大学课程最新单片机与控制电路doc.doc

第二单元 单片机与控制电路机器人之所以能够根据外界环境的变化做出不同的反应，除了拥有功能强大的“大脑”单片机和灵活的“思维”控制软件外，还必须像人一样能感知外部世界的变化，并做出相应的动作。本单元将介绍为机器人提供环境变化信号的元件传感器，以及如何围绕单片机组成简易机器人的控制系统。通过本单元的学习与实践，我们将实现以下四个目标：1. 知道常见的传感器及其作用。2. 了解控制系统的基本组成。3. 能用传感器、单片机等安装一个简单控制装置，并进行实验。4. 充分利用项目活动，体验小组合作的过程，学会与他人交流。5. 在项目活动中，努力培养自己的动手能力和创新能力。1. 常见传感器的种类2. 传感器的作用3、控制系统的基本组成4. 输入、输出设备的程序控制第一节 常见的传感器本节中我们将通过具体的项目活动，来了解和认识常见的传感器。项目一 简易多功能报警器报警器又称防盗器，是对用于发生警情、危险、紧急情况等状况下以声音、光线、气压等形式发出警报的电子产品的统称。在这个项目中我们将搭建一个简易多功能报警器，来认识一下传感器。1、根据生活中常见的报警器的种类，用AS-EI控制器、触碰传感器、磁敏传感器、光敏传感器搭建一个简易多功能报警器（图2-1-1）。 图2-1-12、当分别按下触碰传感器、用物品遮挡光敏传感器、用磁铁接近磁敏传感器，使蜂鸣器发出报警声音。通过实验，了解这几种常见的传感器。3、通过与同伴合作完成项目，学会与他人进行交流的方法。导航一 传感器的定义和分类人类是通过五官来获取外界信息的。类似地，机器人只有具备了感知能力，才能够像自然界的生物一样根据环境的变化作出相应的动作。没有感觉的机器人仅是一台机械设备，只能机械地执行预先设定好的动作。一、传感器的定义根据中华人民共和国国家标准（GB766587），传感器（Transducer/Sensor) 的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。机器人获取外部环境信息靠的就是传感器。传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号、物理条件（如光、热、湿度）或化学组成（如烟雾），并将探知的信息传递给其他装置或器官。传感器种类繁多，常见的主要有光敏、热敏、湿敏、压敏、气敏等电阻式传感器件。光电二极管和光电晶体管对红外线敏感，可应用在红外遥控电子控制系统中。二、传感器的分类传感器的分类方法有很多，常用的有以下几种：分类方法相关描述按被测物理量分类此分类方法有利于用户，一目了然，如速度传感器、加速度传感器、位移传感器、温度传感器、湿度传感器等。按工作原理分类分为物理型、化学型和生物型。再细分可以分为电阻应变式、压电式、电磁式、光电式等。按能量传递方式分类为为有源和无源两类。有源传感器相当于一台微型发电机，将非电功率转为电功率，起能量转换作用，无源传感器不能实现能量转换，被测非电量仅对传感器能量起控制或调节作用。按输出信号性质分类有开关量、模拟量和数字量三种。开关量传感器的输出只有接通和关闭两种状态。导航二 本项目中用到的传感器功能介绍触碰传感器：检查机器人是否与其他物体发生接触，如撞到墙壁，或手爪抓握到物体。磁敏传感器：包括两部份，一个用来感应磁性的传感器，另一个是提供信号的永磁铁。光敏传感器：光敏传感器能感知一定范围内的环境光线强度。导航三 报警器介绍报警器(alarm) ，又称防盗器。是对用于发生警情、危险、紧急情况等状况下以声音、光线、气压等形式发出警报的电子产品的统称。随着科技的进步，机械式报警器越来越多地被先进的电子报警器代替，经常应用于系统故障、安全防范、交通运输、医疗救护、应急救灾等领域，与社会生产、生活密不可分。汽车防盗报警器 火灾烟雾报警器 门窗报警器器材准备主要部件：1、AS-EI控制器2、触碰传感器2、磁敏传感器3、光敏传感器活动流程学生35人分成小组，明确自己分工对报警器项目从功能上进行分析，拟定初步方案选取相关传感器和积木搭建报警器简易模型对报警器进行功能测试，做好相关记录在班级中进行项目制作的交流并评价编写简易多功能报警器的程序过程记录项目名称团队名称团队分工（你担任的角色）过程记录1、说说看你们小组将如何设计这个简易多功能报警器的？要用到几种传感器？2、画出你们设计的报警器的程序流程图。3、在设计搭建和程序设计、测试过程中遇到了哪些问题？3、问题是怎么解决的？搭建参考程序、调试图形化语言程序如下图所示：这里设定传感器的模拟通道如下：触碰AI0，磁敏AI1，光敏AI2。获取模拟通道的值赋给相应的变量磁敏及触碰传感器判断光敏传感器值判断，值越大越暗1、在组内对自己小组的作品进行点评，指出优缺点。2、在全班介绍和展示本组的作品并进行小组互评。你认为其他小组的报警器的优点在哪里？3、通过这个项目，你有哪些收获？学会了什么？你还想做什么？在日常生活和工业生产中，你还常常可以看到哪些传感器？你能描述一下吗？第二节 传感器的作用本节我们将通过具体的项目活动，来认识传感器的作用。安检门是一种检测人员有无携带金属物品的探测装置，在这个项目中，我们将模仿机场、火车站等地方的安检门，用磁敏传感器搭建一个传送带式的简易金属安检装置，通过对项目的分析，进一步了解传感器的作用。项目二 简易金属安检门1、根据生活中碰到的安检门的实例，用AS-EI控制器、 磁敏传感器、皮带等搭建一个简易金属安检装置（图2-2-1）。图2-2-12、将金属物品放上传送带，当金属物品经过安检门时，传送带自动停止，蜂鸣器发出报警声音并闪烁红灯。通过对项目的分析，了解传感器的作用和工作原理。3、通过项目活动，学会与他人合作的方法并能正确评价他人。导航一 传感器的作用传感器是一种电子器件，它具有类似于人类五官的感觉功能，将外部环境信息转换成电信号。传感器像人体的感觉器官一样能感受到外界物理信息的变化，在电子控制系统中，传感器是能够采集外界物理信息的唯一元器件，是实现自动检测和自动控制的首要环节。传感器的作用：传感器在电子控制系统中属于输入部分，各种传感器的作用都是一样的，它能将非电量的物理信息转换成与之有确定关系的电信号，输送给控制电路进行处理。不同的是他们敏感的非电量信息不同，有的是光，有的是声，有的是温度，有的是磁图2-2-2 传感器的作用传感器在机器人的制作上得到了广泛应用。如机器人上方有两个光敏传感器当眼睛使用，有强光照射时他就能追光行走。这主要是因为光敏传感器能将光信号转变为电信号；同样听觉传感器是机器人的耳朵，它能将声音信号转变为电信号。导航二 安检门介绍安检门是一种检测人员有无携带金属物品的探测装置，又称金属探测门。主要应用在机场，车站，大型会议等人流较大的公共场所用来检查人身体上隐藏的金属物品，如枪支，管制刀具等。当被检查人员从安检门通过，人身体上所携带的金属超过根据重量、数量或形状预先设定好的参数值时，安检门即刻报警，并显示造成报警的金属所在区位，让安检人员及时发现该人所随身携带的金属物品。安检门适用于生产型企业：包括电子（如：芯片、内存、电路板、硬盘、手机、MP3、翻译通、录音笔、电子器件等）、电线电缆、电器、金银饰品、香烟、药品、墨盒、工矿、五金制品、电镀、压铸造、水暖器材、贵金属（铜、铝等）及其加工等相关行业。适用政府部门：包括公安局、检察院、法院审判庭、监狱、拘留所、劳教所、戒毒所等。适用公共场所：包括体育馆、娱乐场所（迪厅、歌舞厅等）、机场、火车站、汽车站、港口、展览馆、博物馆、银行、油库、发电站等。图2-2-3 生活中的安检门导航三 磁敏传感器本项目中用到的磁敏传感器介绍：包括两部份，一个是用来感应磁性的传感器，另一个是提供信号的永磁铁。连接数字输入，也可作为模拟输入。对磁铁的感应距离 5mm，能在 10mm以上的距离分辨两个磁铁。器材准备主要部件：1、AS-EI控制器2、磁敏传感器3、传送皮带4、马达活动流程学生35人分成小组，明确自己分工对金属安检装置项目从功能上进行分析，画出草图并拟定方案选取磁敏传感器、传送皮带、积木等搭建安检装置模型对金属安检装置的功能进行测试，并做好相关记录在班级中进行项目制作的交流并评价编写简易金属安检装置的程序过程记录项目名称团队名称团队分工（你担任的角色）过程记录1、用自己的话说说看你们小组制作的金属安检装置的具体功能将怎样实现？2、在下面空白处画出你们组的安检装置的草图3、在下面空白处画出程序流程图。4、在设计搭建和测试过程中遇到了哪些问题？是如何解决的？5、用自己的话描述一下本项目活动中用到的磁敏传感器的作用。传感器的工作原理总结1、 你能说说看传感器在信息传递过程中的作用吗？搭建参考程序、调试图形化语言程序如下图所示：本程序涉及到4个磁敏传感器，其通道在这里设置：左磁敏传感器A0，右磁敏传感器A1，上磁敏传感器A2，A3。接通皮带马达获取模拟通道的值，赋给相应的变量判断左右磁敏传感器是否感应到金属判断上面的两个磁敏传感器是否感应到金属1、在组内对自己小组的作品进行点评，指出成功之处和不足之处。2、在全班介绍和展示本组的作品并进行小组互评。你认为其他小组的安检装置值得借鉴的地方在哪里？3、通过这个项目，你有哪些收获？学会了什么？你还想做什么？根据其他小组对你们小组提出的改进意见以及其他小组的优点，对你们组的金属安检装置进行改进，并做好记录。改进项目（搭建和程序）改进后测试情况第三节 控制系统的基本组成本节我们通过具体的项目活动，来了解机器人控制系统的基本组成。项目三 恒温箱恒温箱是一种将温度控制在一定的范围之内，用以饲养或培养生物的箱型器具。本项目将通过制作一个简易恒温箱，了解简易机器人控制系统的基本组成。1、根据生活中的例子，用AS-EI控制器、温度传感器等搭建一个简易恒温箱装置（图2-3-1）。图2-3-12、编写并下载程序，当恒温箱内温度升高到一定温度时，箱内的风扇自动打开进行降温，当箱内温度低于一定温度时，加热灯点亮。通过测试与分析，了解机器人控制系统的基本组成。3、通过参与项目活动，体验和他人合作带来的乐趣。导航一 控制系统的基本组成机器人的控制系统由输入部分、控制部分和输出部分组成，在本节中控制系统主要应该是传感器、单片机和电动机，通过综合连接这些器件，组成一个简易机器人系统，其实机器人就是这些输入输出设备和控制器组成的复杂系统。控制部分也称控制器是控制系统的核心，他负责接受输入部分的信号，经分析处理，再给输出部分发出指令，它是核心部分，因为读取传感器输入信号和驱动输出设备都是由它指挥完成的。具体而言是其中的程序完成的。导航二 恒温箱介绍恒温箱是在一定的温度，用以饲养或培养生物或生物的一部分（细胞等）的箱型器具。以前用于孵卵的恒温器，有的是通过热水加热（水温式），但实验用的大部分为电热式，装有电热器和温度调节器，是一种外壁上装有绝热材料的箱子或柜橱。图2-3-2 生活中恒温箱导航三 恒温箱原理恒温箱的原理其实比较简单，关键的控制部分有三个：1、温度探头 2、是制冷压缩机 3、热风机，有的用红外线加热，或是直接用电阻丝加热。温度探头的测量端伸在恒温箱内部的空气中，不能与物体或是箱避接触，实时监测箱内的温度，在控制面板上，可以设置恒温箱的恒温范围，即设置允许的温度上限和下限，当探头检测到温度低于下限时，开启热风机加热，温度开始回升，当探头检测到温度高于上限时，开启制冷压缩机制冷，温度下降，如此来回控制。器材准备主要部件：1、AS-EI控制器2、温度传感器3、马达4、风扇活动流程5、灯学生35人分成小组，明确自己任务对恒温箱项目从工作原理上进行描述分析，最后拟定方案并画草图选取温度传感器、马达等搭建恒温箱模型对恒温箱的功能进行测试，并做好相关记录在班级中进行项目制作的交流并评价编写简易恒温箱的程序过程记录项目名称团队名称团队分工（你担任的角色）过程记录1、请用自己的话描述一下恒温箱控制系统的各组成部分之间的联系以及是如何工作的？2、在下面空白处画出你们组的恒温箱的草图以及控制系统各部分之间的是如何连接的？3、在下面空白处画出程序的流程图。4、在设计搭建和测试过程中遇到了哪些问题？问题是怎么解决的搭建参考程序调试图形化语言程序如下图所示：设置温度传感器的模拟通道为AI0，降温风扇电机的通道为MO0，加热灯的电机为DO0。并设定需要控制的温度值。判断温度是否高于设定的温度，若高，则风扇启动判断温度是否低于设定的温度，若低，则加热灯点亮说明：在本程序中，设定了一个温度区域：需要控制的温度值加减2的范围，在这个温度范围，就认为箱内温度恒定，风扇和加热灯都不启动。1、在组内对自己小组的作品进行点评，指出成功之处和不足之处。并用自己的话说说恒温箱控制系统的各组成部分及是如何工作的。2、在全班介绍和展示本组的作品并进行小组互评。你认为其他小组的恒温箱值得借鉴的地方在哪里？3、通过这个项目，你有哪些收获？学会了什么？你还想做什么？根据其他小组对你们小组提出的改进意见以及其他小组的优点，对你们组的恒温箱装置进行改进，并做好记录。改进项目（搭建上的和程序上的）改进后测试情况第四节 控制电路综合应用本节我们通过一个项目活动，初步实践控制电路的综合应用。项目四 自动门自动门是生活中常见的设施，在商场、机场、火车站随处可见，本项目通过制作一个自动门装置，掌握控制电路的综合应用，能用传感器、单片机等安装一个简单控制装置，并进行实验。1、根据生活中接触的自动门，用AS-EI控制器、光电传感器，磁感传感器、马达等搭建一个自动门装置（图2-4-1）。图2-4-12、编写并下载程序，当自动门上的光电传感器探测到物体时，自动门将打开，5秒后自动关闭。3、通过参与自动门的搭建与程序设计，进一步了解机器人的控制电路及应用。导航一 简易机器人制作核心简易机器人制作的核心就是机器人的控制系统，能把外界的各种信息通过传感器反应到单片机里，通过单片机的处理使输出设备产生转动、发声、发光等动作，这就是简易机器人。导航二 自动门介绍自动门从理论上理解应该是门的概念的延伸，是门的功能根据人的需要所进行的发展和完善。自动门是指：可以将人接近门的动作（或将某种入门授权）识别为开门信号的控制单元，通过驱动系统将门开启，在人离开后再将门自动关闭，并对开启和关闭的过程实现控制的系统。例如：各种用可识别感应器控制的自动专用门，如：玻璃自动门、不锈钢自动门应在此范围内。（如图所示）图2-4-2 生活中的自动门导航三 自动门工作流程自动门的执行程序参考：1、开始状态自动门处于关闭状态2、假如一个物体靠近，光敏传感器检测