重庆大学本科学生毕业设计（论文） 3 硬件设计
图3.1 5V电压稳压电路图
图3.2 3.3V电压稳压电路图
3.2 传感
在设计机器鱼时，传感器的主要作用是用来进行障碍物的检测。能进行障碍物检测的传感器一般包括激光传感器，超声波传感器，红外光电传感器。
激光传感器：利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成。激光传感器是新型测量仪表，它的优点是能实现无接触远距离测量，速度快，精度高，量程大，抗光、电干扰能力强等。不过激光传感器一般来说体积较大，价格昂贵，适用于长距离高精度的测量任务中，不适合使用在机器鱼中。
超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。超声波是一种振动频率高于声波的机械波，由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的，它具有频率高、波长短、衍射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波传感器由发送头、接收头、控制部分与电源部分组成。虽然超声波传感器可以比较精确的进行距离测量，但发送头与接头的直径大概为15mm，再加上控制部分，体积更大，不适合使用在小型机器鱼之中。
光电传感器是利用被检测物对光束的遮挡或反射，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。普通光电传感器由发射管和接收管组成。发射管是一个可以发射红外线的发光二极管，给发射管加上合适电压，发射管将产生一定频率的红外线，发射出的红外线经反射后到达接收管，接
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收管在受到特定的红外线照射时阻值会发生变化，通过对接收管的阻值进行检测，即可检测出是否有障碍物。光电传感器工作原理简单，体积小，价格非常便宜，缺点是不能精确检测距离，只能对一定范围内障碍物的有无进行检测，不过对于我们的机器鱼来说，是否有障碍物的信息已经足够，所以，最终选择红外传感器进行障碍物检测。对于红外传感器的检测电路设计如图3.3
图3.3 红外传感器检测电路图
因为红外接收管在接收到从障碍物反射回来的红外线时阻值会发生变化，通过一个22K的电阻与其串联进行分压，即可获得一个与是否存在障碍物相关的电压值，将此电压与通过电位器获得的标准电压在比较器芯片中进行比较，即可获得标准的输出电压。调节电位器可以调整红外接收管的灵敏度，将其调整到合适范围，例如10厘米内有障碍就会有反应。当无障碍物存在时，比较器输出高电平，存在障碍物时，输出低电平。通过检测此电平变化，即可检测是否存在障碍物。
为了能够有效检测障碍，我们共安装四个红外传感器，分别检测前方，左侧，右侧和下方。通过这个布局，可以基本上判断出机器鱼所处的位置状态。
3.3 无线通信
因为本设计是一种观赏型机器鱼，所以对于可遥控性还是有一定的需求。增加遥控功能，可以使机器鱼更具娱乐与观赏性。机器鱼中遥控功能的实现可以通过有线或者无线的方式。有线式需要在鱼体后方拖拽一条导线，影响鱼的运动与
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美观。所以，对于机器鱼的遥控，一般采用无线的方式，即主要通过使用无线通信模块进行通信。
根据机器鱼的体积与所需要的通信距离的要求，经过选择，我们选用NRF24L01无线模块作为我们的通信模块。该模块工作在2.4GHz全球开放ISM频段，免许可证使用，空旷处传播距离达到100米，并且价格较低。外观如图3.4所示，它的特点有[9]：
图3.4 无线通信模块实物图
1. 低工作电压：1.9-3.6V低电压工作
2. 高速率：2Mbps，由于空中传输时间很短，极大的降低了无线传输中的碰撞现象
3. 多频点：125 频点，满足多点通信和跳频通信需要
4. 超小型：内置2.4GHz天线，体积小巧，15x29mm（包括天线）
5. 低功耗：当工作在应答模式通信时，快速的空中传输及启动时间，极大的降低了电流消耗。
6. 低应用成本：NRF24L01 集成了所有与RF协议相关的高速信号处理部分，比如：自动重发丢失数据包和自动产生应答信号等，NRF24L01的SPI接口可以利用单片机的硬件SPI口连接或用单片机I/O口进行模拟，内部有FIFO可以与各种高低速微处理器接口，便于应用到低成本单片机中。
7. 便于开发：由于链路层完全集成在模块上，非常便于开发。自动重发功能，自动检测和重发丢失的数据包，重发时间及重发次数可软件控制。自动存储未收到应答信号的数据包自动应答功能，在收到有效数据后，模块自动发送应答信号。内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制。可同时设置六路接收通道地址，可有选择性的打开接收通道。
从以上可以看出，该模块完全可以满足我们的应用要求。
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3.4 控制电路
2. 传感器信号采集。
再进行供电，防止烧坏芯片。
1. 与无线模块进行通信。
4. 根据运算结果对舵机进行控制。
机器鱼的控制部分主要完成以下功能：
5. 通过LED等方式对外界进行信息显示。
单片机与外部通信的电路原理图如图3.5所示
4. 共有3个16位定时器/计数器，4个外部中断。
2. 用户应用程序空间：8K，片上集成RAM 512B；
单片机具体型号为STC89C52，该单片机的性能指标如下[10]：
1. 工作电压范围：5.5V-3.3V，工作频率范围：0-40MHZ；
3. 通用IO口，35个，P1/P2/P3/P4是准双向口，P0是开漏输出；
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3. 根据从无线模块获取的信号以及从传感器获取的信息进行运算与判断。
因为无线模块的工作电压为1.9-3.6V，所以需要经过3.3V的稳压芯片稳压后
为了完成这些功能，我们选用比较简单常用的51系列单片机作为控制核心。
图3.5 单片机控制模块电路图
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为了与无线模块进行通信，将无线模块的控制口（5个）分别于单片机的P1.0-P1.4连接，将无线模块收到数据中断的引脚连接到单片机的外部中断0（P3.2）。通过使用单片机的IO口模拟SPI总线，对无线模块进行控制。当单片机接收到外部中断后，对数据进行接收。
红外传感器的信号输出为电平信号，共四路，将其连接到单片机的P3.4-P3.7，通过读取引脚的电平判断哪个方向存在障碍物。电平的读取通过扫描的方式进行。
由于舵机的控制口内部存在信号隔离，所以将单片机的P1.6和P1.7脚直接连接到舵机的控制口，通过定时器产生PWM波，直接控制舵机的转动。
单片机的P1.5脚连接到发光二极管，用来进行信息的显示。当单片机接收到由遥控器发来的信息时，二极管会闪烁一次，使工作过程更加明了，也方便于故障的诊断。
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