基于Arduino的智能黑白棋子分揀機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制作

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

目錄

1產(chǎn)品功能分析...........................................................................................................1

2設(shè)計(jì)方案遴選.........................................................................................................1

2.1開(kāi)發(fā)板、芯片模塊的選擇...........................................................................1

2.2紅外傳感器的選擇.......................................................................................2

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)...............................................................................................2

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)...........................................................................................................3

3.1Arduinouno開(kāi)發(fā)板介紹..........................................................................3

3.2按鍵模塊設(shè)計(jì)...............................................................................................4

3.3紅外傳感器設(shè)計(jì)...........................................................................................5

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)...........................................................................................................7

4.1主程序流程圖...............................................................................................7

4.2產(chǎn)品程序清單...............................................................................................9

5產(chǎn)品調(diào)試及使用說(shuō)明...............................................................................................9

5.1產(chǎn)品調(diào)試.......................................................................................................9

5.2產(chǎn)品使用說(shuō)明.............................................................................................11

6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn).................................................................................................12

參考資料.....................................................................................................................13

附錄1元器件清單............................................................................................14

附錄2電路原理圖............................................................................................15

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖.............................................................................................16

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖............................................................................................17

附錄5產(chǎn)品裝配圖............................................................................................17

附錄6程序代碼................................................................................................18

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

基于Arduino的智能黑白棋子分揀機(jī)器人

的設(shè)計(jì)與制作

1產(chǎn)品功能分析

因?yàn)楝F(xiàn)在越來(lái)越多的人開(kāi)始玩黑白五子棋但有些人就比較懶，不想自己分

揀棋子，就用智能機(jī)器人來(lái)分揀棋子。黑白棋子智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)分為棋子筒、

固定支架和分揀結(jié)構(gòu)幾個(gè)基本組成部分。通過(guò)利用先進(jìn)的紅外傳感器，我們可

以準(zhǔn)確地識(shí)別出棋子的黑白顏色，并利用舵機(jī)驅(qū)動(dòng)推桿將其精確地拋向指定的

位置，而且，考慮到重力的影響以及管道的特殊尺寸，我們成功地解決了這一

技術(shù)挑戰(zhàn)，讓棋子一個(gè)接一個(gè)地掉落。如果發(fā)現(xiàn)沒(méi)有任何棋子，只剩下一個(gè)黑

色的，那么擋板就會(huì)朝著相反的方向移動(dòng)；反之，如果發(fā)現(xiàn)存在任何白色的棋

子，那么擋板就會(huì)朝著相反的方向移動(dòng)，以此來(lái)完成對(duì)黑白棋子的識(shí)別。

2設(shè)計(jì)方案遴選

2.1開(kāi)發(fā)板、芯片模塊的選擇

方案一：采用Arduinouno技術(shù)的解決方案，它具有多種多樣的傳感器，

可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周?chē)沫h(huán)境，并且還具備調(diào)節(jié)燈光、電機(jī)等設(shè)備的功能，從而對(duì)

周?chē)目諝鉅顩r產(chǎn)生實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)。此外，該技術(shù)還支持將Arduino的編程代碼

轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制格式，并將其存儲(chǔ)在微控制器中。利用Arduino技術(shù)，我們能夠

使用特定的編程語(yǔ)言和相應(yīng)的開(kāi)發(fā)環(huán)境，創(chuàng)建一個(gè)專(zhuān)門(mén)針對(duì)Arduino的項(xiàng)目。

這個(gè)項(xiàng)目不僅僅局限于Arduino，還能夠與一些PC端的應(yīng)用程序相互交互，

從而達(dá)到更好的效果。

方案二：STC89C52芯片被認(rèn)為是一種極其優(yōu)秀的CMOS8位微控制器，

它不僅節(jié)省了大量的電源，而且還配備了8K的可編程flash存儲(chǔ)器，它的結(jié)構(gòu)

簡(jiǎn)潔，操作簡(jiǎn)便，而且8位CPU的加持，更加強(qiáng)了它的穩(wěn)定性，從而給許多

嵌入式控制應(yīng)用帶來(lái)了極大的便利。

結(jié)合實(shí)際情況，本方案選擇方案一。

1

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

2.2紅外傳感器的選擇

方案一：采用主動(dòng)式紅外傳感器技術(shù)，將兩個(gè)相互對(duì)稱(chēng)的傳感器結(jié)合，形

成一個(gè)完整的對(duì)射系統(tǒng)，其中包括四種主要的傳感器：?jiǎn)喂馐?、雙光束、三光

束、四光束。根據(jù)傳感器的布局，這些傳感器的布局形態(tài)有對(duì)稱(chēng)的、有背對(duì)的、

有側(cè)面的等。當(dāng)一個(gè)設(shè)備的反射性較強(qiáng)時(shí)，它可以通過(guò)接收反射鏡或其他物體

所產(chǎn)生的紅外線，并將其轉(zhuǎn)換成可用的電子信息。然而，如果這種設(shè)備的反射

性較弱，可能無(wú)法將這種電子信息傳遞給其他設(shè)備，從而影響其正常工作。

方案二：被動(dòng)紅外傳感器僅檢測(cè)紅外輻射，而不會(huì)從LED發(fā)出輻射。無(wú)源

紅外傳感器由兩條熱釋電材料構(gòu)成，其中一條用于傳輸紅外信號(hào)，另一條用于

接收其他波長(zhǎng)的光，并通過(guò)菲涅耳透鏡將多個(gè)角度的光聚集到一個(gè)點(diǎn)上，最后，

外殼單元用于保護(hù)傳感器免受外界環(huán)境變量（如濕度）的影響。

結(jié)合實(shí)際情況，本方案選擇方案一。

2.3系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)框圖如下：

電源電路

A/D轉(zhuǎn)換

紅外傳感器

舵機(jī)1

Arduino單片

機(jī)處理單元

按鍵設(shè)置

舵機(jī)2

RGB顏色表示

WS2812模塊

黑白棋子

圖1系統(tǒng)框圖

3產(chǎn)品硬件設(shè)計(jì)

3.1Arduinouno開(kāi)發(fā)板介紹

3.1.1概述

2

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

Arduino是一個(gè)基于易用硬件和軟件的原型平臺(tái)。它由可編程的電路板

（稱(chēng)為微控制器）和稱(chēng)為ArduinoIDE（集成開(kāi)發(fā)環(huán)境）的現(xiàn)成軟件組成，用

于將計(jì)算機(jī)代碼寫(xiě)入并上傳到物理板。

3.1.2特點(diǎn)

Arduino板卡具有強(qiáng)大的處理能力，它可以從多種傳感器中獲得模擬和數(shù)

據(jù)，然后將這些信息轉(zhuǎn)化成各種形式的輸出，比如喚醒電機(jī)、/啟動(dòng)LED燈、

與云端相聯(lián)系。此外，您還可以使用ArduinoIDE（簡(jiǎn)稱(chēng)上傳軟件），對(duì)板塊的

微控制進(jìn)行調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)多種功能。Arduino擁有一系列獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，它們

無(wú)須任何特殊的硬件就能夠輕松地在USB上安裝和運(yùn)行，而且它們的Arduino

IDE也采用了C++的簡(jiǎn)單版，這大大降低了軟件開(kāi)發(fā)者的復(fù)雜度，也大大提高

了研發(fā)工作效率。Arduino為微控制器帶來(lái)一種全新的設(shè)計(jì)，它以一種簡(jiǎn)單、

高效的方式實(shí)現(xiàn)，極大改善了其AP的性能。

3.1.3Arduinouno實(shí)物照片

圖2Arduinouno實(shí)物照片

3.2按鍵模塊設(shè)計(jì)

3.2.1按鍵輸入原理

每個(gè)鍵盤(pán)上的按鍵都有一個(gè)開(kāi)關(guān)電路，它可以控制按鍵的開(kāi)啟和關(guān)閉，而

這些開(kāi)關(guān)電路可以通過(guò)接口電路與單片機(jī)進(jìn)行連接，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)鍵盤(pán)的控制。

3

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

單片機(jī)可以通過(guò)查詢(xún)和中斷來(lái)ACK是否存在輸入，并確定哪些鍵需要按下，

然后將這些信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的功能程序，最終將程序恢復(fù)到最初的狀態(tài)。

3.2.2按鍵模塊原理圖

圖3按鍵模塊原理圖

3.2.3按鍵實(shí)物圖

圖4按鍵實(shí)物圖

3.3紅外傳感器設(shè)計(jì)

3.3.1概述

通過(guò)使用紅外線傳感器，我們能夠?qū)Υ罅康男畔⑦M(jìn)行快速、準(zhǔn)確的分析，

并且這種傳感器具備良好的精確性和操作性，能夠幫助我們調(diào)節(jié)和操縱設(shè)備。

4

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

3.3.2紅外傳感器模塊原理圖

圖5紅外傳感器模塊原理圖

3.3.3紅外傳感器實(shí)物圖

圖6紅外傳感器實(shí)物圖

3.4舵機(jī)設(shè)計(jì)

3.4.1闡述及其工作原理

“舵機(jī)伺服電機(jī)”一般指的是一種具備輸入和輸出功能的微型設(shè)備。在接

收或反饋控制信息后，這些設(shè)備能夠?qū)⑵湔{(diào)節(jié)至所需的位置。如果沒(méi)有外部干

擾，這些設(shè)備將能夠維護(hù)其原始的姿態(tài)和方向。當(dāng)外部環(huán)境的改動(dòng)時(shí)，舵機(jī)的

輸入和輸出軸的位置都將隨之改動(dòng)。在航空、交通運(yùn)輸、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)學(xué)、軍

隊(duì)、教學(xué)、文娛、安全、環(huán)保、安全等多個(gè)方面都有廣泛的使用。

5

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

3.4.2舵機(jī)原理圖

圖7舵機(jī)原理圖

3.4.3舵機(jī)實(shí)物照片

圖8舵機(jī)實(shí)物照片

6

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

4產(chǎn)品軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序流程圖

圖9主程序流程圖

7

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

4.2產(chǎn)品程序清單

圖10產(chǎn)品程序清單

5產(chǎn)品調(diào)試及使用說(shuō)明

5.1產(chǎn)品調(diào)試

第一步如下圖：接通電源

8

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

圖11產(chǎn)品調(diào)試圖（1）

第二步如下圖：按下按鍵，電源帶動(dòng)左舵機(jī)把棋子推向右側(cè)，然后紅外傳感器

通過(guò)檢測(cè)顏色帶動(dòng)右舵機(jī)把黑白棋推向不同的一側(cè)

9

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

圖12產(chǎn)品調(diào)試圖（12）

5.2產(chǎn)品使用說(shuō)明

（1）在使用杜邦線之前，應(yīng)該確保它已經(jīng)被正確地連接，并且已經(jīng)被接通電

源。然后，通過(guò)紅外傳感器來(lái)識(shí)別棋子的顏色，并且執(zhí)行相應(yīng)的程序來(lái)對(duì)黑白

棋子進(jìn)行分類(lèi)。按下按鍵，通過(guò)ad轉(zhuǎn)換把信號(hào)傳遞給單片機(jī)，當(dāng)檢測(cè)到黑白

棋時(shí),傳感器控制舵機(jī)做出指令，從而實(shí)現(xiàn)分揀。

（2）不使用產(chǎn)品時(shí)收好產(chǎn)品，輕拿輕放，確保產(chǎn)品不要損壞。

10

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

6產(chǎn)品設(shè)計(jì)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

[1]J-STD-001E電氣與電子組件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E電子組件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21電子組件和電路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技術(shù)軟件工程術(shù)語(yǔ)；

[5]GB/T8566-2007信息技術(shù)軟件生存周期過(guò)程標(biāo)準(zhǔn)；

[6]GB/T8567-2006計(jì)算機(jī)軟件文檔編制規(guī)范

11

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

參考資料

[1]王魯云.模擬電路原理設(shè)計(jì)及應(yīng)用.北京:清華大學(xué)出版社，2017

[2]張金.Arduino程序設(shè)計(jì)與實(shí)踐.北京:電子工業(yè)出版社,2018

[3]周元哲.軟件測(cè)試.北京:清華大學(xué)出版社,2013.[4]李朝青單片機(jī)原理及應(yīng)用.北京:北京航空航天

大學(xué)出版社.2013.

[5]鄭人杰.計(jì)算機(jī)軟件測(cè)試技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1992.

[6]李秀忠.單片機(jī)原理及應(yīng)用.華南理工大學(xué)出版社.2009.

[6]宋萬(wàn)年.電子系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京:復(fù)旦大學(xué)出版社,2004.9.

12

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

附錄1元器件清單

胡偉平《基于Arduino的智能黑白棋子分揀機(jī)器人的設(shè)計(jì)與制

作》元器件清單

序數(shù)

名稱(chēng)代號(hào)型號(hào)規(guī)格合計(jì)

號(hào)量

1Arduino板子Arduino1

2數(shù)據(jù)線1

3Arduino擴(kuò)展板Arduinouno1

4按鍵K1KEY11

5尋跡模塊紅外傳感器1

6舵機(jī)SG902

7杜邦線20cm母對(duì)母15

8整體結(jié)構(gòu)件1

9塑料管1

10M3*10銅柱6

11M3*20銅柱1

12M3*6螺絲29

13M3*10螺絲4

14黑棋15

15白棋15

16膠水5021

17

13

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

附錄2電路原理圖

圖2

14

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

附錄3PCB設(shè)計(jì)圖

圖3

15

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

附錄4產(chǎn)品實(shí)物圖

圖4

附錄5產(chǎn)品裝配圖

16

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

圖5

附錄6程序代碼

#include<Servo.h>

#defineSERVO1_INIT_ANGLE90//舵機(jī)1初始角度

#defineSERVO2_INIT_ANGLE0//舵機(jī)2初始角度

#defineSERVO1_MIN_ANGLE30//舵機(jī)1最小角度

#defineSERVO2_MAX_ANGLE130//舵機(jī)2最大角度

#defineSERVO2_MIN_ANGLE30//舵機(jī)2最小角度

#defineSERVO_SPEED4//舵機(jī)速度

Servoservo1;

Servoservo2;

intbutton_pin=2;//按鍵

intir_pin=4;//紅外傳感器

intbutton_flag;

voidsetup()

{

servo1.attach(8);

servo1.write(SERVO1_INIT_ANGLE);

servo2.attach(9);

servo2.write(SERVO2_INIT_ANGLE);

pinMode(button_pin,INPUT);

pinMode(ir_pin,INPUT);

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_pin),key,CHANGE);

Serial.begin(9600);

}

voidloop()

{

if(button_flag==0)

{

servo1.write(SERVO1_INIT_ANGLE);

servo2.write(SERVO2_INIT_ANGLE);

}

else

{

color_check();

17

湖南商務(wù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)

}

}

voidservo1run()