機器人常用的單片機使用經驗

九 實例：用AVR單片機創造機器生命
1 什么是機器生命
機器生命就是一個能自主生存的機器，一個自動為生存下去而奮斗的機器。對于機器生命來說，生存的含義就是不斷電，繼續運行。機器生命具有完全自主決策、自主行動、活動于未知世界、不需人類參與就能持續運行并且自我維護等特征。影片《終結者》中的天網就是超級機器生命。《霹靂5號》描述了一個機器人從無生命到有生命的過程。
N.維納（Norbert Wiener，1894～1964）寫《控制論》時創造出第一個機器生命Wiener龜，這個機器龜僅有2個電子管組成的模擬計算機，但它卻能實現真正的烏龜覓食、睡覺、探索、逃避等行為，其表現如同一個有生命的生物一樣。機器龜上面有太陽能電池，當自身電池快用完前，機器龜樂于尋找一個光線充足的地方充電，充滿電后可能找個地方睡懶覺，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，我們無法預知它的行蹤，因為它不是按照程序運行的，就如同我們自己一樣。后來維納在他的機器龜上又加了一個電子管，三個電子管連接成簡單的神經網絡，通過對機器龜訓練，維納通過搖鈴可控制機器龜的行為。正如有生物學家訓練狗使得狗聽到搖鈴聲后就流口水。


2 我們可以自己動手做一個機器寵物
我們今天有先進的單片機，制作一個更好的機器生命其實不難。機器生命遠比按固定程序運行的機器人好玩，就如同寵物狗比玩具狗好玩一樣。我們設想的機器生命可以是一個小型履帶式機器人，帶有太陽能板，能感受光線強弱，障礙物距離和碰撞，為了實現人機互動，該機器生命具有語音識別功能。試想你學習一天，回到寢室，叫一聲TONY，你的機器寵物轉身飛快跑向你，那種感覺只有寵物的創造者才能體會……


3 如何實現？如何設計電路？如何設計結構？
這個機器生命方案采用ATmega16單片機做控制器，單片機的8路AD通道和其余24個IO接口都被使用。AVR單片機AD轉換頻率高于音頻，可以用來進行簡單的語音采集。機器生命的程序較復雜，而AVR單片機適合進行快速復雜運算。本設計的電路板上除了ATmega16單片機外，還有2個LG9110電機驅動芯片、2個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，電路簡潔，適合初學者和中級愛好者動手制作。
LCD采用通用1602模塊，支持3位控制線4位數據線，如果你采用IO口復用技術，可用6條線控制LCD模塊。
此方案涉及光電檢測、自動充電、語音識別、超聲波測距、鍵盤（4個碰撞開關）、LCD液晶顯示、電機驅動等技術，這些都是動手做簡單機器人的基本技術，如果愛好者能把這個機器生命做好，那么你的電路設計、調試經驗和編程能力都會有很大的提高。
這個機器生命的技術含量相當于20世紀70年代國際機器人領域的先進水平。當時已經有很多非常精密和復雜的工業機器人被應用，但這種簡單的機器人怎么能稱作先進呢？因為技術的復雜和技術的先進不是一個概念，復雜+精密不一定等于先進。先進的東西不一定復雜和精密。


A 尋光
我們可以用光電二極管來檢測光線強弱。當然也可以用光敏電阻。將光敏電阻和一個固定電阻串聯接在電源正負極之間，光敏電阻靠近正極一側。從光敏電阻和固定電阻連接點引出導線接到ATmega16的AD轉換輸入口。當強光照在光敏電阻時，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檢測電位升高，被單片機轉化為數字量后判斷光線增強。機器生命有5個光電傳感器，其中4個面向機器人前后左右四個方向，另一個指向太陽能板所面對的方向。通過編程可以讓機器人自主移動到光線最強的地方。
B 充電
本設計采用4.8V鎳氫充電電池為系統供電。太陽能電池板正負極通過一個三極管與電池正負極相連。有一個電壓比較器比較電池電壓與太陽能板的壓差，如果壓差高于某值，比較器控制三極管導通，太陽能電池板對充電電池充電。充電電池電壓上升，當高于某值時控制三極管關斷，結束充電。為使太陽能板能對電池組充電，要求太陽能板在陽光直射下輸出電壓高于8V。


C 語音識別
用AVR單片機的高速AD檢測功能能實現簡單的語音識別。聲音信號被駐極體電容話筒接收后送至LM386音頻功放芯片放大和過濾后送至單片機AD轉換口，單片機對音頻信號幅值采樣轉化為一組數字，然后對這組進行取方差運算，得出一個特征值，該特征值可以用于簡單的語音識別。比如你發一個“e”，方差應該比較小，如果你發“p”爆破音，方差應該較大。當然，如果你用更復雜的數據處理，會得到更好的識別效果。本設計使用了2路聲音信號，目的是讓單片機判斷出聲源的大體方位。
D 超聲波測距
用AVR的1個IO口輸出40KHz信號送至超聲波發射電路，當超聲波遇到障礙物返回后，被超聲波接收頭接收，信號經CX20106A解碼芯片處理，得到一個低電平脈沖，用該脈沖引發AVR單片機中斷，AVR通過檢查發波和收到回波之間的時間差即可算出障礙物距離。
E 電機驅動
本設計采用2片LG9110電機驅動芯片驅動兩臺直流減速電機。LG9110輸出最大電流為800mA，僅需要2條控制線與單片機IO口直接相連即可控制一臺電機正反轉或者停止。LG9110僅有8個引腳，使用非常方便。
F 讓機器生命更聰明
我的這個機器生命設計方案能實現最酷的效果是：白天，陽光明媚，機器生命跑到陽光底下曬太陽，太陽光會隨著時間變化，機器生命能自動跑到最合適的位置享受日光浴。到了晚上，機器生命會找個安靜的地方閉目養神，等待明天太陽升起。你可以訓練機器生命，讓它知道自己的名字叫什么。比如你叫著它的名字，同時站在它面前用強光照射它的太陽能電池板，如此反復訓練，會使機器生命聽到自己名字后向聲源方向跑去，在距離聲源一定遠處停止，因為以往這樣做它都能享受強光照射并充電。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實現的，關鍵就在于編程序實現它。
G 想象無極限，你的機器寵物將無所不能
以上方案中，ATmega16的功能被發揮到極致，以至于沒有空閑的IO口，系統不能再擴展了。如果你用ATmega128單片機做，那么它擁有53個IO口，30多個中斷，128Kb的程序存儲器，4Kb的RAM，使得你能編寫更復雜的程序、儲存更多的動態數據、連接更多的外設，你的機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、無線通信模塊等，重新設計一個堅固和強勁的底盤，你的機器生命就可以在室外自由探索了。
以上芯片外設來源說明：在淘寶上購買很容易
底盤：340元的高級履帶式1：16電動坦克模型
加速度傳感器、地磁傳感器：美國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，機器人是非常好玩的，只要你有想象力，有毅力，努力研究實踐就能創造奇跡。