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九 實(shí)例：用AVR單片機(jī)創(chuàng)造機(jī)器生命
1 什么是機(jī)器生命
? ?? ? 機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對(duì)于機(jī)器生命來(lái)說(shuō)，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級(jí)機(jī)器生命。《霹靂5號(hào)》描述了一個(gè)機(jī)器人從無(wú)生命到有生命的過(guò)程。
? ?? ? N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫《控制論》時(shí)創(chuàng)造出第一個(gè)機(jī)器生命Wiener龜，這個(gè)機(jī)器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計(jì)算機(jī)，但它卻能實(shí)現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺(jué)、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個(gè)有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽(yáng)能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂(lè)于尋找一個(gè)光線充足的地方充電，充滿電后可能找個(gè)地方睡懶覺(jué)，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無(wú)法預(yù)知它的行蹤，因?yàn)樗皇前凑粘绦蜻\(yùn)行的，就如同我們自己一樣。后來(lái)維納在他的機(jī)器龜上又加了一個(gè)電子管，三個(gè)電子管連接成簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過(guò)搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨?。正如有生物學(xué)家訓(xùn)練狗使得狗聽(tīng)到搖鈴聲后就流口水。
2 我們可以自己動(dòng)手做一個(gè)機(jī)器寵物
? ?? ? 我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個(gè)更好的機(jī)器生命其實(shí)不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運(yùn)行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們?cè)O(shè)想的機(jī)器生命可以是一個(gè)小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽(yáng)能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，該機(jī)器生命具有語(yǔ)音識(shí)別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)身飛快跑向你，那種感覺(jué)只有寵物的創(chuàng)造者才能體會(huì)……
3 如何實(shí)現(xiàn)？如何設(shè)計(jì)電路？如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)？
? ?? ? 這個(gè)機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換頻率高于音頻，可以用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音采集。機(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜運(yùn)算。本設(shè)計(jì)的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個(gè)LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、2個(gè)LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡(jiǎn)潔，適合初學(xué)者和中級(jí)愛(ài)好者動(dòng)手制作。
? ?? ? LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。
? ?? ? 此方案涉及光電檢測(cè)、自動(dòng)充電、語(yǔ)音識(shí)別、超聲波測(cè)距、鍵盤（4個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)）、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，這些都是動(dòng)手做簡(jiǎn)單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛(ài)好者能把這個(gè)機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和編程能力都會(huì)有很大的提高。
? ?? ? 這個(gè)機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡(jiǎn)單的機(jī)器人怎么能稱作先進(jìn)呢？因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。
A 尋光
? ?? ? 我們可以用光電二極管來(lái)檢測(cè)光線強(qiáng)弱。當(dāng)然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個(gè)固定電阻串聯(lián)接在電源正負(fù)極之間，光敏電阻靠近正極一側(cè)。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導(dǎo)線接到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入口。當(dāng)強(qiáng)光照在光敏電阻時(shí)，光敏電阻阻值變小，因此其壓降變小，而固定電阻分壓增多，引出的AD檢測(cè)電位升高，被單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后判斷光線增強(qiáng)。機(jī)器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機(jī)器人前后左右四個(gè)方向，另一個(gè)指向太陽(yáng)能板所面對(duì)的方向。通過(guò)編程可以讓機(jī)器人自主移動(dòng)到光線最強(qiáng)的地方。
B 充電
? ?? ? 本設(shè)計(jì)采用4.8V鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能電池板正負(fù)極通過(guò)一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相連。有一個(gè)電壓比較器比較電池電壓與太陽(yáng)能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池板對(duì)充電電池充電。充電電池電壓上升，當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結(jié)束充電。為使太陽(yáng)能板能對(duì)電池組充電，要求太陽(yáng)能板在陽(yáng)光直射下輸出電壓高于8V。
C 語(yǔ)音識(shí)別
? ?? ? 用AVR單片機(jī)的高速AD檢測(cè)功能能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。聲音信號(hào)被駐極體電容話筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過(guò)濾后送至單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對(duì)音頻信號(hào)幅值采樣轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字，然后對(duì)這組進(jìn)行取方差運(yùn)算，得出一個(gè)特征值，該特征值可以用于簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。比如你發(fā)一個(gè)“e”，方差應(yīng)該比較小，如果你發(fā)“p”爆破音，方差應(yīng)該較大。當(dāng)然，如果你用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，會(huì)得到更好的識(shí)別效果。本設(shè)計(jì)使用了2路聲音信號(hào)，目的是讓單片機(jī)判斷出聲源的大體方位。
D 超聲波測(cè)距
? ?? ? 用AVR的1個(gè)IO口輸出40KHz信號(hào)送至超聲波發(fā)射電路，當(dāng)超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號(hào)經(jīng)CX20106A解碼芯片處理，得到一個(gè)低電平脈沖，用該脈沖引發(fā)AVR單片機(jī)中斷，AVR通過(guò)檢查發(fā)波和收到回波之間的時(shí)間差即可算出障礙物距離。
E 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
? ?? ? 本設(shè)計(jì)采用2片LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線與單片機(jī)IO口直接相連即可控制一臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者停止。LG9110僅有8個(gè)引腳，使用非常方便。
F 讓機(jī)器生命更聰明
? ?? ? 我的這個(gè)機(jī)器生命設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)最酷的效果是：白天，陽(yáng)光明媚，機(jī)器生命跑到陽(yáng)光底下曬太陽(yáng)，太陽(yáng)光會(huì)隨著時(shí)間變化，機(jī)器生命能自動(dòng)跑到最合適的位置享受日光浴。到了晚上，機(jī)器生命會(huì)找個(gè)安靜的地方閉目養(yǎng)神，等待明天太陽(yáng)升起。你可以訓(xùn)練機(jī)器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著它的名字，同時(shí)站在它面前用強(qiáng)光照射它的太陽(yáng)能電池板，如此反復(fù)訓(xùn)練，會(huì)使機(jī)器生命聽(tīng)到自己名字后向聲源方向跑去，在距離聲源一定遠(yuǎn)處停止，因?yàn)橐酝@樣做它都能享受強(qiáng)光照射并充電。這就如同真正的寵物狗，你叫它名字它就跑到你跟前希望能獲得食物。這一切都是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，關(guān)鍵就在于編程序?qū)崿F(xiàn)它。
G 想象無(wú)極限，你的機(jī)器寵物將無(wú)所不能
? ?? ? 以上方案中，ATmega16的功能被發(fā)揮到極致，以至于沒(méi)有空閑的IO口，系統(tǒng)不能再擴(kuò)展了。如果你用ATmega128單片機(jī)做，那么它擁有53個(gè)IO口，30多個(gè)中斷，128Kb的程序存儲(chǔ)器，4Kb的RAM，使得你能編寫更復(fù)雜的程序、儲(chǔ)存更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、連接更多的外設(shè)，你的機(jī)器生命將變得非常有生命力。比如加入三軸加速度傳感器、地磁傳感器、GPS定位、雨水傳感器甚至攝像頭、無(wú)線通信模塊等，重新設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固和強(qiáng)勁的底盤，你的機(jī)器生命就可以在室外自由探索了。
? ?? ???以上芯片外設(shè)來(lái)源說(shuō)明：在淘寶上購(gòu)買很容易
? ?? ???底盤：340元的高級(jí)履帶式1：16電動(dòng)坦克模型
? ?? ???加速度傳感器、地磁傳感器：美國(guó)AD公司的40元ADXL330加速度傳感器
? ?? ???GPS定位：幾十元的車載外置GPS天線
最后，我想說(shuō)，機(jī)器人是非常好玩的，只要你有想象力，有毅力，努力研究實(shí)踐就能創(chuàng)造奇跡。
1 什么是機(jī)器生命
? ?? ? 機(jī)器生命就是一個(gè)能自主生存的機(jī)器，一個(gè)自動(dòng)為生存下去而奮斗的機(jī)器。對(duì)于機(jī)器生命來(lái)說(shuō)，生存的含義就是不斷電，繼續(xù)運(yùn)行。機(jī)器生命具有完全自主決策、自主行動(dòng)、活動(dòng)于未知世界、不需人類參與就能持續(xù)運(yùn)行并且自我維護(hù)等特征。影片《終結(jié)者》中的天網(wǎng)就是超級(jí)機(jī)器生命。《霹靂5號(hào)》描述了一個(gè)機(jī)器人從無(wú)生命到有生命的過(guò)程。
? ?? ? N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫《控制論》時(shí)創(chuàng)造出第一個(gè)機(jī)器生命Wiener龜，這個(gè)機(jī)器龜僅有2個(gè)電子管組成的模擬計(jì)算機(jī)，但它卻能實(shí)現(xiàn)真正的烏龜覓食、睡覺(jué)、探索、逃避等行為，其表現(xiàn)如同一個(gè)有生命的生物一樣。機(jī)器龜上面有太陽(yáng)能電池，當(dāng)自身電池快用完前，機(jī)器龜樂(lè)于尋找一個(gè)光線充足的地方充電，充滿電后可能找個(gè)地方睡懶覺(jué)，或者探索未知世界，它有避免碰撞和避免到傾斜地方的趨向，我們無(wú)法預(yù)知它的行蹤，因?yàn)樗皇前凑粘绦蜻\(yùn)行的，就如同我們自己一樣。后來(lái)維納在他的機(jī)器龜上又加了一個(gè)電子管，三個(gè)電子管連接成簡(jiǎn)單的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)機(jī)器龜訓(xùn)練，維納通過(guò)搖鈴可控制機(jī)器龜?shù)男袨?。正如有生物學(xué)家訓(xùn)練狗使得狗聽(tīng)到搖鈴聲后就流口水。
2 我們可以自己動(dòng)手做一個(gè)機(jī)器寵物
? ?? ? 我們今天有先進(jìn)的單片機(jī)，制作一個(gè)更好的機(jī)器生命其實(shí)不難。機(jī)器生命遠(yuǎn)比按固定程序運(yùn)行的機(jī)器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們?cè)O(shè)想的機(jī)器生命可以是一個(gè)小型履帶式機(jī)器人，帶有太陽(yáng)能板，能感受光線強(qiáng)弱，障礙物距離和碰撞，為了實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)，該機(jī)器生命具有語(yǔ)音識(shí)別功能。試想你學(xué)習(xí)一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機(jī)器寵物轉(zhuǎn)身飛快跑向你，那種感覺(jué)只有寵物的創(chuàng)造者才能體會(huì)……
3 如何實(shí)現(xiàn)？如何設(shè)計(jì)電路？如何設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)？
? ?? ? 這個(gè)機(jī)器生命方案采用ATmega16單片機(jī)做控制器，單片機(jī)的8路AD通道和其余24個(gè)IO接口都被使用。AVR單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換頻率高于音頻，可以用來(lái)進(jìn)行簡(jiǎn)單的語(yǔ)音采集。機(jī)器生命的程序較復(fù)雜，而AVR單片機(jī)適合進(jìn)行快速?gòu)?fù)雜運(yùn)算。本設(shè)計(jì)的電路板上除了ATmega16單片機(jī)外，還有2個(gè)LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片、2個(gè)LM386音頻功放芯片，和LM393電壓比較器芯片，再加上少量電阻電容和三極管，電路簡(jiǎn)潔，適合初學(xué)者和中級(jí)愛(ài)好者動(dòng)手制作。
? ?? ? LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數(shù)據(jù)線，如果你采用IO口復(fù)用技術(shù)，可用6條線控制LCD模塊。
? ?? ? 此方案涉及光電檢測(cè)、自動(dòng)充電、語(yǔ)音識(shí)別、超聲波測(cè)距、鍵盤（4個(gè)碰撞開(kāi)關(guān)）、LCD液晶顯示、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，這些都是動(dòng)手做簡(jiǎn)單機(jī)器人的基本技術(shù)，如果愛(ài)好者能把這個(gè)機(jī)器生命做好，那么你的電路設(shè)計(jì)、調(diào)試經(jīng)驗(yàn)和編程能力都會(huì)有很大的提高。
? ?? ? 這個(gè)機(jī)器生命的技術(shù)含量相當(dāng)于20世紀(jì)70年代國(guó)際機(jī)器人領(lǐng)域的先進(jìn)水平。當(dāng)時(shí)已經(jīng)有很多非常精密和復(fù)雜的工業(yè)機(jī)器人被應(yīng)用，但這種簡(jiǎn)單的機(jī)器人怎么能稱作先進(jìn)呢？因?yàn)榧夹g(shù)的復(fù)雜和技術(shù)的先進(jìn)不是一個(gè)概念，復(fù)雜+精密不一定等于先進(jìn)。先進(jìn)的東西不一定復(fù)雜和精密。
A 尋光
? ?? ? 我們可以用光電二極管來(lái)檢測(cè)光線強(qiáng)弱。當(dāng)然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個(gè)固定電阻串聯(lián)接在電源正負(fù)極之間，光敏電阻靠近正極一側(cè)。從光敏電阻和固定電阻連接點(diǎn)引出導(dǎo)線接到ATmega16的AD轉(zhuǎn)換輸入口。當(dāng)強(qiáng)光照在光敏電阻時(shí)，光敏電阻阻值變小，因此其壓降變小，而固定電阻分壓增多，引出的AD檢測(cè)電位升高，被單片機(jī)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后判斷光線增強(qiáng)。機(jī)器生命有5個(gè)光電傳感器，其中4個(gè)面向機(jī)器人前后左右四個(gè)方向，另一個(gè)指向太陽(yáng)能板所面對(duì)的方向。通過(guò)編程可以讓機(jī)器人自主移動(dòng)到光線最強(qiáng)的地方。
B 充電
? ?? ? 本設(shè)計(jì)采用4.8V鎳氫充電電池為系統(tǒng)供電。太陽(yáng)能電池板正負(fù)極通過(guò)一個(gè)三極管與電池正負(fù)極相連。有一個(gè)電壓比較器比較電池電壓與太陽(yáng)能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導(dǎo)通，太陽(yáng)能電池板對(duì)充電電池充電。充電電池電壓上升，當(dāng)高于某值時(shí)控制三極管關(guān)斷，結(jié)束充電。為使太陽(yáng)能板能對(duì)電池組充電，要求太陽(yáng)能板在陽(yáng)光直射下輸出電壓高于8V。
C 語(yǔ)音識(shí)別
? ?? ? 用AVR單片機(jī)的高速AD檢測(cè)功能能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。聲音信號(hào)被駐極體電容話筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過(guò)濾后送至單片機(jī)AD轉(zhuǎn)換口，單片機(jī)對(duì)音頻信號(hào)幅值采樣轉(zhuǎn)化為一組數(shù)字，然后對(duì)這組進(jìn)行取方差運(yùn)算，得出一個(gè)特征值，該特征值可以用于簡(jiǎn)單的語(yǔ)音識(shí)別。比如你發(fā)一個(gè)“e”，方差應(yīng)該比較小，如果你發(fā)“p”爆破音，方差應(yīng)該較大。當(dāng)然，如果你用更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理，會(huì)得到更好的識(shí)別效果。本設(shè)計(jì)使用了2路聲音信號(hào)，目的是讓單片機(jī)判斷出聲源的大體方位。
D 超聲波測(cè)距
? ?? ? 用AVR的1個(gè)IO口輸出40KHz信號(hào)送至超聲波發(fā)射電路，當(dāng)超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號(hào)經(jīng)CX20106A解碼芯片處理，得到一個(gè)低電平脈沖，用該脈沖引發(fā)AVR單片機(jī)中斷，AVR通過(guò)檢查發(fā)波和收到回波之間的時(shí)間差即可算出障礙物距離。
E 電機(jī)驅(qū)動(dòng)
? ?? ? 本設(shè)計(jì)采用2片LG9110電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電機(jī)。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線與單片機(jī)IO口直接相連即可控制一臺(tái)電機(jī)正反轉(zhuǎn)或者停止。LG9110僅有8個(gè)引腳，使用非常方便。
F 讓機(jī)器生命更聰明
? ?? ? 我的這個(gè)機(jī)器生命設(shè)計(jì)方案能實(shí)現(xiàn)最酷的效果是：白天，陽(yáng)光明媚，機(jī)器生命跑到陽(yáng)光底下曬太陽(yáng)，太陽(yáng)光會(huì)隨著時(shí)間變化，機(jī)器生命能自動(dòng)跑到最合適的位置享受日光浴。到了晚上，機(jī)器生命會(huì)找個(gè)安靜的地方閉目養(yǎng)神，等待明天太陽(yáng)升起。你可以訓(xùn)練機(jī)器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著它的名字，同時(shí)站在它面前用強(qiáng)光照射它的太陽(yáng)能電池板，如此反復(fù)訓(xùn)練，會(huì)使機(jī)器生命聽(tīng)到自己名字后向聲源方向跑去，在距離聲源一定遠(yuǎn)處停止，因?yàn)橐酝@樣做它都能享受強(qiáng)光照射并充電。這就如同真正的寵物狗，你叫它名字它就跑到你跟前希望能獲得食物。這一切都是完全能夠?qū)崿F(xiàn)的，關(guān)鍵就在于編程序?qū)崿F(xiàn)它。
G 想象無(wú)極限，你的機(jī)器寵物將無(wú)所不能
? ?? ? 以上方案中，ATmega16的功能被發(fā)揮到極致，以至于沒(méi)有空閑的IO口，系統(tǒng)不能再擴(kuò)展了。如果你用ATmega128單片機(jī)做，那么它擁有53個(gè)IO口，30多個(gè)中斷，128Kb的程序存儲(chǔ)器，4Kb的RAM，使得你能編寫更復(fù)雜的程序、儲(chǔ)存更多的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、連接更多的外設(shè)，你的機(jī)器生命將變得非常有生命力。比如加入三軸加速度傳感器、地磁傳感器、GPS定位、雨水傳感器甚至攝像頭、無(wú)線通信模塊等，重新設(shè)計(jì)一個(gè)堅(jiān)固和強(qiáng)勁的底盤，你的機(jī)器生命就可以在室外自由探索了。
? ?? ???以上芯片外設(shè)來(lái)源說(shuō)明：在淘寶上購(gòu)買很容易
? ?? ???底盤：340元的高級(jí)履帶式1：16電動(dòng)坦克模型
? ?? ???加速度傳感器、地磁傳感器：美國(guó)AD公司的40元ADXL330加速度傳感器
? ?? ???GPS定位：幾十元的車載外置GPS天線
最后，我想說(shuō)，機(jī)器人是非常好玩的，只要你有想象力，有毅力，努力研究實(shí)踐就能創(chuàng)造奇跡。
工商網(wǎng)監(jiān)
評(píng)論