用74HC240制作尋光機(jī)器人

　許多機(jī)器人愛(ài)好者看到《用NE555制作尋光機(jī)器人》中介紹的NE555尋光機(jī)器人以后，對(duì)這種非編程的機(jī)器人控制方式充滿了極大的興趣。私下里有很多朋友詢問(wèn)關(guān)于這部尋光機(jī)器人電路與機(jī)械部分搭配的更多細(xì)節(jié)，并期待關(guān)于這個(gè)話題的展開(kāi)討論。我在實(shí)際制作了NE555尋光機(jī)器人以后，對(duì)GrantM設(shè)計(jì)的這部由單施密特觸發(fā)器作為主控核心的機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)器人。從機(jī)電一體化的角度出發(fā)，把它的架構(gòu)做一個(gè)系統(tǒng)分析。由圖1可以看出，NE555尋光機(jī)器人是一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，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(duì)象，使被控量等于給定值。

　　在這個(gè)自動(dòng)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(guò)并聯(lián)在電源兩端的兩只光敏器件構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)形成的機(jī)器人虛擬視野來(lái)“讀取”環(huán)境光，形成一個(gè)測(cè)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(qū)動(dòng)左右電機(jī)帶動(dòng)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)。光敏器件周圍光線的變化，會(huì)造成分壓網(wǎng)絡(luò)中點(diǎn)的測(cè)量電壓跟著發(fā)生改變，受光敏器件自身特性的影響，測(cè)量電壓的變化范圍是非線性的。測(cè)量電壓受到光敏器件與光源相對(duì)角度的直接影響；此外，光敏器件特性，電機(jī)齒輪間隙、輪胎等造成車體位移上的誤差等因素也會(huì)間接影響到測(cè)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(duì)象的被控量，即機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)與光源的相對(duì)位置；而測(cè)量的是破壞系統(tǒng)正常運(yùn)行的干擾，即光敏器件偏離光源導(dǎo)致的測(cè)量電壓的變化。利用干擾信號(hào)產(chǎn)生控制作用，以糾正干擾對(duì)被控量的影響，故稱為按干擾補(bǔ)償。而外部干擾經(jīng)過(guò)光敏器件的測(cè)量、與施密特觸發(fā)器的閥值電壓進(jìn)行比較、執(zhí)行，控制信號(hào)是單向傳遞的，故亦稱開(kāi)式控制。整個(gè)系統(tǒng)最終運(yùn)行的效果是NE555構(gòu)成的施密特觸發(fā)器驅(qū)動(dòng)左右兩只減速電機(jī)差速運(yùn)轉(zhuǎn)，使移動(dòng)平臺(tái)向著光源前進(jìn)。

　　施密特觸發(fā)器

　　通過(guò)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(gè)系統(tǒng)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(guó)科學(xué)家Otto Herbert Schmitt于1934年發(fā)明的，當(dāng)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(duì)魷魚神經(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(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(hào)電位維持；對(duì)于負(fù)向遞減和正向遞增兩種不同變化方向的輸入信號(hào)，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(gè)閾值電壓，分別稱為正向閥值電壓和負(fù)向閥值電壓。在輸入信號(hào)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為正向閥值電壓，在輸入信號(hào)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為負(fù)向閥值電壓。正向閥值電壓與負(fù)向閥值電壓之差稱為回差電壓。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)施密特觸發(fā)器，當(dāng)輸入電壓高于正向閥值電壓，輸出為高；當(dāng)輸入電壓低于負(fù)向閥值電壓，輸出為低；當(dāng)輸入在正負(fù)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(zhuǎn)為低電平，或是由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平對(duì)應(yīng)的閥值電壓是不同的。只有當(dāng)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)作被稱為遲滯現(xiàn)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(jī)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(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的控制。施密特觸發(fā)器增強(qiáng)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(hào)會(huì)導(dǎo)致輸出因微小的干擾來(lái)回地快速翻轉(zhuǎn)。但是對(duì)于施密特觸發(fā)器，閥值附近的噪聲輸入信號(hào)只會(huì)導(dǎo)致輸出值翻轉(zhuǎn)一次，若輸出要再次翻轉(zhuǎn)，噪聲輸入信號(hào)必須達(dá)到另一閥值才能實(shí)現(xiàn)，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(yùn)行測(cè)試中，我也體會(huì)到了這點(diǎn)：比如使用兩只不經(jīng)過(guò)嚴(yán)格配對(duì)的光敏器件；在左右兩側(cè)的電機(jī)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(jī)器人仍然可以在一定范圍內(nèi)自我糾正方向，按照設(shè)計(jì)的要求，向著光源前進(jìn)，只是在步態(tài)上增加了一些不必要的轉(zhuǎn)彎，換句話說(shuō)就是機(jī)器人以一種之字形的路線，忽左忽右振蕩著前進(jìn)。

　　圖1 斯密特觸發(fā)器尋光機(jī)器人系統(tǒng)框圖

　　改進(jìn)版的控制核心

　　圖2為改進(jìn)版的尋光機(jī)器人，核心部分由一對(duì)光敏二極管和74HC240集成電路構(gòu)成。74HC240是一片功能強(qiáng)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(jì)算機(jī)中，這類緩沖器的作用是用來(lái)暫時(shí)存放處理器送往外設(shè)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(shè)起協(xié)調(diào)和緩沖作用，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳送的同步。這個(gè)改進(jìn)版的尋光機(jī)器人，因?yàn)橛辛?4HC240的加盟，使得機(jī)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(lái)協(xié)調(diào)機(jī)器人電子部分與機(jī)械結(jié)構(gòu)之間的配合。實(shí)際制作完成以后的機(jī)器人運(yùn)行方式，介于模擬控制與數(shù)字控制之間，因此它的設(shè)計(jì)者也給它起了一個(gè)形象的名字“Bare Bones Photovore”，我把它翻譯為“準(zhǔn)系統(tǒng)尋光機(jī)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(dòng)器。

　　圖2 74HC240尋光機(jī)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(duì)應(yīng)管腳2， 4， 6， 8， 11， 13， 15， 17）；YA1，YA2， YA3， YA4， YB1， YB2， YB3， YB4（對(duì)應(yīng)管腳 18， 16， 14， 12， 9， 7，5， 3）。使能輸入端為Enable A， Enable B （對(duì)應(yīng)管腳1， 19），電源正（對(duì)應(yīng)管腳20），電源地（對(duì)應(yīng)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(jìn)電流到高一級(jí)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(shè)置有使能輸入端，這里對(duì)應(yīng)的是74HC240的第1腳和第19腳。從圖4的真值表中可以看出當(dāng)使能端電平不同時(shí)緩沖器有不同的輸出值。當(dāng)Enable A，Enable B=0時(shí)，芯片選通，緩沖器工作；當(dāng)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?fàn)顟B(tài)，用Z表示。高阻抗?fàn)顟B(tài)能使電流降到足夠低，以致于類似緩沖器的輸出沒(méi)有與任何電路相連。

　　圖4 74HC240真值表

　　在這部尋光機(jī)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(shí)際應(yīng)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(dòng)減速電機(jī)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(dòng)常見(jiàn)的小型減速電機(jī)。由此可以規(guī)劃出一個(gè)系統(tǒng)的實(shí)際接線圖，對(duì)制作很有幫助，見(jiàn)圖5。

　　圖5 74HC240尋光機(jī)器人接線圖

　　機(jī)器人的實(shí)際制作

　　下面是我制作74HC240尋光機(jī)器人的過(guò)程。因?yàn)?4HC240機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái)的結(jié)構(gòu)和制作方法與上一期的NE555尋光機(jī)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(jī)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(dòng)電機(jī)，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(jī)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(xiàn)形式上都比較符合。注意把需要的連接外部設(shè)備的端口留出適當(dāng)?shù)拈L(zhǎng)度，方便搭焊導(dǎo)線。圖7為安在機(jī)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(jī)器人的大腦

　　圖8為機(jī)器人底部，鋰電池直接粘在減速電機(jī)上。因?yàn)?4HC240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(jī)器人。

　　圖8 機(jī)器人底部

　　圖9 74HC240尋光機(jī)器人

　　機(jī)器人的運(yùn)行效果

　　74HC240尋光機(jī)器人的運(yùn)行效果要優(yōu)于NE555尋光機(jī)器人。根據(jù)光線的變化，機(jī)器人的步態(tài)呈現(xiàn)出一種不規(guī)則的步進(jìn)形式，非常類似單片機(jī)控制下的PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)效果，只是74HC240機(jī)器人的步態(tài)完全是自發(fā)的。通過(guò)仔細(xì)的觀察，機(jī)器人的主要行為模式可以總結(jié)為：當(dāng)它向著一個(gè)固定光源前進(jìn)，沒(méi)有周圍的干擾，兩個(gè)電機(jī)將以左右交替觸發(fā)的方式步進(jìn)運(yùn)轉(zhuǎn)，每執(zhí)行一步，輪胎轉(zhuǎn)動(dòng)的角度大概在30～350°（取決于光源強(qiáng)度）。從能量的利用角度看，它也優(yōu)于NE555尋光機(jī)器人，74HC240機(jī)器人的兩只電機(jī)是緩沖器分別觸發(fā)啟停，間歇工作，非常經(jīng)濟(jì)。而NE555機(jī)器人的兩只電機(jī)是串聯(lián)在電源里，啟停會(huì)互相牽制，造成執(zhí)行效率降低和能量的浪費(fèi)。我使用的是一塊手機(jī)拆下的800mAH的鋰電池（實(shí)際容量小于800mAH），充滿實(shí)測(cè)機(jī)器人的持續(xù)運(yùn)行時(shí)間超過(guò)90分鐘。

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