ch05 AD、DA轉(zhuǎn)換接口與漫游機(jī)器人制作

A/D、D/A轉(zhuǎn)換接口與漫游機(jī)器人制作新工科建設(shè)之路·機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用系列應(yīng)用型人才創(chuàng)新能力培養(yǎng)機(jī)器人制作與開發(fā)(單片機(jī)技術(shù)及應(yīng)用)(第2版)第五章01基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程本任務(wù)使用紅外傳感器SHARP2Y0A21F2Y作為機(jī)器人導(dǎo)航傳感器制作漫游機(jī)器人。該傳感器輸出的模擬電壓表示檢測(cè)到的不同距離。本任務(wù)涉及的元器件包括：智能機(jī)器人小車1輛，紅外傳感器（測(cè)距）及安裝套件1套，TLC549A/D轉(zhuǎn)換芯片1個(gè)，1602LCD顯示模塊1個(gè)，跳線、導(dǎo)線和杜邦線若干?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程SHARP紅外傳感器實(shí)物圖如圖5.1所示。SHARP紅外傳感器的測(cè)量原理物體對(duì)紅外光的反射、環(huán)境溫度及操作時(shí)間都不會(huì)輕易影響距離探測(cè)的準(zhǔn)確度。SHARP2Y0A21F2Y紅外傳感器采用模擬量輸出，由PSD（位置靈敏探測(cè)器）、IRED（紅外發(fā)射二極管）及信號(hào)處理電路組成，可以用于近距離的探測(cè)，探測(cè)范圍是8~80cm?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程圖5.2所示為輸出電壓與探測(cè)距離的關(guān)系曲線。由圖可知，在0~8cm范圍內(nèi)，隨著探測(cè)距離的減小，輸出電壓急劇下降；在8~30cm范圍內(nèi)，隨著探測(cè)距離的增大，輸出電壓下降幅度較大；在30~80cm范圍內(nèi)，隨著探測(cè)距離的增大，輸出電壓變化得較為平緩。即當(dāng)探測(cè)距離足夠?。ㄐ∮?cm）時(shí)，輸出電壓急劇下降，雖然物體離得很近，但探測(cè)到的距離好像越來(lái)越遠(yuǎn)了，傳感器反而“看”不到了。因此要探測(cè)更遠(yuǎn)的物體，需要用分辨率更高的傳感器?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程根據(jù)SHARP紅外傳感器的特性，在實(shí)際使用前，需要對(duì)傳感器的測(cè)量特性進(jìn)行曲線擬合。在進(jìn)行曲線擬合時(shí)，如果不分段擬合，得到的測(cè)距函數(shù)只在某個(gè)范圍內(nèi)比較準(zhǔn)確，在其他的范圍內(nèi)誤差會(huì)比較大。對(duì)于SHARP2Y0A21F2Y紅外傳感器，合理的分段擬合方案是將距離分成8~30cm、30~50cm兩段。基于本任務(wù)的應(yīng)用要求，只在10~30cm范圍內(nèi)進(jìn)行擬合?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程注意：對(duì)于不同型號(hào)的傳感器，其輸出特征曲線不同，需要在實(shí)際使用前對(duì)所使用的傳感器進(jìn)行標(biāo)定校正?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程A/D轉(zhuǎn)換芯片的連接原理圖和連接實(shí)物圖分別如圖5.3和圖5.4所示。先把TLC549芯片插到面包板上，然后用導(dǎo)線連接相對(duì)應(yīng)的引腳。俯視A/D轉(zhuǎn)換芯片TLC549，以標(biāo)記有小圓點(diǎn)的左上角引腳為1引腳，逆時(shí)針?lè)较蛞来螢?~8引腳。將1、8引腳接至Vce；2引腳接紅外傳感器信號(hào)輸出端口。在圖5.4中，用了1個(gè)擴(kuò)展學(xué)習(xí)板將紅外傳感器接入單片機(jī)系統(tǒng)，紅外傳感器的3Pin電纜直接接到擴(kuò)展學(xué)習(xí)板的4號(hào)3Pin插口上，與它相通的是面包板旁邊的4號(hào)插孔，所以將4號(hào)插孔用連接線連接到芯片的2引腳上；3、4引腳接地；5、6、7引腳分別接單片機(jī)的P34、P16、P15引腳?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程注意：在下載程序時(shí)需要先將單片機(jī)P16、PI5引腳的導(dǎo)線斷開，在下載完成后再接上。這是因?yàn)檫@兩個(gè)引腳是與下載器接口復(fù)用的。基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程注意：當(dāng)用到較多的單片機(jī)IO端口時(shí)，必須正確分配可用端口，否則會(huì)出現(xiàn)意想不到的結(jié)果?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程例如，如果將TLC549的輸入端、輸出端或者片選信號(hào)的接線接至P10、P11舵機(jī)控制引腳，這時(shí)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換芯片轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)就輸出不到LCD上了；如果使用了P2端口的液晶端口，或者在使用定時(shí)器中斷時(shí)，占用了單片機(jī)第二功能引腳的中斷設(shè)置端口，同樣會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤。因此，在使用單片機(jī)IO端口時(shí)要特別注意端口資源的合理分配?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程程序說(shuō)明上述程序?qū)崿F(xiàn)的漫游機(jī)器人功能是，一邊向前運(yùn)動(dòng)，一邊測(cè)量其與前方物體的距離，LCD1602第一行顯示廣告字符串，第二行顯示距離值，若前方20cm的范圍內(nèi)有物體，則機(jī)器人向左轉(zhuǎn)（可以自行更改設(shè)定的規(guī)則），然后繼續(xù)向前運(yùn)動(dòng)，一直循環(huán)下去。用8位八段數(shù)碼管制作簡(jiǎn)易秒表程序說(shuō)明TLC549是一種新型的A/D轉(zhuǎn)換器，具有8位的分辨率。由于在實(shí)際應(yīng)用中的A/D轉(zhuǎn)換器輸入數(shù)據(jù)可能由于受到干擾而有突然的變化，因此為了讓測(cè)量的結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以采用多次采集再計(jì)算的方式得到相對(duì)準(zhǔn)確的數(shù)值，這種方法稱為軟件濾波。軟件濾波有很多算法，最簡(jiǎn)單的算法是對(duì)多次采樣的數(shù)據(jù)求平均值，即均值濾波法。用8位八段數(shù)碼管制作簡(jiǎn)易秒表首先，在10~30cm范圍內(nèi)均勻采樣20個(gè)數(shù)據(jù)，從距離10cm開始，每隔lcm記錄1次紅外傳感器的測(cè)量電壓值。每次紅外傳感器的測(cè)量電壓都可以通過(guò)LCD1602顯示出來(lái)。然后，將這20組數(shù)據(jù)分別填入Excel表格（以Excel2013為例）中。接著，選中所有的數(shù)據(jù)，選擇“插入”一“散點(diǎn)圖”-“帶平滑線和數(shù)據(jù)標(biāo)記的散點(diǎn)圖”選項(xiàng)，得到一個(gè)散點(diǎn)圖，在圖中的曲線上右擊鼠標(biāo)，在彈出的快捷菜單中選擇“添加趨勢(shì)線”選項(xiàng)，在“設(shè)置趨勢(shì)線格式”窗格中選中“冪”選項(xiàng)，然后勾選“顯示公式”復(fù)選框?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程就可以生成圖5.5所示的紅外傳感器輸出電壓和測(cè)量距離的擬合曲線，并得到對(duì)應(yīng)的公式，根據(jù)該擬合曲線及對(duì)應(yīng)的公式，每次測(cè)量的距離誤差可以控制在0.5cm范圍內(nèi)。也可以對(duì)標(biāo)定數(shù)據(jù)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，只需將上述步驟中的“冪”選項(xiàng)改選為“多項(xiàng)式”選項(xiàng)，并設(shè)置多項(xiàng)式的最高次數(shù)。由于本任務(wù)中僅測(cè)量10~30cm之間的距離，因此無(wú)須進(jìn)行分段擬合，在實(shí)踐中可以根據(jù)需要按同樣的方法進(jìn)行擬合操作?；诩t外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程基于紅外測(cè)距導(dǎo)航的漫游機(jī)器人的制作和編程編寫A/D轉(zhuǎn)換子函數(shù)要根據(jù)TLC549的工作時(shí)序圖（如圖5.6所示）來(lái)完成。02拓展閱讀A/D轉(zhuǎn)換器的作用是將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這里的模擬量既可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。但在A/D轉(zhuǎn)換前，輸入A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)必須轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。由于這些輸入信號(hào)在時(shí)間上是連續(xù)的，而輸出的數(shù)字信號(hào)是離散的，因此每個(gè)離散的數(shù)字量實(shí)際上代表的是一個(gè)區(qū)間的模擬量，如用255代表［4.98V，5V］的連續(xù)瞬時(shí)量，這個(gè)區(qū)間的大小實(shí)際上就是A/D轉(zhuǎn)換器的分辨率。拓展閱讀分辨率說(shuō)明了A/D轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入信號(hào)的分辨能力。A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)位數(shù)可以是8位、10位、12位、14位、16位等，在輸入電壓一定時(shí)，輸出位數(shù)越多，輸出的數(shù)字信號(hào)分辨率越高。例如，當(dāng)輸入信號(hào)最大為5v，最小為OV時(shí)，8位A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的分辨率為19.53mV（5V/23≈19.53mV），12位A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號(hào)的分辨率為1.22mV（5V/232≈1.22mV）。拓展閱讀A/D轉(zhuǎn)換器的另一個(gè)指標(biāo)是轉(zhuǎn)換時(shí)間，即從A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換控制信號(hào)到來(lái)開始，到輸出端得到穩(wěn)定的數(shù)字信號(hào)所需的時(shí)間。不同類型轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換速度是不同的，所以轉(zhuǎn)換時(shí)間也不同。其中，并行比較型A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速度最高，一般的8位并行A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)50ns，而逐次比較型A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間為10~50μs，有的也可達(dá)到幾百納秒。拓展閱讀在選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，除了要考慮轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換時(shí)間，還要考慮項(xiàng)目實(shí)際需要的分辨率和轉(zhuǎn)換時(shí)間。拓展閱讀03紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作人們?cè)谟醚劬ふ夷繕?biāo)時(shí)，不會(huì)只注視前方，而會(huì)通過(guò)脖子的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)掃描四周。為了讓機(jī)器人能夠進(jìn)行類似的搜索，可在機(jī)器人前方安裝一個(gè)角度舵機(jī)，并將紅外傳感器裝在角度舵機(jī)的輸出軸上，這樣紅外傳感器就可以隨著角度舵機(jī)進(jìn)行0°~180°的轉(zhuǎn)動(dòng)了。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作舵機(jī)控制脈沖示意圖如圖5.7所示。角度舵機(jī)角度舵機(jī)的控制信息與連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服舵機(jī)一樣，只是其高電平脈沖寬度（簡(jiǎn)稱脈寬）對(duì)應(yīng)的是輸出軸的角度，而不是速度，例如，1.5ms高電平脈寬可控制舵機(jī)回到中間位置，即90°位置。為了方便說(shuō)明，這里規(guī)定從右往左的角度依次為0°~180°，即最右邊為0°，最左邊為180°。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作根據(jù)任務(wù)需要，取5個(gè)角度，角度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度與20ms周期內(nèi)高電平持續(xù)時(shí)間之間的關(guān)系如表5.1所示。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作角度舵機(jī)安裝后的實(shí)物圖如圖5.8所示。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作云臺(tái)舵機(jī)接線電路如圖5.9所示。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作完整的紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的實(shí)物圖如圖5.10所示。使紅外傳感器左右掃描的方法是：首先使紅外傳感器的方向在右邊第一個(gè)測(cè)量角度的位置（18°）上，并在右邊的第一個(gè)測(cè)量角度（18°）和左邊的第一個(gè)測(cè)量角度（162°）上設(shè)置左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)標(biāo)志，據(jù)此控制角度舵機(jī)從右向左轉(zhuǎn)或者從左向右轉(zhuǎn)。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作程序說(shuō)明機(jī)器人一邊向前運(yùn)動(dòng)，一邊不斷測(cè)量5個(gè)不同方位前方物體的距離，并存在數(shù)組中。在每次掃描測(cè)得數(shù)據(jù)后，都要比較所得5個(gè)距離的大小，以決定機(jī)器人下一步的運(yùn)動(dòng)方向，然后將數(shù)組內(nèi)的數(shù)據(jù)還原為初始數(shù)據(jù)，依此一直循環(huán)執(zhí)行。判斷執(zhí)行條件是：若與前方90°、54°、126°方位的距離同時(shí)滿足小于23.4cm，則轉(zhuǎn)180°；若與18°和54°方位的距離之一小于23.4cm，則向左轉(zhuǎn)；若與126°和162°方位的距離之一小于23.4cm，則向右轉(zhuǎn)。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作程序說(shuō)明為了方便學(xué)習(xí)，這里只做了簡(jiǎn)單的處理。在實(shí)際應(yīng)用或者比賽過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行更仔細(xì)、更合理或者更有效的規(guī)劃。測(cè)距子函數(shù)中的計(jì)算距離單位改成了mm，也就是數(shù)值擴(kuò)大了10倍，然后取整，這樣測(cè)得的數(shù)據(jù)就可以存放在數(shù)組里了。這樣做一方面是因?yàn)锳T89S52單片機(jī)中的數(shù)組不能存放浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，另一方面是因?yàn)閿?shù)據(jù)存儲(chǔ)器容量有限，不能存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)。float型數(shù)據(jù)占用64字節(jié)，所以將其強(qiáng)制轉(zhuǎn)換成無(wú)符號(hào)整型，以節(jié)約存儲(chǔ)空間，也可以用無(wú)符號(hào)字符型表示。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作讓機(jī)器人一邊運(yùn)動(dòng)、一邊測(cè)距的技巧是：在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)時(shí)，電機(jī)低電平延時(shí)的20ms用來(lái)執(zhí)行角度舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)（因?yàn)殡姍C(jī)低電平延時(shí)需要20ms，剛好是角度舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的一個(gè)周期）。角度舵機(jī)從右向左轉(zhuǎn)、從左向右轉(zhuǎn)的起始角度需要設(shè)置標(biāo)志，分別進(jìn)行遞增和遞減計(jì)數(shù)。在數(shù)組內(nèi)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)用完后就還原為初值。紅外測(cè)距云臺(tái)導(dǎo)航機(jī)器人的制作04D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制D/A轉(zhuǎn)換器是一種將數(shù)字量信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬量信號(hào)的器件。要想使單片機(jī)輸出模擬信號(hào)，需要在輸出級(jí)中加上D/A轉(zhuǎn)換器，即D/A轉(zhuǎn)換芯片。D/A轉(zhuǎn)換芯片的輸出可以是電流，也可以是電壓，由數(shù)字輸入和參考電壓組合進(jìn)行控制。大多數(shù)常用D/A轉(zhuǎn)換芯片的輸入數(shù)據(jù)采用二進(jìn)制碼或BCD碼的形式。較常用的D/A轉(zhuǎn)換芯片有20個(gè)引腳封裝的8位數(shù)據(jù)并行通信芯片DAC0832，以及8個(gè)引腳封裝的串行輸入且輸出為電壓型的芯片TLC6519，通過(guò)3根串行總線就可以完成10位數(shù)據(jù)的串行輸入。D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制本任務(wù)使用的是價(jià)格低廉、接口簡(jiǎn)單、轉(zhuǎn)換控制容易并具有8位分辨率、電流型輸出的D/A轉(zhuǎn)換芯片DAC0832，它主要由8位輸入寄存器、8位DAC寄存器、8位D/A轉(zhuǎn)換器及輸入控制電路4部分組成。通過(guò)對(duì)DAC0832的數(shù)據(jù)鎖存器和DAC寄存器設(shè)置不同的控制方式，DAC0832可以工作在3種不同方式下：直通方式、單緩沖方式和雙緩沖方式。D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制本任務(wù)選擇直通方式。DAC寄存器的輸出在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要外接運(yùn)算放大器（簡(jiǎn)稱運(yùn)放），使之成為電壓型輸出的。這里使用的是LM324運(yùn)放。本任務(wù)所用元器件包括：智能機(jī)器人小車1輛，DAC0832芯片1個(gè)，LM324運(yùn)放芯片1個(gè)，直流電源模塊（提供12V和-12V直流電源）1個(gè)，跳線、導(dǎo)線、杜邦線若干。D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制DAC0832芯片和LM324芯片的連接電路如圖5.11所示。D/A轉(zhuǎn)換和機(jī)器人LED的亮度控制LM324芯