本書共六部分: 項目導(dǎo)入, 你好, 機器人; 子項目1, 機器人主體結(jié)構(gòu)的組裝與調(diào)試; 子項目2, 機器人驅(qū)動電路的組裝與調(diào)試; 子項目3, 機器人傳感電路的組裝與調(diào)試; 子項目4, 機器人主控電路的制作與調(diào)試; 子項目5, 機器人轉(zhuǎn)向電路的組裝與調(diào)試。
1.內(nèi)容新穎。在內(nèi)容安排上，將機器人通用平臺制作作為一個整體項目，將相關(guān)硬件電路制作及調(diào)試作為子項目，以模塊化的形式展開教學(xué)。
2.結(jié)構(gòu)合理。在項目結(jié)構(gòu)上，突出應(yīng)用為本、學(xué)以致用，首先就讓同學(xué)動手實踐，完成相應(yīng)電路的制作與調(diào)試，再進一步講解相關(guān)的知識點，*后進行鞏固練習(xí)。
在教學(xué)實踐中，教學(xué)組織方法對教學(xué)效果有著直接而重要的影響。傳統(tǒng)知識體系枯燥乏味，不利于學(xué)生學(xué)習(xí)。鑒于此，本書引入國際工程教育理念，開展CDIO項目教學(xué)實踐，項目教學(xué)以項目目標(biāo)為導(dǎo)向，以項目為核心開展教學(xué)，這種教學(xué)方式打破了教室和實驗室的界限，實現(xiàn)了理論教學(xué)與實踐教學(xué)、知識與能力的高度融合。通過做項目，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神與團隊合作意識，使學(xué)生通過做項目學(xué)會做事，學(xué)會合作。
目前大部分院校仍然使用理論性較強的教材，技術(shù)應(yīng)用型人才培養(yǎng)所需的教材卻很少。
本教材根據(jù)高素質(zhì)技術(shù)技能應(yīng)用型人才的培養(yǎng)目標(biāo)，以必需、夠用為度，精選必需的內(nèi)容，其余內(nèi)容引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)興趣和需要有目的、有針對性地自學(xué)。
本書是電子測量技術(shù)基礎(chǔ)教材，以機器人通用平臺制作為牽引，介紹了機器人主體結(jié)構(gòu)、機器人驅(qū)動電路、機器人傳感電路、機器人轉(zhuǎn)向電路、機器人主控電路等相關(guān)內(nèi)容，內(nèi)容簡潔，邏輯關(guān)系清晰。
基于上述各部分內(nèi)容，詳細講解了電子測量常用元器件的測量方法、常用電參數(shù)的測量方法、常用電子儀器的使用方法，使原本枯燥的測量知識變得生動有趣，充分調(diào)動了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。
本書力求從可操作性入手，采用項目化教學(xué)，側(cè)重對學(xué)生動手能力的培養(yǎng)，真正做到“項目引領(lǐng)教學(xué)，應(yīng)用技能速成”。本書的編寫突出了以下特點。
（1） 在結(jié)構(gòu)安排上，將機器人通用平臺作為一個整體項目，將相關(guān)結(jié)構(gòu)和硬件電路作為各個子項目。
（2） 在內(nèi)容選取上，突出應(yīng)用為本、學(xué)以致用，首先讓同學(xué)動手實踐，完成相應(yīng)電路的制作與調(diào)試，再進一步講解相關(guān)的知識點。
通過各個子項目的學(xué)習(xí)，可以提高學(xué)生的動手能力及分析問題、解決問題的能力，從課程層面上體現(xiàn)了CDIO項目教學(xué)的教育理念，CDIO代表構(gòu)思(Conceive)、設(shè)計(Design)、實現(xiàn)(Implement)和運作(Operate)，它以產(chǎn)品研發(fā)到產(chǎn)品運行的周期為載體，讓學(xué)生以主動的、實踐的、課程之間有機聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)工程。
全書共分6大部分，第1部分由沈陽工學(xué)院耿欣老師負責(zé)編寫； 第2部分由沈陽理工大學(xué)劉寅生副教授、沈陽工學(xué)院商俟平老師負責(zé)編寫； 第3部分由耿欣、商俊平、張文靜負責(zé)編寫； 第4部分由耿欣、劉寅生、張可菊負責(zé)編寫； 第5部分由商俊平、劉寅生負責(zé)編寫； 第6部分由耿欣、商俊平負責(zé)編寫。全書由耿欣統(tǒng)稿。
由于時間倉促，作者水平有限，書中難免存在疏漏和不妥之處，敬請讀者批評指正。
作者2016年7月
目錄
項目導(dǎo)入你好，機器人
一、 項目的提出
(一) 機器人的發(fā)展
(二) 機器人組成
(三) 機器人競賽
二、 項目任務(wù)及團隊組成
(一) 項目目標(biāo)
(二) 項目指標(biāo)
(三) 項目要求
(四) 項目團隊組成
(五) 團隊成果評定方法
(六) 個人成績評定方法
三、 項目的構(gòu)成
四、 實施項目的預(yù)備知識
五、 本項目的實施
六、 后續(xù)項目
七、 閱讀材料
(一) 機器人的由來
(二) 全國大學(xué)生機器人大賽
(三) 全國大學(xué)生飛思卡爾杯智能車競賽
子項目1機器人主體結(jié)構(gòu)的組裝與調(diào)試
一、 項目目標(biāo)
二、 項目結(jié)構(gòu)
三、 項目實施
(一) 元器件清單
(二) 元器件
(三) 操作步驟
四、 知識拓展
(一) 直流穩(wěn)壓電源基本原理
(二) 電機的分類及特點
(三) 裝配工具及使用方法
五、 實操訓(xùn)練
(一) 直流穩(wěn)壓電源面板的介紹
(二) 直流穩(wěn)壓電源的使用方法
(三) 固定5V輸出
(四) 由主路輸出0~30V直流電壓
(五) 由從路輸出0~30V直流電壓
(六) 電流輸出
六、 項目總結(jié)
七、 閱讀材料
(一) 直流穩(wěn)壓電源的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
(二) 工業(yè)機器人的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
八、 鞏固練習(xí)
子項目2機器人驅(qū)動電路的組裝與調(diào)試
一、 項目目標(biāo)
二、 項目結(jié)構(gòu)
三、 項目實施
(一) 元器件清單
(二) 連接圖
(三) 操作步驟
四、 知識拓展
(一) 常用電機驅(qū)動模塊
(二) 數(shù)字電壓表的工作原理
五、 實操訓(xùn)練
(一) 萬用表前面板介紹
(二) 直流電壓測量
(三) 交流電壓測量
(四) 直流電流測量
(五) 交流電流測量
(六) 電阻測量
(七) 電容測量
(八) 頻率測量
(九) 三極管電流放大系數(shù)測量
(十) 二極管測試
(十一) 通斷測試
(十二) 數(shù)據(jù)保持
(十三) 自動斷電
六、 項目總結(jié)
七、 閱讀材料
(一) 萬用表的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
(二) 測量及其誤差
八、 鞏固練習(xí)
子項目3機器人傳感電路的組裝與調(diào)試
一、 項目目標(biāo)
二、 項目結(jié)構(gòu)
三、 項目實施
(一) 元器件清單
(二) 連接圖
(三) 操作步驟
四、 知識拓展
(一) 傳感器的基本原理
(二) 常用元件及參數(shù)的測量
五、 實操訓(xùn)練
(一) 電路元件參數(shù)的測量
(二) 電路元件的識別
六、 項目總結(jié)
七、 閱讀材料
(一) 傳感器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
(二) 紅外傳感器的原理與應(yīng)用
八、 鞏固練習(xí)
子項目4機器人主控電路的制作與調(diào)試
一、 項目目標(biāo)
二、 項目結(jié)構(gòu)
三、 項目實施
(一) 元器件清單
(二) 連接圖
(三) 操作步驟
四、 知識拓展
(一) 電子示波器
(二) 數(shù)字存儲示波器
(三) 示波器測量實例
五、 實操訓(xùn)練
(一) 熟悉示波器的面板及操作界面
(二) 示波器三大系統(tǒng)的測量
(三) 垂直系統(tǒng)的通道設(shè)置
(四) 垂直系統(tǒng)的數(shù)學(xué)運算
(五) 設(shè)置水平系統(tǒng)
(六) 光標(biāo)測量
(七) 簡單信號測量
(八) 觀察正弦波信號通過電路產(chǎn)生的延遲和畸變
(九) 捕捉單次信號
(十) 減少信號上的隨機噪聲
六、 項目總結(jié)
七、 閱讀材料
(一) 數(shù)字示波器的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
(二) 單片機的發(fā)展及應(yīng)用現(xiàn)狀
八、 鞏固練習(xí)
子項目5機器人轉(zhuǎn)向電路的組裝與調(diào)試
一、 項目目標(biāo)
二、 項目結(jié)構(gòu)
三、 項目實施
(一) 元器件清單
(二) 連接圖
(三) 操作步驟
四、 知識拓展
(一) 舵機的基本工作原理
(二) 信號發(fā)生器的基本工作原理
五、 實操訓(xùn)練
(一) CA1645型合成函數(shù)信號源面板的主要部分
(二) 產(chǎn)生一定幅度和頻率的正弦波
(三) 產(chǎn)生一定幅度和頻率的方波
(四) 產(chǎn)生一定幅度和頻率的三角波
(五) 產(chǎn)生TTL輸出
(六) 應(yīng)用舉例
六、 項目總結(jié)
七、 閱讀材料
(一) 信號發(fā)生器
(二) 交流電
(三) 用電安全
八、 鞏固練習(xí)
附錄A電阻器、電容器的標(biāo)稱系列值
附錄B小電流低電壓硅整流二極管
附錄C國標(biāo)半導(dǎo)體集成電路型號命名方法
附錄D各部分電路原理圖
附錄E常用學(xué)習(xí)網(wǎng)址
附錄F部分習(xí)題參考答案
參考文獻
子項目5機器人轉(zhuǎn)向電路的組裝與調(diào)試
一、 項目目標(biāo) 理解舵機輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號之間的關(guān)系; 學(xué)會利用信號發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號; 會進行舵機正反向轉(zhuǎn)動的控制。
二、 項目結(jié)構(gòu) 本項目以舵機電路為核心，設(shè)計并制作轉(zhuǎn)向電路，對相關(guān)元器件進行測試，具體實施過程如圖5.1所示。 三、 項目實施
(一) 元器件清單 元器件清單如表5.1所示。 圖5.1項目具體過程圖 表5.1元器件清單表 元器件名稱型號數(shù)量 舵機MG996R/MG9951 信號發(fā)生器CA16461 示波器DS1052E1
(二) 連接圖 機器人轉(zhuǎn)向電路連接如圖5.2所示。 圖5.2轉(zhuǎn)向電路連接圖
(三) 操作步驟 完成轉(zhuǎn)向電路的制作，主要包括如下步驟。
(1) 觀察舵機的基本結(jié)構(gòu)，明確三根線的作用，將舵機的紅、棕、橘黃色線分別與VCC、GND、信號發(fā)生器的輸出端相連接。舵機外觀示意圖如圖5.3所示。 圖5.3舵機外觀示意圖
(2) 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的幅值和頻率，幅值為1V，頻率為1kHz，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)一定角度，記錄轉(zhuǎn)動角度數(shù)值，填寫入表5.2第1行。
(3) 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的幅值和頻率，幅值為5V，頻率為1kHz，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)一定角度，記錄轉(zhuǎn)動角度數(shù)值，填寫入表5.2第2行。
(4) 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的幅值和頻率，幅值為5V，頻率為0.5kHz，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)一定角度，記錄轉(zhuǎn)動角度數(shù)值，填寫入表5.2第3行。
(5) 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的幅值和頻率，幅值為5V，頻率為2kHz，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)一定角度，記錄轉(zhuǎn)動角度數(shù)值，填寫入表5.2第4行。
(6) 調(diào)節(jié)信號發(fā)生器輸出信號的幅值和頻率，幅值為5V，頻率為1kHz，實現(xiàn)舵機轉(zhuǎn)一定角度，記錄轉(zhuǎn)動角度數(shù)值，填寫入表5.2第5行。
表5.2信號與轉(zhuǎn)角對照表 序號幅值/V頻率/kHz轉(zhuǎn)角/° 111 251 350.5 452 550.75
四、 知識拓展 (一) 舵機的基本工作原理 在機器人控制系統(tǒng)中，舵機控制效果是重要影響因素。舵機可以在機電系統(tǒng)和航模中作為基本的輸出執(zhí)行機構(gòu)，其簡單的控制和輸出使得單片機系統(tǒng)非常容易與之接口。 舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，適用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模（包括飛機模型、潛艇模型、遙控機器人）中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。 舵機內(nèi)部有一個基準(zhǔn)電路，可產(chǎn)生周期為20ms、寬度為1.5ms的基準(zhǔn)信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，得到電壓差輸出。電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。 我們不必了解舵機的具體工作原理，知道它的控制原理就夠了。就像我們使用晶體管一樣，知道可以拿它來做開關(guān)管或放大管就行了，至于管內(nèi)的電子具體怎么流動，是可以不用去考慮的。 舵機的控制一般需要一個20ms左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為05~2.5ms范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。
以180°角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系如表5.3所示。 表5.3脈沖寬度與角度對照表 序號脈沖寬度/ms角度/° 10.50 21.045 31.590 42.0135 52.5180 表5.3只是一種參考數(shù)值，具體的參數(shù)需要查看說明書。 小型舵機的工作電壓一般為4.8V或6V，轉(zhuǎn)速也不是很快，所以更改角度控制脈沖的寬度太快時，舵機可能反應(yīng)不過來。 要精確地控制舵機，其實沒有那么容易，很多舵機的位置等級有1024個，那么，如果舵機的有效角度范圍為180°的話，其控制的角度精度是可以達到180°/1024約018°了，從時間上看其實要求的脈寬控制精度為2000/1024，約2μs。 如果一個舵機連控制精度為1°都達不到，而且還看到舵機在發(fā)抖的話，在這種情況下，只要舵機的電壓沒有抖動，那么抖動的就是控制脈沖了。 使用傳統(tǒng)單片機控制舵機的方案有很多，多是利用定時器和中斷的方式來完成控制的，這樣的方式控制一個舵機還是相當(dāng)有效的。
(二) 信號發(fā)生器的基本工作原理
1. 方波產(chǎn)生電路 矩形波產(chǎn)生電路是一種能夠直接產(chǎn)生矩形波的非正弦信號發(fā)生電路。由于矩形波包含豐富的諧波，因此這種電路又被稱為多諧振蕩器。由運放構(gòu)成的矩形波產(chǎn)生電路如圖5.4所示。 圖5.4由運放構(gòu)成的矩形波產(chǎn)生電路 圖5.4中，參數(shù)R1、R2、R3、R4、RW可根據(jù)具體應(yīng)用情況調(diào)整，而振蕩頻率取決于R、C的大小，頻率計算公式為f=11.39RC。 由晶振和運放組成的矩形波產(chǎn)生器如圖5.5所示。 圖5.5由晶振和運放構(gòu)成的矩形波產(chǎn)生電路 圖5.5中，輸出信號頻率決定于晶振的頻率，其中電阻R4=2kΩ,用作運算放大器輸出級集電極開路的負載。
2. 三角波產(chǎn)生電路 三角波產(chǎn)生電路如圖5.6所示。 圖5.6三角波產(chǎn)生電路 圖5.5中,運放采用4136，U1A是一個門限檢測器，U1B是一個積分器，Rv1用于幅度調(diào)節(jié)，Rv2控制C1的充電電流，進行頻率調(diào)節(jié)。
3. 多種信號發(fā)生器 多種信號發(fā)生器電路簡單、成本低廉、調(diào)整方便，電路如圖5.7所示。 圖5.7多種信號產(chǎn)生電路 555定時器接成多諧振蕩器工作形式，C2為定時電容，C2的充電回路是R2→R3→Rp→C2； C2的放電回路是C2→Rp→R3→IC的7腳(放電管)。由于 R3RpR2，所以充電時間常數(shù)與放電時間常數(shù)近似相等，由555的3腳輸出近似對稱方波。 按圖5.7所示元件參數(shù)，其頻率為1kHz左右，調(diào)節(jié)電位器Rp可改變振蕩器的頻率。方波信號經(jīng)R4、C5積分網(wǎng)絡(luò)后，輸出三角波。三角波再經(jīng)R5、C6積分網(wǎng)絡(luò)，輸出近似的正弦波。C1是電源濾波電容,發(fā)光二極管VD用作電源指示。 函數(shù)發(fā)生電路如圖5.8所示。 圖5.8函數(shù)發(fā)生電路 圖5.8中，由8038構(gòu)成函數(shù)發(fā)生電路。采用集成電路芯片8038構(gòu)成的函數(shù)發(fā)生器可同時獲得方波、三角波和正弦波。三角波通過電容恒流放電直接形成； 方波由控制信號獲得； 正弦波由三角波通過折線近似電路獲得。通過這種方式獲得的正弦波不是平滑曲線，其失真率為1%左右，可滿足一般用途的需要。電路中的電位器Rp1用于調(diào)整頻率，調(diào)整范圍為20Hz~20kHz； Rp2用于調(diào)整波形的失真率； Rp3 用于調(diào)整波形的占空比。 交流電壓的大小可用其峰值、平均值、有效值來表征，而各表征值之間的關(guān)系可用波形因數(shù)、波峰因數(shù)來表示。
(1) 峰值 峰值是交變電壓u(t)在所觀察的時間內(nèi)或一個周期內(nèi)偏離零電平的*大值，記為Up，正、負峰值不等時分別用Up+和Up-表示，如圖5.9所示。 圖5.9交流電壓的峰值與幅值 u(t)在一個周期內(nèi)偏離直流分量(平均值)Uo的*大值稱為振幅值，記為Um，如圖5.9所示。若正、負幅值不等時分別用Um+、Um-表示。 峰值是以零為參考電平計算的，振幅值則以直流分量為參考電平計算。對于正弦交流信號而言，當(dāng)不含直流分量時，其振幅值等于峰值，且正、負峰值相等。
(2) 平均值 u(t)平均值的數(shù)學(xué)定義為 =1T∫T0u(t)dt(5.1) 對周期性信號而言，積分時間通常取該信號的一個周期。當(dāng)u(t)為純交流電壓時，=0； 當(dāng)u(t)包含直流分量U0時，=U0，如圖5.9中虛線所示。這樣，平均值將無法表征交流(分量)電壓的大小。在電子測量中，通常所說的交流電壓平均值是指經(jīng)過檢波后的平均值。根據(jù)檢波器的種類不同，又可分為半波平均值和全波平均值。
① 全波平均值 交流電壓經(jīng)全波檢波后的平均值稱為全波平均值，用表示為 =1T∫T0u(t)dt(5.2)
② 半波平均值 交流電壓經(jīng)半波檢波后，剩下半個周期，正半周在一個周期內(nèi)的平均值稱為正半波平均值，用+12表示； 負半周在一個周期內(nèi)的平均值稱為負半波平均值，用－12表示
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