用74HC240制作尋光機器人

　許多機器人愛好者看到《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了極大的興趣。私下里有很多朋友詢問關于這部尋光機器人電路與機械部分搭配的更多細節(jié)，并期待關于這個話題的展開討論。我在實際制作了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，有了制作一個系列低技術尋光機器人的想法。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、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(gòu)做一個系統(tǒng)分析。由圖1可以看出，NE555尋光機器人是一個自動控制系統(tǒng)，它的尋光行為是在沒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。

　　在這個自動控制系統(tǒng)里，給定值取決于施密特觸發(fā)器的閥值電壓。通過并聯(lián)在電源兩端的兩只光敏器件構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡形成的機器人虛擬視野來“讀取”環(huán)境光，形成一個測量電壓，送入施密特觸發(fā)器輸入端，與它的閥值電壓進行比較，進而驅(qū)動左右電機帶動機器人運動。光敏器件周圍光線的變化，會造成分壓網(wǎng)絡中點的測量電壓跟著發(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、輪胎等造成車體位移上的誤差等因素也會間接影響到測量電壓的數(shù)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，即機器人移動平臺與光源的相對位置；而測量的是破壞系統(tǒng)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，故稱為按干擾補償。而外部干擾經(jīng)過光敏器件的測量、與施密特觸發(fā)器的閥值電壓進行比較、執(zhí)行，控制信號是單向傳遞的，故亦稱開式控制。整個系統(tǒng)最終運行的效果是NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器驅(qū)動左右兩只減速電機差速運轉(zhuǎn)，使移動平臺向著光源前進。

　　施密特觸發(fā)器

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

　　施密特觸發(fā)器是由美國科學家Otto Herbert Schmitt于1934年發(fā)明的，當時他只是一個研究生。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)明是他對魷魚神經(jīng)中的神經(jīng)脈沖傳播進行研究的直接成果。在電子學中，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)器也有兩個穩(wěn)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)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個閾值電壓，分別稱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程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為正向閥值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負向閥值電壓。正向閥值電壓與負向閥值電壓之差稱為回差電壓。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，也就是說輸出由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，或是由低電平翻轉(zhuǎn)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，輸出才會變化。這種雙閥值動作被稱為遲滯現(xiàn)象，表明施密特觸發(fā)器有記憶性，可用于在開環(huán)配置中的抗干擾。

　　在NE555尋光機器人中，正是利用了NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器的上述特性來實現(xiàn)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。由于只有一個輸入閥值，閥值附近的干擾輸入信號會導致輸出因微小的干擾來回地快速翻轉(zhuǎn)。但是對于施密特觸發(fā)器，閥值附近的噪聲輸入信號只會導致輸出值翻轉(zhuǎn)一次，若輸出要再次翻轉(zhuǎn)，噪聲輸入信號必須達到另一閥值才能實現(xiàn)，這就利用了施密特觸發(fā)器的回差電壓來提高電路的抗干擾能力。在作品的運行測試中，我也體會到了這點：比如使用兩只不經(jīng)過嚴格配對的光敏器件；在左右兩側(cè)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(nèi)自我糾正方向，按照設計的要求，向著光源前進，只是在步態(tài)上增加了一些不必要的轉(zhuǎn)彎，換句話說就是機器人以一種之字形的路線，忽左忽右振蕩著前進。

　　圖1 斯密特觸發(fā)器尋光機器人系統(tǒng)框圖

　　改進版的控制核心

　　圖2為改進版的尋光機器人，核心部分由一對光敏二極管和74HC240集成電路構(gòu)成。74HC240是一片功能強大的三態(tài)緩沖器，芯片內(nèi)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(shù)字計算機中，這類緩沖器的作用是用來暫時存放處理器送往外設的數(shù)據(jù)，有了數(shù)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(diào)和緩沖作用，實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。這個改進版的尋光機器人，因為有了74HC240的加盟，使得機器人的控制系統(tǒng)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，來協(xié)調(diào)機器人電子部分與機械結(jié)構(gòu)之間的配合。實際制作完成以后的機器人運行方式，介于模擬控制與數(shù)字控制之間，因此它的設計者也給它起了一個形象的名字“Bare Bones Photovore”，我把它翻譯為“準系統(tǒng)尋光機器人”。線路圖中的U1和U2分別各代表了74HC240芯片內(nèi)一組并聯(lián)工作的驅(qū)動器。

　　圖2 74HC240尋光機器人線路圖

　　圖3是74HC240的框圖，可以看到芯片內(nèi)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(nèi)部圖

　　緩沖器分為兩種，常規(guī)緩沖器和三態(tài)緩沖器。常規(guī)緩沖器總是將值直接輸出，用在推進電流到高一級的電路系統(tǒng)。三態(tài)緩沖器除了常規(guī)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緩沖器有不同的輸出值。當Enable A，Enable B=0時，芯片選通，緩沖器工作；當Enable A， EnableB=1，緩沖器被阻止，無論輸入什么值，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，以致于類似緩沖器的輸出沒有與任何電路相連。

　　圖4 74HC240真值表

　　在這部尋光機器人里，74HC240內(nèi)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(nèi)部緩沖器的單路輸出電流只有35mA，在實際應用中，需要多組緩沖器并聯(lián)以獲得足夠的輸出電流，才能驅(qū)動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(qū)動常見的小型減速電機。由此可以規(guī)劃出一個系統(tǒng)的實際接線圖，對制作很有幫助，見圖5。

　　圖5 74HC240尋光機器人接線圖

　　機器人的實際制作

　　下面是我制作74HC240尋光機器人的過程。因為74HC240機器人移動平臺的結(jié)構(gòu)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(qū)動電機，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是把集成電路管腳朝上，在管腳上進行外圍元件的搭棚焊接，它好處是可以迅速搭建起一個功能電路，另外完成的作品兼具一點藝術性。

　　我們可以把圖6看做一個硅基的大腦，從電路功能和表現(xiàn)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?shù)拈L度，方便搭焊導線。圖7為安在機器人頭部的“大腦”特寫，為了美觀和增加氣氛，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(jù)光線的變化，機器人的步態(tài)呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的步進形式，非常類似單片機控制下的PWM電機驅(qū)動效果，只是74HC240機器人的步態(tài)完全是自發(fā)的。通過仔細的觀察，機器人的主要行為模式可以總結(jié)為：當它向著一個固定光源前進，沒有周圍的干擾，兩個電機將以左右交替觸發(fā)的方式步進運轉(zhuǎn)，每執(zhí)行一步，輪胎轉(zhuǎn)動的角度大概在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，啟停會互相牽制，造成執(zhí)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（實際容量小于800mAH），充滿實測機器人的持續(xù)運行時間超過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踐性極強的愛好，需要多加動手實踐，才能體會到電路和結(jié)構(gòu)的特點。把書本上的理論知識與工程實踐結(jié)合起來，通過這兩個簡易尋光機器人的制作，你會發(fā)現(xiàn)，機器人不再是一個高不可攀的話題。