用74HC240制作尋光機器人

　許多機器人愛(ài)好者看到《用NE555制作尋光機器人》中介紹的NE555尋光機器人以后，對這種非編程的機器人控制方式充滿(mǎn)了極大的興趣。私下里有很多朋友詢(xún)問(wèn)關(guān)于這部尋光機器人電路與機械部分搭配的更多細節，并期待關(guān)于這個(gè)話(huà)題的展開(kāi)討論。我在實(shí)際制作了NE555尋光機器人以后，對GrantM設計的這部由單施密特觸發(fā)器作為主控核心的機器人也有了更深一層的體會(huì )，有了制作一個(gè)系列低技術(shù)尋光機器人的想法。本文將給讀者介紹我制作的另一部由74HC240作為主控核心的尋光機器人，依然貫徹低技術(shù)、低成本的制作理念，與大家共賞。

　　控制核心的深入分析

　　首先，我們來(lái)回顧一下上期介紹的NE555尋光機器人。從機電一體化的角度出發(fā)，把它的架構做一個(gè)系統分析。由圖1可以看出，NE555尋光機器人是一個(gè)自動(dòng)控制系統，它的尋光行為是在沒(méi)有人直接參與的情況下，利用控制裝置操縱受控對象，使被控量等于給定值。

　　在這個(gè)自動(dòng)控制系統里，給定值取決于施密特觸發(fā)器的閥值電壓。通過(guò)并聯(lián)在電源兩端的兩只光敏器件構成的分壓網(wǎng)絡(luò )形成的機器人虛擬視野來(lái)“讀取”環(huán)境光，形成一個(gè)測量電壓，送入施密特觸發(fā)器輸入端，與它的閥值電壓進(jìn)行比較，進(jìn)而驅動(dòng)左右電機帶動(dòng)機器人運動(dòng)。光敏器件周?chē)饩€(xiàn)的變化，會(huì )造成分壓網(wǎng)絡(luò )中點(diǎn)的測量電壓跟著(zhù)發(fā)生改變，受光敏器件自身特性的影響，測量電壓的變化范圍是非線(xiàn)性的。測量電壓受到光敏器件與光源相對角度的直接影響；此外，光敏器件特性，電機齒輪間隙、輪胎等造成車(chē)體位移上的誤差等因素也會(huì )間接影響到測量電壓的數值。這種控制方式的原理是，需要控制的是受控對象的被控量，即機器人移動(dòng)平臺與光源的相對位置；而測量的是破壞系統正常運行的干擾，即光敏器件偏離光源導致的測量電壓的變化。利用干擾信號產(chǎn)生控制作用，以糾正干擾對被控量的影響，故稱(chēng)為按干擾補償。而外部干擾經(jīng)過(guò)光敏器件的測量、與施密特觸發(fā)器的閥值電壓進(jìn)行比較、執行，控制信號是單向傳遞的，故亦稱(chēng)開(kāi)式控制。整個(gè)系統最終運行的效果是NE555構成的施密特觸發(fā)器驅動(dòng)左右兩只減速電機差速運轉，使移動(dòng)平臺向著(zhù)光源前進(jìn)。

　　施密特觸發(fā)器

　　通過(guò)上面的系統分析可以看出，施密特觸發(fā)器的閥值電壓決定了系統的給定值，施密特觸發(fā)器的特性也就決定了這個(gè)系統的特性。因此有必要深入了解一下這個(gè)器件的特點(diǎn)。

　　施密特觸發(fā)器是由美國科學(xué)家Otto Herbert Schmitt于1934年發(fā)明的，當時(shí)他只是一個(gè)研究生。事后三年，他在其博士論文中將這一發(fā)明描述為“ThermiONic Trigger”。這一發(fā)明是他對魷魚(yú)神經(jīng)中的神經(jīng)脈沖傳播進(jìn)行研究的直接成果。在電子學(xué)中，施密特觸發(fā)器是包含了正反饋的比較器電路。施密特觸發(fā)器也有兩個(gè)穩定狀態(tài)，但與一般觸發(fā)器不同的是，施密特觸發(fā)器采用電位觸發(fā)方式，其狀態(tài)由輸入信號電位維持；對于負向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號，施密特觸發(fā)器有不同的閥值電壓。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門(mén)電路，與普通的門(mén)電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱(chēng)為正向閥值電壓和負向閥值電壓。在輸入信號從低電平上升到高電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為正向閥值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過(guò)程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱(chēng)為負向閥值電壓。正向閥值電壓與負向閥值電壓之差稱(chēng)為回差電壓。對于標準施密特觸發(fā)器，當輸入電壓高于正向閥值電壓，輸出為高；當輸入電壓低于負向閥值電壓，輸出為低；當輸入在正負向閥值電壓之間，輸出不改變，也就是說(shuō)輸出由高電平翻轉為低電平，或是由低電平翻轉為高電平對應的閥值電壓是不同的。只有當輸入電壓發(fā)生足夠的變化時(shí)，輸出才會(huì )變化。這種雙閥值動(dòng)作被稱(chēng)為遲滯現象，表明施密特觸發(fā)器有記憶性，可用于在開(kāi)環(huán)配置中的抗干擾。

　　在NE555尋光機器人中，正是利用了NE555構成的施密特觸發(fā)器的上述特性來(lái)實(shí)現機器人的控制。施密特觸發(fā)器增強了僅有單輸入閥值電路的抗擾能力。由于只有一個(gè)輸入閥值，閥值附近的干擾輸入信號會(huì )導致輸出因微小的干擾來(lái)回地快速翻轉。但是對于施密特觸發(fā)器，閥值附近的噪聲輸入信號只會(huì )導致輸出值翻轉一次，若輸出要再次翻轉，噪聲輸入信號必須達到另一閥值才能實(shí)現，這就利用了施密特觸發(fā)器的回差電壓來(lái)提高電路的抗干擾能力。在作品的運行測試中，我也體會(huì )到了這點(diǎn)：比如使用兩只不經(jīng)過(guò)嚴格配對的光敏器件；在左右兩側的電機上故意使用直徑不一致的輪胎；把其中一只光敏器件的夾角改變等。機器人仍然可以在一定范圍內自我糾正方向，按照設計的要求，向著(zhù)光源前進(jìn)，只是在步態(tài)上增加了一些不必要的轉彎，換句話(huà)說(shuō)就是機器人以一種之字形的路線(xiàn)，忽左忽右振蕩著(zhù)前進(jìn)。

　　圖1 斯密特觸發(fā)器尋光機器人系統框圖

　　改進(jìn)版的控制核心

　　圖2為改進(jìn)版的尋光機器人，核心部分由一對光敏二極管和74HC240集成電路構成。74HC240是一片功能強大的三態(tài)緩沖器，芯片內部集成了8路帶有施密特觸發(fā)器輸入特性的反向緩沖器。在數字計算機中，這類(lèi)緩沖器的作用是用來(lái)暫時(shí)存放處理器送往外設的數據，有了數控緩沖器，就可以使高速工作的CPU部分與慢速工作的外設起協(xié)調和緩沖作用，實(shí)現數據傳送的同步。這個(gè)改進(jìn)版的尋光機器人，因為有了74HC240的加盟，使得機器人的控制系統即可以繼承到上文所介紹的施密特觸發(fā)器的全部好處，又可以借助緩沖器的作用，來(lái)協(xié)調機器人電子部分與機械結構之間的配合。實(shí)際制作完成以后的機器人運行方式，介于模擬控制與數字控制之間，因此它的設計者也給它起了一個(gè)形象的名字“Bare Bones Photovore”，我把它翻譯為“準系統尋光機器人”。線(xiàn)路圖中的U1和U2分別各代表了74HC240芯片內一組并聯(lián)工作的驅動(dòng)器。

　　圖2 74HC240尋光機器人線(xiàn)路圖

　　圖3是74HC240的框圖，可以看到芯片內部由兩組帶有使能輸入端的反向緩沖器組成，輸入端和輸出端分別為A1， A2， A3，A4， B1， B2， B3， B4（對應管腳2， 4， 6， 8， 11， 13， 15， 17）；YA1，YA2， YA3， YA4， YB1， YB2， YB3， YB4（對應管腳 18， 16， 14， 12， 9， 7，5， 3）。使能輸入端為Enable A， Enable B （對應管腳1， 19），電源正（對應管腳20），電源地（對應管腳10）。

　　圖3 74HC240內部圖

　　緩沖器分為兩種，常規緩沖器和三態(tài)緩沖器。常規緩沖器總是將值直接輸出，用在推進(jìn)電流到高一級的電路系統。三態(tài)緩沖器除了常規緩沖器的功能外，還設置有使能輸入端，這里對應的是74HC240的第1腳和第19腳。從圖4的真值表中可以看出當使能端電平不同時(shí)緩沖器有不同的輸出值。當Enable A，Enable B=0時(shí)，芯片選通，緩沖器工作；當Enable A， EnableB=1，緩沖器被阻止，無(wú)論輸入什么值，輸出的總是高阻抗狀態(tài)，用Z表示。高阻抗狀態(tài)能使電流降到足夠低，以致于類(lèi)似緩沖器的輸出沒(méi)有與任何電路相連。

　　圖4 74HC240真值表

　　在這部尋光機器人里，74HC240內部的緩沖器是工作在選通狀態(tài)，故需要把芯片的第1腳、19腳接低電平（電源地），另外還需注意，74HC240內部緩沖器的單路輸出電流只有35mA，在實(shí)際應用中，需要多組緩沖器并聯(lián)以獲得足夠的輸出電流，才能驅動(dòng)減速電機安全有效的工作。我在制作中，使用2片74HC240，16只緩沖器分成兩組各8路并聯(lián)，U1和U2的輸出端可以獲得最大280mA的輸出電流，足已驅動(dòng)常見(jiàn)的小型減速電機。由此可以規劃出一個(gè)系統的實(shí)際接線(xiàn)圖，對制作很有幫助，見(jiàn)圖5。

　　圖5 74HC240尋光機器人接線(xiàn)圖

　　機器人的實(shí)際制作

　　下面是我制作74HC240尋光機器人的過(guò)程。因為74HC240機器人移動(dòng)平臺的結構和制作方法與上一期的NE555尋光機器人相同，這里不再鰲述。見(jiàn)表1。

　　電子控制部分的全部材料，與NE555尋光機器人相同，依然使用紅外線(xiàn)接收管作為光敏器件，把它們反相串聯(lián)，接在+3.7V電源與地之間。為了使控制部分獲得足夠的輸出電流驅動(dòng)電機，需要使用兩片74HC240，把它們疊加焊接在一起工作。

　　控制核采用BEAM仿生機器人常用的“DEAD BUG”的焊接方式。使用這種手法建造電路的特點(diǎn)是把集成電路管腳朝上，在管腳上進(jìn)行外圍元件的搭棚焊接，它好處是可以迅速搭建起一個(gè)功能電路，另外完成的作品兼具一點(diǎn)藝術(shù)性。

　　我們可以把圖6看做一個(gè)硅基的大腦，從電路功能和表現形式上都比較符合。注意把需要的連接外部設備的端口留出適當的長(cháng)度，方便搭焊導線(xiàn)。圖7為安在機器人頭部的“大腦”特寫(xiě)，為了美觀(guān)和增加氣氛，我用塑料包裝板給它做了透明蓋。

　　圖6 為焊接完畢的控制核，頂視圖

　　圖7 機器人的大腦

　　圖8為機器人底部，鋰電池直接粘在減速電機上。因為74HC240的工作電壓范圍比較寬2～6V，這樣在電源的選擇上就很靈活，可以使用我偏好的3.7V鋰電池。而NE555的最低工作電壓是4.5V，在電源的選擇上就有很大的局限性。圖9為總體裝配完畢的74HC240尋光機器人。

　　圖8 機器人底部

　　圖9 74HC240尋光機器人

　　機器人的運行效果

　　74HC240尋光機器人的運行效果要優(yōu)于NE555尋光機器人。根據光線(xiàn)的變化，機器人的步態(tài)呈現出一種不規則的步進(jìn)形式，非常類(lèi)似單片機控制下的PWM電機驅動(dòng)效果，只是74HC240機器人的步態(tài)完全是自發(fā)的。通過(guò)仔細的觀(guān)察，機器人的主要行為模式可以總結為：當它向著(zhù)一個(gè)固定光源前進(jìn)，沒(méi)有周?chē)母蓴_，兩個(gè)電機將以左右交替觸發(fā)的方式步進(jìn)運轉，每執行一步，輪胎轉動(dòng)的角度大概在30～350°（取決于光源強度）。從能量的利用角度看，它也優(yōu)于NE555尋光機器人，74HC240機器人的兩只電機是緩沖器分別觸發(fā)啟停，間歇工作，非常經(jīng)濟。而NE555機器人的兩只電機是串聯(lián)在電源里，啟停會(huì )互相牽制，造成執行效率降低和能量的浪費。我使用的是一塊手機拆下的800mAH的鋰電池（實(shí)際容量小于800mAH），充滿(mǎn)實(shí)測機器人的持續運行時(shí)間超過(guò)90分鐘。

　　題圖是NE555尋光機器人和74HC240尋光機器人的全家福，圖左為74HC240尋光機器人，圖右為NE555尋光機器人。由圖片的對比中，讀者可以看出74HC240版本的升級。機器人制作是一項實(shí)踐性極強的愛(ài)好，需要多加動(dòng)手實(shí)踐，才能體會(huì )到電路和結構的特點(diǎn)。把書(shū)本上的理論知識與工程實(shí)踐結合起來(lái)，通過(guò)這兩個(gè)簡(jiǎn)易尋光機器人的制作，你會(huì )發(fā)現，機器人不再是一個(gè)高不可攀的話(huà)題。