)、氣壓等形式發(fā)出警報(bào)的電子產(chǎn)品的統(tǒng)稱(chēng)。隨著科技的進(jìn)步，機(jī)械式報(bào)警器越來(lái)越多地被先進(jìn)的電子報(bào)警器代替，經(jīng)常應(yīng)

5、用于系統(tǒng)故障、安全防范、交通運(yùn)輸、醫(yī)療救護(hù)、應(yīng)急救災(zāi)等領(lǐng)域，與社會(huì)生產(chǎn)、生活密不可分。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(dòng)流程學(xué)生35人分成小組，明確自己分工對(duì)報(bào)警器項(xiàng)目從功能上進(jìn)行分析，擬定初步方案選取相關(guān)傳感器和積木搭建報(bào)警器簡(jiǎn)易模型對(duì)報(bào)警器進(jìn)行功能測(cè)試，做好相關(guān)記錄在班級(jí)中進(jìn)行項(xiàng)目制作的交流并評(píng)價(jià)編寫(xiě)簡(jiǎn)易多功能報(bào)警器的程序設(shè)計(jì)制作過(guò)程記錄項(xiàng)目名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)分工（你擔(dān)任的角色）過(guò)程記錄1、說(shuō)說(shuō)看你們小組是如何設(shè)計(jì)這個(gè)簡(jiǎn)易多功能報(bào)警器的？要用到幾種傳感器？2、在設(shè)計(jì)搭建和測(cè)試過(guò)程中遇到了哪些問(wèn)題？3、問(wèn)題是怎么解決的？1、在組內(nèi)對(duì)自己小組的作

6、品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出優(yōu)缺點(diǎn)。2、在全班介紹和展示本組的作品并進(jìn)行小組互評(píng)。你認(rèn)為其他小組的報(bào)警器的優(yōu)點(diǎn)在哪里？3、通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，你有哪些收獲？學(xué)會(huì)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?？梢钥吹侥男﹤鞲衅鳎磕隳苊枋鲆幌聠?？第二節(jié) 傳感器的作用傳感器是一種電子器件，它具有類(lèi)似于人類(lèi)五官的感覺(jué)功能，將外部環(huán)境信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。傳感器像人體的感覺(jué)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)和自動(dòng)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

7、關(guān)系的電信號(hào)，輸送給控制電路進(jìn)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，有的是磁傳感器在機(jī)器人的制作上得到了廣泛應(yīng)用。如機(jī)器人上方有兩個(gè)光敏傳感器當(dāng)眼睛使用，有強(qiáng)光照射時(shí)他就能追光行走。這主要是因?yàn)楣饷魝鞲衅髂軐⒐庑盘?hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；同樣聽(tīng)覺(jué)傳感器是機(jī)器人的耳朵，它能將聲音信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。下面讓我們通過(guò)具體的項(xiàng)目活動(dòng)，來(lái)認(rèn)識(shí)傳感器的作用。在這個(gè)項(xiàng)目中，我們將模仿機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站等地方的安檢機(jī)器，用磁敏傳感器搭建一個(gè)傳送帶式的簡(jiǎn)易金屬安檢裝置，通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的分析，進(jìn)一步了解傳感器的作用。項(xiàng)目二 簡(jiǎn)易金屬安檢裝置用AS-EI控制器、 磁敏傳感器、皮帶等搭建一個(gè)簡(jiǎn)易金屬安檢

8、裝置，當(dāng)傳送帶上有金屬物品經(jīng)過(guò)安檢門(mén)時(shí)，傳送帶自動(dòng)停止，蜂鳴器發(fā)出報(bào)警聲音并閃爍紅燈。通過(guò)項(xiàng)目分析，了解傳感器的工作原理。導(dǎo)航一安檢門(mén)是一種檢測(cè)人員有無(wú)攜帶金屬物品的探測(cè)裝置，又稱(chēng)金屬探測(cè)門(mén)。主要應(yīng)用在機(jī)場(chǎng)，車(chē)站，大型會(huì)議等人流較大的公共場(chǎng)所用來(lái)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(mén)通過(guò)，人身體上所攜帶的金屬超過(guò)根據(jù)重量、數(shù)量或形狀預(yù)先設(shè)定好的參數(shù)值時(shí)，安檢門(mén)即刻報(bào)警，并顯示造成報(bào)警的金屬所在區(qū)位，讓安檢人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)該人所隨身攜帶的金屬物品。導(dǎo)航二本項(xiàng)目中用到的磁敏傳感器介紹：包括兩部份，一個(gè)是用來(lái)感應(yīng)磁性的傳感器，另一個(gè)是提供信號(hào)的永磁鐵。連接數(shù)字輸入，也可作為

9、模擬輸入對(duì)磁鐵的感應(yīng)距離 5mm，能在 10mm以上的距離分辨兩個(gè)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(dá)活動(dòng)流程學(xué)生35人分成小組，明確自己分工對(duì)金屬安檢裝置項(xiàng)目從功能上進(jìn)行分析，畫(huà)出草圖并擬定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(duì)金屬安檢裝置的功能進(jìn)行測(cè)試，并做好相關(guān)記錄在班級(jí)中進(jìn)行項(xiàng)目制作的交流并評(píng)價(jià)編寫(xiě)簡(jiǎn)易金屬安檢裝置的程序設(shè)計(jì)制作過(guò)程記錄項(xiàng)目名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)分工（你擔(dān)任的角色）過(guò)程記錄1、用自己的話(huà)說(shuō)說(shuō)看你們小組制作的金屬安檢裝置的具體功能將怎樣實(shí)現(xiàn)？2、在下面空白處畫(huà)出你們組的安檢裝置的草圖3、在設(shè)計(jì)搭建和測(cè)試過(guò)程中遇到了哪些問(wèn)

10、題？4、問(wèn)題是怎么解決的？5、用自己的話(huà)描述一下本項(xiàng)目活動(dòng)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(shuō)說(shuō)看傳感器在信息傳遞過(guò)程中的作用嗎？1、在組內(nèi)對(duì)自己小組的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，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(jìn)行小組互評(píng)。你認(rèn)為其他小組的安檢裝置值得借鑒的地方在哪里？3、通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，你有哪些收獲？學(xué)會(huì)了什么？你還想做什么？根據(jù)其他小組對(duì)你們小組提出的改進(jìn)意見(jiàn)以及其他小組的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)你們組的金屬安檢裝置進(jìn)行改進(jìn)，并做好記錄。改進(jìn)項(xiàng)目（搭建和程序）改進(jìn)后測(cè)試情況第三節(jié) 控制系統(tǒng)的基本組成機(jī)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

11、是傳感器、單片機(jī)和電動(dòng)機(jī)，通過(guò)綜合連接這些器件，組成一個(gè)簡(jiǎn)易機(jī)器人系統(tǒng)，其實(shí)機(jī)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(chēng)控制器是控制系統(tǒng)的核心，他負(fù)責(zé)接受輸入部分的信號(hào)，經(jīng)分析處理，再給輸出部分發(fā)出指令，它是核心部分，因?yàn)樽x取傳感器輸入信號(hào)和驅(qū)動(dòng)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。下面我們通過(guò)具體的項(xiàng)目活動(dòng)，來(lái)了解機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成。項(xiàng)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(xiàng)目將通過(guò)制作一個(gè)簡(jiǎn)易恒溫箱，了解簡(jiǎn)易機(jī)器人控制系統(tǒng)的基本組成。用AS-EI控制器、溫度傳感器等搭建一個(gè)簡(jiǎn)易恒溫箱裝置，其功能是當(dāng)箱內(nèi)

12、溫度升高到一定溫度時(shí)，箱內(nèi)的風(fēng)扇打開(kāi)進(jìn)行降溫。導(dǎo)航一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(xì)胞等）的箱型器具。以前用于孵卵的恒溫器，有的是通過(guò)熱水加熱（水溫式），但實(shí)驗(yàn)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。導(dǎo)航二恒溫箱的原理其實(shí)比較簡(jiǎn)單，關(guān)鍵的控制部分有三個(gè)：1、溫度探頭 2、是制冷壓縮機(jī) 3、熱風(fēng)機(jī)，有的用紅外線(xiàn)加熱，或是直接用電阻絲加熱。溫度探頭的測(cè)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(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)到溫度低于下限時(shí)，開(kāi)啟熱風(fēng)機(jī)加熱

13、，溫度開(kāi)始回升，當(dāng)探頭檢測(cè)到溫度高于上限時(shí)，開(kāi)啟制冷壓縮機(jī)制冷，溫度下降，如此來(lái)回控制。注意：本項(xiàng)目?jī)H模擬恒溫箱的降溫模式，當(dāng)箱內(nèi)溫度升高時(shí)，風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)降溫。器材準(zhǔn)備主要部件：1、AS-EI控制器2、溫度傳感器3、馬達(dá)4、風(fēng)扇活動(dòng)流程學(xué)生35人分成小組，明確自己任務(wù)對(duì)恒溫箱項(xiàng)目從工作原理上進(jìn)行描述分析，最后擬定方案并畫(huà)草圖選取溫度傳感器、馬達(dá)等搭建恒溫箱模型對(duì)恒溫箱的功能進(jìn)行測(cè)試，并做好相關(guān)記錄在班級(jí)中進(jìn)行項(xiàng)目制作的交流并評(píng)價(jià)編寫(xiě)簡(jiǎn)易恒溫箱的程序設(shè)計(jì)制作過(guò)程記錄項(xiàng)目名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)分工（你擔(dān)任的角色）過(guò)程記錄1、請(qǐng)用自己的話(huà)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

14、空白處畫(huà)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、在設(shè)計(jì)搭建和測(cè)試過(guò)程中遇到了哪些問(wèn)題？4、問(wèn)題是怎么解決的？1、在組內(nèi)對(duì)自己小組的作品進(jìn)行點(diǎn)評(píng)，指出成功之處和不足之處。并用自己的話(huà)說(shuō)說(shuō)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(jìn)行小組互評(píng)。你認(rèn)為其他小組的恒溫箱值得借鑒的地方在哪里？3、通過(guò)這個(gè)項(xiàng)目，你有哪些收獲？學(xué)會(huì)了什么？你還想做什么？在本項(xiàng)目中，我們只模擬了恒溫箱的降溫模式，生活中我們經(jīng)常要讓恒溫箱也能夠升溫，想想看，在你們小組制作完的恒溫箱的基礎(chǔ)上該如何改進(jìn)，讓恒溫箱既能夠升溫也能夠降溫，程序又該如何編寫(xiě)？（提示：這里可以用發(fā)光二

15、極管來(lái)代替升溫）第四節(jié) 控制電路綜合應(yīng)用簡(jiǎn)易機(jī)器人制作的核心就是機(jī)器人的控制系統(tǒng)，能把外界的各種信息通過(guò)傳感器反應(yīng)到單片機(jī)里，通過(guò)單片機(jī)的處理使輸出設(shè)備產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)、發(fā)聲、發(fā)光等動(dòng)作，這就是簡(jiǎn)易機(jī)器人。下面我們通過(guò)一個(gè)項(xiàng)目活動(dòng)，初步實(shí)踐控制電路的綜合應(yīng)用。項(xiàng)目四 自動(dòng)門(mén)自動(dòng)門(mén)是生活中常見(jiàn)的設(shè)施，在商場(chǎng)、機(jī)場(chǎng)、火車(chē)站隨處可見(jiàn)，本項(xiàng)目通過(guò)制作一個(gè)自動(dòng)門(mén)裝置，掌握控制電路的綜合應(yīng)用，能用傳感器、單片機(jī)等安裝一個(gè)簡(jiǎn)單控制裝置，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。用AS-EI控制器、光電傳感器，磁感傳感器、馬達(dá)等搭建一個(gè)自動(dòng)門(mén)裝置，其主要功能是當(dāng)光電傳感器探測(cè)到物體時(shí)，自動(dòng)門(mén)將打開(kāi)，5秒后自動(dòng)關(guān)閉。導(dǎo)航一自動(dòng)門(mén)從理論上理解應(yīng)該是門(mén)

16、的概念的延伸，是門(mén)的功能根據(jù)人的需要所進(jìn)行的發(fā)展和完善。自動(dòng)門(mén)是指：可以將人接近門(mén)的動(dòng)作（或?qū)⒛撤N入門(mén)授權(quán)）識(shí)別為開(kāi)門(mén)信號(hào)的控制單元，通過(guò)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)將門(mén)開(kāi)啟，在人離開(kāi)后再將門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，并對(duì)開(kāi)啟和關(guān)閉的過(guò)程實(shí)現(xiàn)控制的系統(tǒng)。例如：各種用可識(shí)別感應(yīng)器控制的自動(dòng)專(zhuān)用門(mén)，如：玻璃自動(dòng)門(mén)、不銹鋼自動(dòng)門(mén)應(yīng)在此范圍內(nèi)。（如圖所示）導(dǎo)航二自動(dòng)門(mén)的執(zhí)行程序參考：1、開(kāi)始狀態(tài)自動(dòng)門(mén)處于關(guān)閉狀態(tài)2、假如一個(gè)物體靠近，光敏傳感器檢測(cè)到一個(gè)模擬變量值超過(guò)某一設(shè)定值，則電機(jī)將朝將門(mén)打開(kāi)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；3、當(dāng)磁敏傳感器感應(yīng)到磁鐵時(shí)關(guān)上電機(jī)，這時(shí)門(mén)的狀態(tài)是打開(kāi)的；4、5 秒鐘后，電機(jī)將朝將門(mén)關(guān)上的方向轉(zhuǎn)動(dòng)；5、當(dāng)磁敏傳感器再次感應(yīng)到磁鐵時(shí)門(mén)關(guān)閉電機(jī)，這時(shí)門(mén)的狀態(tài)是關(guān)閉的；器材準(zhǔn)備主要部件：1、AS-EI控制器2、光電傳感器3、磁敏傳感器4、馬達(dá)活動(dòng)流程學(xué)生35人分成小組，明確自己任務(wù)對(duì)自動(dòng)門(mén)裝置的工作方式進(jìn)行分析，最后擬定方案并畫(huà)草圖選取光電傳感器、磁敏傳感器、馬達(dá)等搭建自動(dòng)門(mén)模型對(duì)自動(dòng)門(mén)的功能進(jìn)行測(cè)試，并做好相關(guān)記錄在班級(jí)中進(jìn)行項(xiàng)目制作的交流并評(píng)價(jià)編寫(xiě)自動(dòng)門(mén)的程序設(shè)計(jì)制作過(guò)程記錄項(xiàng)目名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)名稱(chēng)團(tuán)隊(duì)分工（你擔(dān)任的角