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太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子

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在完成上一個以簡單電學電路為基礎的避障機器人項目後,我們將進行第三個PVC機器人項目製作。這是一個比較特殊的機器人,首先其控制電路比上一個項目稍微複雜了一點,是以電子元器件組成的;其次這個機器人不再以傳統電池作為電源,而是採用了綠色環保的太陽能作為能源;另外,這個項目的動力驅動方式比較特別——以震動的方式進行挪動位移。

本項目主要面向對電子電路有點陌生的初學者,能夠讓大家初步掌握以電子元器件為基礎的電子製作,瞭解基礎的電子知識,理解簡單的電路原理,同時掌握基本的電路焊接技巧。如果是對此已經非常熟悉的朋友,可以跳過本章節。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子

這是一個的以太陽能為能源的特殊移動機器人,即以太陽能電池為電源,以偏心擺錘馬達的震動效果作為挪動的動力。  

以下為效果視頻,前一段是在燈光(白熾燈)下進行測試的效果,後面一段為在陽光下的效果。

因為體型相象,以及震動時的嗡嗡聲,我給本項目的太陽能動力機器人再起一個外號——曬太陽的蚊子,呵呵。

本項目套件的淘寶地址:

一、基本原理

1.1、驅動原理

1.2、機械結構

1.3、電路原理

 1.3.1、電路符號

 1.3.2、電子元件(電阻、電容、二極管、三級管、震動馬達、太陽能電池)

 1.3.3、原理分析(常規分析、類比分析)

二、準備工作

三、製作過程

3.1、電路焊接

3.2、電路測試

3.3、結構製作

3.4、安裝電路板

3.5、震動馬達

3.6、太陽能電池

3.7、電源開關

3.8、整機組裝

3.9、整機效果

3.10、結構完善

四、效果展示

五、常見問題

六、項目總結

一、基本原理

本項目的太陽能機器人採用太陽能電池作為電源,依靠帶偏心擺錘的震動馬達發出的震動波進行移動。

1、驅動原理

本項目機器人的動力來自於震動馬達,這和我們的0號機器人的驅動原理是一樣的,具體可以參見這裏:PVCRobot 0號機器人驅動原理

這裏所謂震動馬達,其實就是我們手機中實現震機的震動器,其原理就是通過旋轉的馬達帶動一個位於偏心輪上的擺錘,由於擺錘的重心是位於旋轉的軸上的一邊,在馬達轉動的過程中,就會由於擺錘的重量不斷循環的在轉軸的周圍產生一個離心的外力(即:交替忽上忽下、忽左忽右的擺動),從而導致馬達的震動。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第2張

下圖中左邊的兩個震動馬達是在普通馬達上接了偏心擺錘,而右邊扁平的其實把馬達和擺錘融為一體了,效果其實相當於左邊馬達豎着放而已,只不過結構更緊湊了。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第3張

2、機械結構

本項目機器人的結構最開始在設計的時候是採用“三點支撐”的方式,即:一對前腳,然後尾部(電子元件:電解電容)着地。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第4張

後來在實際測試的時候,發現由於尾部着地點較遠,導致重心比較靠中心,從而整體平衡較穩定,在震動的時候挪動的幅度不夠。後來的設計改為再增加兩隻後腿,既可以採用三種支撐方式:  1)“四點支撐”:四腳匍匐,較穩定,移動幅度小;  2)“三點支撐”:後腳站立,較穩定,移動幅度較大;  3)“一點支撐”:尾部獨立着地,很不穩定,移動幅度最大。  在上面的視頻中也演示了這三種不同的情況。

也就是加了兩隻後腿,看起來就像蚊子了,本機器人“蚊子”的外號也因此而得名。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第5張

在重量一定的情況下,越是不穩定的結構,在震動的影響下移動的幅度越大。不過由於震動採用的器件是帶擺錘的馬達,在震動的過程中會有一個旋轉的趨勢,如果採用不穩定的支撐結構時,容易發生原地轉動。

要改變這個情況,則可以:調整震動馬達的安裝方位  如果把震動馬達從現在平行身體(一字型)的方向改為垂直身體(十字型)的方向安裝,則旋轉的趨勢就會變成向前或者向後的動力,震動時機器人就會由“打轉”變為“向前”或“向後”移動。  如果要改變前進或者是後退,則只要改變馬達的電源正負極,即改變馬達是順時針還是逆時針旋轉;如果震動馬達的擺錘位置不是正好位於機器人身體的中心軸,則還會有略微的轉動,但這樣動起來的效果更好,還帶一點轉彎。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第6張

另外,這裏提一下,如果改用扁平震動器,則不可避免的一定會出現以上所説的打轉的狀況,因為扁平震動器其實相當於上面那種震動馬達以轉軸垂直地面的豎着放的情況,而扁平震動器由於形狀所限又不能隨意調整安裝方位(只能扁平的水平貼在物件的表面),即無法像上面所説情況那樣通過改變方位去化解轉動的趨勢。當然,如果專門追求轉動的效果那又是另外的一種思路。

3、電路原理

本項目的電路比起上一個項目的簡單電學電路來説複雜了一些,除了特殊的太陽能電池、震動馬達之外,還有幾個包括電阻、電容、二極管、三級管等在內的電子元件。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第7張

對於熟悉電子電路的朋友,看了這個電路圖一定覺得很簡單。如果沒有接觸過電子電路的朋友也沒有關係,接下來我會仔細進行講解,有興趣的朋友可以聽我慢慢説來,如果是已經瞭解的朋友請直接跳過下面的一段。當然,可能也有一些朋友説“電路原理我就不深究了,反正我會照着電路圖組裝就行”——這當然也是可以的(以前我自己在初學無線電的時候就是這樣的^_^)。

下面我將用簡單通俗的比喻進行講解,有一些比喻未必非常恰當,但有助於理解一些抽象和生澀的內容。1)電路符號

我們先要會看電路圖,下圖把各個符號所對應的電子元件都做了註明。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第8張

此外,除了瞭解每種符號對應的代表什麼電子元件之外,我們也要懂得基本電路連接的表達方式。特別是對於交叉線的表示方式:  a)下圖左邊的一組交叉線,中間有一個圓點,代表橫、豎兩條線路是互相連接的;  b)下圖右邊的兩組交叉線,一組中間是沒有圓點,另一組有一個圓弧(似乎像跨過去一樣),兩組都是代表一樣的意思——即橫、豎條線路是互相不連接的。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第9張

2)電子元件

我們再來了解本項目電路中所涉及到的幾種電子元件。

(1)電阻  電阻的作用可以理解為減小電流。  下圖兩個符號都是電阻的電子符號。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第10張

如果把電流比喻成水流的話,電阻可以看成一個“把大水管的水流轉到小水管中流動的裝置(水流減小器)”,比較大的水流經過該設備後變成了比較小的水流。   

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第11張
  注:實際上不能簡單通過大水管接小水管的方式就能把水流變小,那樣只會讓水流更急更快,以上的比喻只是希望通過忽略其他因素簡化表述。  電阻的基本參數稱為“阻值”,可以理解為能夠把大水流變成多細的水流的程度,即:阻值越大,能夠轉換的水流就越細。  電阻“阻值”的數值單位:   a)基本單位為:歐姆(符號:Ω);   b)大一點的單位為:千歐姆(符號:KΩ,簡稱K);   c)更大一點的單位為:兆歐姆(符號:MΩ,簡稱M)。  其換算關係為:1MΩ=1,000KΩ=1,000,000Ω

本項目中採用的電阻的阻值為:2.2K。

(2)電容  電容的作用可以理解為存儲電流(實為電荷)。  電容有兩個引腳,一般分為兩種,一種是不分極性的普通電容;另一種是兩個引腳區分正負極性的稱為電解電容(簡稱:電解),其正極性的引腳一定要接在電源的正極,負極性的引腳一定要接在電源的負極上。

下面電子符號中,左邊一個的為普通的電容,右邊的兩個都是電解電容(兩種不同的表示方式,帶加號或者空心的一邊為正極)。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第12張

如果把電流比喻成水流的話,電容可以看成一個“蓄水裝置”,而電解電容則是一個“限定了水流方向的蓄水池”,蓄水池中有一個特殊的倒梯形容器,往蓄水池中注水,當水達到一定程度後,由於重力平衡的問題,倒梯形容器會一次性把水全部倒出,水則從另一個出口溢出來。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第13張

電容的基本參數稱為“容值”,可以理解為能夠存儲多少的水,即:容值越大,能夠存儲越多的水(或者説需要注入越多的水才能注滿,水才能從另外的出口流出)。  電容“容值”的數值單位:   a)基本單位為:法拉(符號:F,較少用);   b)小一點的單位為:毫法(符號:mF,較少用);   c)再小一點的單位為:微法(符號:μF,常用);   d)更小一點的單位為:皮法 (符號:pF,常用);   e)最小的單位為:納法(符號:nF,較少用)。  其換算關係為:    1F=1,000mF=1,000,000μF=1,000,000,000pF=1,000,000,000,000nF    1μF=1,000pF  本項目中採用的電解電容的容值為:4700μF。(3)二極管  二極管有兩個引腳(因此得名),基本作用可以理解為僅允許某一個極性的電流通過。而在本項目中採用的LED發光二極管,除此功能之外還可以發光。  二極管的兩個引腳是區分正負極性的,只有正極性的電流才能從二極管的正極引腳單向通過,或者説只有負極性的電流才能從二極管的負極引腳單向通過。

二極管的電子符號,喇叭口的一端為為正極。下圖中左邊一個的為普通的二極管,右邊的兩個都是發光二極管(兩種不同的表示方法,都帶表示發光效果的箭頭)。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第14張

如果把電流比喻成水流的話,二極管可以看成一個“限定了水流方向的可以根據水壓自動控制的閥門”,當水流的壓力達到一定程度後,水流會頂開閥門允許水流通過,但是同時水流不會往入水口倒灌(入水口位置高於出水口,實現單向流動;用專業的比喻就是一種稱為“逆止閥”能夠控制水不會倒流的閥門)。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第15張
  本項目中二極管的作用就是一個閥門的功能,閥門要打開需要一定的條件,這可以理解為水量夠多達到一定的水壓時,閥門打開允許水流通過。  二極管“打開閥門”,實際上就是所謂的“導通”,即二極管兩端的電壓達到一個下限值時二極管就導通允許電流通過。一般普通的硅材料的二極管的導通電壓為0.7V(伏特),而本項目我們採用的LED發光二極管的導通電壓為2V(伏特)左右,也就是説當達到2V(伏特)左右時LED發光二極管導通,同時發出亮光。  本項目之所以採用LED發光二極管,是因為我們希望設置一個導通條件為2V左右的閥門。如果要採用一般的硅材料的非發光二極管,因為其導通電壓條件比較低,要整體導通條件達到2V的話,我們就需要把三個普通的二極管串聯在一起(每個導通電壓0.7,三個就是2.1V)。即三個普通的硅二極管串聯可以代替一個LED發光二極管,當然為了簡單且減少元件的數量,我們建議還是採用LED發光二級管。  這裏要提醒一下,本項目建議採用紅色發紅光的LED發光二極管,這種二極管相對來説導通電壓比較低,而其他顏色的導通電壓比較高(接近甚至達到3V,綠色發綠光、黃色發黃光的相對都比較高,而白色發其他顏色光的最高),否則可能會影響效果——即影響閥門的靈敏度,可能導致閥門很難被打開。

(4)三極管  三極管有三個引腳(因此得名),在本項目中的基本作用可以理解當“控制引腳”的電壓達到一定程度後把另外兩個引腳連通從而允許電流通過。  三極管的兩個引腳是不同的,其中“控制引腳”稱為“基極”,用字母“B”表示;另外常連接着電源的,相當於引入電流的那一引腳稱為“發射極”,用字母“E”表示;還有一個引腳是作為輸出電流給目標的,稱為“集電極”,用字母“C”表示。  三極管通常分為NPN和PNP兩種類型(這裏不做詳細介紹,如果不明白的可以百度一下),簡單的理解就是:  a)NPN型的三極管,其“發射極”固定連接的是電源的負極,即實現的功能就是控制負極的電流從“集電極”輸出;  b)PNP型的三極管,其“發射極”固定連接的是電源的正極,即實現的功能就是控制正極的電流從“集電極”輸出。  注:實際上電流沒有正負極之分,電流都是從電源正極流向電源負極,上面這樣提只是便於簡化表述。

下圖三極管的電子符號,左邊的兩個為NPN類型(有兩種表示方法),右邊的兩個為PNP類型(有兩種表示方法)。 NPN和PNP兩者的符號區別只是發射極箭頭的方向,NPN是箭頭向外的,而PNP是箭頭向內的,這個箭頭其實就是電流的方向(電流實際上從電源正極流向負極的),正好也就是NPN型的發射極是接着電源負極,而PNP型的發射極是接着電源的正極的。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第16張


如果把電流比喻成水流的話,三極管可以看成一個“由注入的水的水壓控制的水閘”,當從控制口注入的水的水壓達到一定程度後,水閘會打開,水閘上游的水會流向下游。如果NPN型三極管説是“控制水是從東流向西的水閘”,則PNP型三極管就相當於“控制水從西流向東的水閘”。(姑且可以這樣理解)    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第17張

三極管有比較多的參數指標,這裏不展開講,有興趣的可以自己百度一下。這裏只提一個參數——“最大電流”,也就是説三極管最能夠承受多大的電流通過,用我們水流的例子理解就是這個水閘單位時間裏最大能夠允許多大的水流通過(立方/秒)。我們這個電路由於採用的是太陽能電池供電,實際電路的電流並不大,所以我們選擇三極管的時候就按照比設計電流稍微大一點的指標進行選型。

本項目採用兩個三極管,一個是NPN的,型號為9014;一個是PNP的,型號為9015。  如果看過這個電路圖原始版本的朋友可能會知道,他原來採用的兩個三極管的型號為2N3904和2N3906,那兩種三極管的最大電流是0.2A。其實這個影響不大,之所以我這裏改為9014和9015是因為在我們國內,後面這兩種型號的三極管相對容易找一些,而這兩種型號的三極管最大電流雖然只是0.1A,但是對於我們這個電路來説還是足夠了的。(5)震動馬達  本項目的動力來自震動馬達產生的震動波。關於震振動馬達在前面的驅動原理的章節中已經有了詳細的介紹,這不再重複。  馬達的電子符號如下圖(兩種表示方法),圓圈裏面的字母“M”其實就是英文單詞“Motor”(譯為:發動機、馬達)的首字母。

 

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第18張

還是對於水流的例子,本項目的震動馬達相當於一個“以水流驅動的水輪機(水車)”,水流從高處留下來,衝擊扇葉,扇葉帶動一根轉軸轉動,結果就是把水流落差的勢能轉為機械旋轉的動能。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第19張

(6)太陽能電池  太陽能電池是本項目機器人的能量來源。

電池的電子符號如下圖:

 

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第20張

a)第一個和第二個為普通電池的符號。  □ 一根長線和一根短線為一組,長線的一段為正極,短線的一段為負極;  □ 很多時候,一組長短線就代表一節電池,兩組就代表兩節電池;  □ 也有些時候,多少組長短線並不代表具體多少節電池,尤其是在電壓比較高時(如果真要換成多少節電池來表示可能需要非常多組的長短線,那樣的話太複雜),而只是代表是電源,具體多少電壓一般會在旁邊直接註明,比如:3V、1.5V*2(意為兩節1.5V的電池)。

b)第三個符號是電池旁邊帶了英文“Solar Cell”,含義就是“太陽能電池” 。

c)第四個符號是電池旁邊帶了一組射入的箭頭,代表光線,其實也指的是“太陽能電池” 。

太陽能電池是一種把光能轉換為電能的器件。單片太陽能電池板的功率都不大,電壓電流都不高,如果用多塊太陽能電池板串聯來可以提高電壓,如果用多塊太陽能電池板並聯來可以提高電流,也可以是即串聯又並聯既提高電壓也提高電流。即便如此,由於太陽能電池的效率並不高,所以一般不會直接用太陽能電池作為動力驅動,動力驅動用專門的大電流電池組,而太陽能電池只是用於給這些電池組進行充電(充電電流要求不高)。

本項目的機器人的移動方式決定了其不需要持續的電源供電,所以我們用可以用太陽能電池進行直接的動力驅動,中間通過一個巧妙的電能積蓄電路進行電能收集,達到一定的量之後進行瞬間短暫的放電以獲取足夠的電流。具體原理在後面的電路分析中會有詳細的説明。

同樣對於水流的例子,我們把太陽能電池看成是“可以收集雨水的裝置(雨水收集器)”,即把曬太陽看成是淋雨(正好相反,哈哈),把“收集太陽能轉為電能形成電流”看成是“收集雨水形成水流”。    

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第21張

本項目採用兩片1.5V/50mA的太陽能電池板串聯在一起使用。

3)原理分析

接下來我們對本項目的電路進行原理分析,有興趣深入瞭解的朋友可以繼續跟着來,如果已經很熟悉的可以跳過本節。

本項目機器人的電路實際上是一個比較巧妙的電路——脈動充放電控制電路,其可以把功率較低且有可能斷斷續續的太陽能電能收集起來集中存儲,當存儲的電能達到一定量的時候,通過瞬間短暫的放電以獲取足夠的電流去驅動馬達。雖然瞬間放電的電流足夠大能夠驅動馬達,但是持續時間很短,在積蓄的電能很快耗盡後,則馬達停止電路重新開始收集太陽能進入下一次循環。

即是這樣一個過程:

 太陽能充電——>積累電能——>瞬間放電——>驅動馬達——>耗盡電能——>太陽能充電……

由以上看出,本項目的機器人運動的頻率是有一個間斷性的,即週期性一陣陣的挪動,陽光亮度越大,每個週期中間的間隔時間就越小,相當於挪動得更快。

(1)常規分析

下面我們將以常規的方式,即從電子專業的角度,對電路圖的原理進行分析。

特別説明:以下的箭頭並不一定代表電流方向,只是為了説明電路執行的流程,實際電流方向總是從正極流向負極。

a)太陽能電池把太陽能轉換為電能,並給電解電容充電。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第22張


b)電解電容積蓄電能,過程中整體電路的電壓逐步上升,當達到LED二極管的導通電壓時(2V),LED二極管導通。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第23張

c)LED二極管導通後,可以給PNP三極管的基級提供足夠的電壓,促使PNP三極管導通。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第24張

d)PNP三極管導通後,反過來又給NPN三極管的基極提供足夠電壓,促使NPN三極管導通。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第25張

e)NPN三極管導通,一方面通過電阻給PNP三極管基極保持足夠的導通電壓,另一方面驅動馬達轉動。其中用電阻可以降低電流,以保護LED二極管以及PNP三極管不容易燒壞,而且也降低LED二極管的功耗(畢竟這裏LED二極管的主要作用不是用來發光的),讓更多的電能都用在驅動馬達上。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第26張

f)馬達啟動後,會迅速消耗電解電容中存儲的電能,整體電路的電壓下降,直到無足夠電壓保持二極管的導通,則二極管截止。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第27張

g)由於NPN導通後會通過電阻分一定的電流給到PNP三極管的基極,使得即使二極管截止之後仍然有足夠的電壓在PNP三極管基極使其保持導通。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第28張

  h)當馬達轉動繼續消耗電解電容中儲存的電能,整體電路電壓進一步下降,即便NPN三極管導通後有通過電阻分給PNP三極管基極電壓,但也會因為該電壓降到低於其導通的電壓,則PNP三極管截止,同時NPN三極管也截止。  接着,太陽能電池重新給電解電容充電,電路重新開始一次上面的各個步驟,循環往復。


太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第29張

(2)類比分析

如果是原來沒有電子基礎的朋友,可能對前面常規方式的電路原理分析還是聽得一頭霧水,沒有關係,下面我們將以通俗易懂的類比方式再進行一次分析。已經瞭解的朋友可以忽略跳過繼續瀏覽後面的內容。

在之前介紹電子元件是都會類比到某一種容易明白的工具設備,其實那不僅僅是有助於瞭解電子元件,同時也是為下面用類比方式介紹電路原理做一個鋪墊。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第30張

主要的流程如下:

1)下雨天氣,“雨水收集器”收集雨水

2)收集到的雨水注入“蓄水池”

3)“蓄水池”蓄滿水後會溢出,一次性倒出

4)水流順着管道流向“閥門”和“水閘”

5)“閥門”和“水閘”關閉,水流無法繼續向前流

6)水壓升高,水流頂開“閥門”並通過“閥門”,水流到達“閘門1”的基極

7)水壓升高,“閘門1”被頂開,水流從“閘門1”的發射極流向集電極

8)“閘門1”集電極流出的水流向“閘門2”的基極

9)水壓升高,“閘門2”被頂開,水流從“閘門2”的發射極流向集電極

10)“閘門2”集電極流出的水流向“水車”,並且通過“水流減小器”流回“水閘1”的基極

11)“水車”在水流的衝擊下轉動,並消耗水流;水流經過“水流減小器”流回“水閘1”的基極

12)“水閘2”集電極流出的水經過“水流減小器”迴流到“水閘1”的基極,確保“水閘1”繼續打開,循環之下“水閘2”也能保持打開

13)“水車”轉動繼續消耗水流

14)當“水車”轉動消耗大多數水流,“水閘1”和“水閘2”無法維持打開狀態,全都關閉了

15)“水車”失去水流驅動,停止了轉動

16)準備重新收集雨水,開始下一輪循環

以下為原理分析的模擬動畫,希望能夠有助於理解。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第31張

題外話

如果瞭解過本項目電路的朋友,可能會知道該電路原型建議採用的是閃光LED二極管(也稱爆閃LED二極管),即點亮後會自動以一定頻率自動閃光的發光二極管(其之所以會閃光,其實是嵌入了一塊用於控制閃光的芯片)。之所以使用這種類型的二極管,實際上就是因為只要LED二極管瞬間導通一次就可以令整個電路觸發正常運行(之後發光二極管不需要繼續導通),而且因為只是瞬間發光,所以LED二極管消耗的電能比較小,讓剩餘的所有電能都能夠用在電路的電機運行上。  本項目這裏不使用這種閃光LED二極管,而是採用普通發光的LED二極管,主要是因為:

1)雖然説閃光LED比一般LED省電,但是一般閃光LED的導通電壓比較,通常都高於3V,如果要採用這種閃光LED二極管,則我們整體電路的太陽能電池板就不能使用3V的,而是需要更換為3V以上甚至4V的,再加上本身閃光LED二極管也比普通LED二極管價格高,這樣的話無形中增加了成本。  2)雖然理論上使用普通LED二極管的效率不如使用閃光LED二極管,但是經過我們實踐,以我們目前項目的電路元件的參數,我們的機器人還是可以運行得比較順暢的,一來是我們所採用的電機都是低能耗的,能夠在比較低的電流下正常運行;二來我們採用的太陽能電池板的電流也比較高,能夠提供較大的電流。所以即便是我們採用普通LED二極管多消耗了一些電能,但是還是不影響機器人的整體運行的。

二、準備工作

本項目需要的器材主要包括:PVC線槽、震動馬達、太陽能電池、電阻、電解電容、二極管、三極管、撥動開關、螺絲/螺帽等。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第32張

以下列出本項目主要器材,其中的採購預算,由於有些器材採購時一般是批量的,而本項目中實際使用用不了那麼多(剩下的可以留在以後的其他項目上),所以另外加了一項成本折算。

主要的器材都可以從網上購買,我列出了一些淘寶上的網址,基本上我也是通過這個渠道進行採購的,供大家參考。

名稱

規格

數量

採購預算/成本折算

來源

用途

PVC線槽

2.5CM寬度

1段

4元 / 0.5元

實體五金店

主要結構材料

震動馬達

手機用震動馬達

1個

1元

淘寶:旱碼頭…

動力

太陽能電池

1.5V

2片

2.2元

淘寶:zhiqiang588

電源

電阻

2.2K

1個

8元 / 0.03元

淘寶:jxpjihao

電子元件

電解電容

4700uf

1個

0.4元

淘寶:東莞創博…

電子元件

二極管

LED紅色發光二極管

1個

0.08元

淘寶:lc工作室

電子元件

三極管

9014、9015各1個

2個

4.5元 / 0.15元

淘寶:jxpjihao

電子元件


電路板

電路板/實驗板/萬用板/洞洞板

1塊

1.5元

淘寶:lm750811

撥動開關

小撥動開關

1個

0.36元

淘寶:jianfei180

電源開關(可以省略)

M2墊片

孔徑2mm

3個

3元 / 0.09元

淘寶:精隆五金…

M1.2*5螺絲

直徑1.2mm,長5mm

4顆

4元 / 0.16元

淘寶:精隆五金…

固定PVC材料

M2*10螺絲

直徑2mm,長10mm,平頭

1顆

2元 / 0.02元

淘寶:精隆五金…

固定PVC材料

M1.2螺母

孔徑1.2mm

4個

15元 / 0.6元

淘寶:微型螺絲…

固定PVC材料

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同時為了方便各位朋友,我也開通了PVCRobot系列機器人淘寶網店,希望能更好的為大家服務。  本項目套件的淘寶地址:

三、製作過程

以下將按照製作的順序,全程介紹本項目機器人的製作過程。

3.1、電路焊接

控制電路是本機器人的核心,這裏將會比較詳細的介紹如何進行電路焊接。電路焊接可以算是一門技術活,對於熟練的朋友來説這是小菜一碟,而且肯定很多人比我焊接得好得多,這裏我算是班門弄斧了,目的也是給入門的朋友一點指引吧。  這裏我們選用一塊樹脂實驗板(也稱萬用板/洞洞板)作為焊接電路的載體,也許有人會説“那麼簡單的電路也要電路板”——確實是對於一些熟練的朋友來説,這樣簡單的電路還不如用電子元件的引腳直接搭起來焊接。這裏之所以還選擇用電路板,一來作為入門教程來説為了找一個簡單實例,為以後焊接更復雜的電路打基礎;二來我本人的習慣還是堅持用電路板——不容易出錯。 

使用電路板焊接電路,尤其是萬用板/實驗板,可能大家會説,這個板上的孔全是一樣的,該如何排列元件呢?  這裏有一個技巧——通常情況下,在電路板上排列元件,一般最好是按照各元件在電路圖中所在的位置對應到電路板上佈局,什麼意思呢?即,比如元件A在電路圖中位於最左邊,則實際在電路板上也排在最左邊;如果元件B在電路圖中正好位於元件A的右邊,則在電路板上也把元件B佈局在元件A的右邊。這樣一來容易對照電路圖進行焊接,不容易出錯;二來多數電路圖排列是正好符合其電流或者信號的流向,按照電路圖的佈局排列實際的元件不容易產生干擾或者(信號)異常。  當然,這裏所説的一般只是針對手工焊接的電路板,如果是設計印刷電路板(PCB)來焊接電路,那涉及到更多的內容,這裏不展開討論。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第33張

對於本項目的電路圖(如上),下面我們對應各元件在圖上所在的位置進行實際電路板的佈局(外接的電源、馬達、電解電容除外,以方便焊接考慮)。

這是“電路板正面佈局圖”(無焊點的一面,黑芯藍點為焊點,藍色帶代表焊點相連):

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第34張


這是“電路板底面佈局圖”(有焊點的一面,黑芯藍點為焊點,藍色帶代表焊點相連):

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第35張


1)三極管

我們先來焊接三極管。

根據“電路板正面佈局圖”在電路板上插入兩個三極管(引腳不要留得過短,不要讓元件太過貼着電路板)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第36張
  


太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第37張

到這裏可能大家會問:“三極管有三隻引腳,應該怎樣判別各引腳呢?”這裏我給大家介紹一些方法。

三極管的符號:

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第38張

判斷三極管的引腳,最簡單的方法就是通過三極管的外形直觀判斷出其引腳。  本項目採用的三級管是9014、9015兩個型號,一般這兩個型號的外形封裝是TO92(一種封裝類型,特徵就是如下圖的外形),且引腳的排列也是相對固定的。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第39張

以上的圖示只是TO92封裝類型的三極管默認的引腳排列,從本博客的淘寶網店購買的套件也是按照這個佈局排列。

如果本項目的三極管大家是自己獲取的而不是直接從本博客的淘寶網店購買的套件,或者是説在本項目之外採用其他的三極管,則可能由於三極管的外形(封裝)不同,或者由於廠家眾多執行的標準也不一樣,所以單純從外形判斷三極管的引腳並不是百分之百準確的,這個時候我們就需要通過其他更準確的方法去測量。

附:如何準確的判別三極管的引腳?

要準確判斷三極管引腳的方法有很多(可在百度上搜索),這裏僅提一個我常用的比較簡單的方法——直接用萬用表的三級管測量功能(三極管直流放大係數hFE測量)。

我這裏以數字萬用表為例進行介紹。(關於該款數字萬用表,具體見之前的工具準備)

把數字萬用表的檔位調到“hFE”,即測量三極管的直流放大係數。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第40張

如果測量的是NPN三極管,則把三極管插到NPN三極管的插座上。通常三極管的中間引腳是基極(B),可以嘗試各種插接方式,直到顯示屏顯示出一定的數值為止(通常是幾十到幾百),這個時候三極管各引腳的電極就對應插孔所標註的電極。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第41張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第42張

如果測量的是PNP三極管,則把三極管插到PNP三極管的插座上。通常三極管的中間引腳是基極(B),可以嘗試各種插接方式,直到顯示屏顯示出一定的數值為止(通常是幾十到幾百),這個時候三極管各引腳的電極就對應插孔所標註的電極。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第43張
太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第44張

我們把三極管按照正確的引腳插好,然後就按照“電路板底面佈局圖”焊接三極管(紫色部分為連接線)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第45張

焊點之間的連接線,一般我們可以直接用元件的引腳折起來再焊上。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第46張
  為了焊接時使焊錫更容易粘住引腳和電路板的銅箔,一般需要給焊接的部位(引腳和銅箔)塗上一點助焊劑後再用烙鐵焊接。  常用的助焊劑主要有松香(用松樹樹脂提取的物質),也有專門焊錫膏(前一篇關於器材準備的文章中有説明)。值得注意的是,比起松香,焊錫膏的助焊效果更好,但是焊錫膏一般都有一定的腐蝕性,對電路板的線路有傷害(時間長會腐蝕電路),所以用量不宜過多,而且建議焊接好後最好用布或紙擦拭乾淨。  把元件的引腳按照要連接位置摺好並用剪刀剪掉多餘的長度,然後用牙籤棒蘸一點焊錫膏塗在要上焊錫的引腳和電路板銅箔上。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第47張

用烙鐵粘上焊錫對着要引腳和銅箔的結合部位進行焊接。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第48張

2)LED二極管

接下來我們要焊接LED二極管。

根據“電路板正面佈局圖”在電路板上插入LED二極管(引腳不要留得過短,不要讓元件太過貼着電路板)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第49張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第50張

這裏我們又碰到一個問題,“LED二極管的兩隻引腳是區分極性的,應該如何判別呢?”這裏我再介紹一個小技巧。

附:如何判別LED二極管的引腳?

方法1:如果是全新的LED二極管,一般其兩個引腳的長度是有區別的,通常長的那個引腳為正極,即電子符號的喇叭口一端;

方法2:LED二極管外殼是透明的,可以透過管殼直接看到裏面的電極,連接內部三角形大電極的引腳是負極,另一個連接內部小電極的引腳是正極。

我們把二極管按照正確的引腳插好,然後就按照“電路板底面佈局圖”焊接二極管(紫色部分為連接線)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第51張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第52張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第53張

3)電阻

然後我們焊接電阻。

根據“電路板正面佈局圖”在電路板上插入電阻(引腳不要留得過短,不要讓元件太過貼着電路板)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第54張

如果看得懂電阻的色環所表示的含義,細心的朋友可能會發現,上圖照片中的電阻並不是2.2K的,而是2.4K的。其實這個相差不大,只是因為我一下子找不到2.2K的電阻,就用2.4K來代替了。(關於如何通過色環判別電阻的阻值,有興趣的朋友可以自己百度一下)。

我們把電阻按照正確的引腳插好,然後就按照“電路板底面佈局圖”焊接電阻(紫色部分為連接線)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第55張

4)電解電容

最後我們焊接電解電容。

根據“電路板正面佈局圖”在電路板上插入電解電容(引腳不要留得過短,不要讓元件太過貼着電路板)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第56張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第57張


電解電容的引腳是區分正負極性的,通常其外皮上會印刷有“”減號,對應代表負極性的那隻引腳。

我們把電解電容按照正確的引腳插好,然後就按照“電路板底面佈局圖”焊接電解電容(紫色部分為連接線)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第58張


最後,就完成了所有電子元件的電路板焊接。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第59張


3.2、電路測試

焊接好電路板之後,我們需要對電路進行測試,看看電路是否能夠正常運行。

我們先把兩片太陽能電池用電線串聯起來,如下圖:左邊電池的正極接右邊電池的負極(短黑線),則左邊電池的正極就作為串聯後的正極輸出(長紅線),右邊電池的負極就作為串聯後的負極輸出(長黑線)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第60張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第61張

按照“電路板底面佈局圖”接好馬達和太陽能電池。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第62張

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第63張

特別注意,本項目的太陽能機器人一般只能在太陽下才能運行,而在普通燈光下由於亮度不足將無法正常運行。如果要在室內測試太陽能機器人,由於光線不足就需要藉助特別的燈光——可以選擇100瓦的白熾燈(在實體五金店中可以很容易買到燈泡和插座),以代替陽光。(注意:不能用一般日光燈或是節能燈,因為其亮度無法讓太陽能電池有足夠的輸出功率)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第64張
  在白熾燈下,進行電路測試。  正常效果,馬達會每隔幾秒鐘轉動幾下。調整白熾燈與太陽能電池板的距離,查看馬達在光線不同時的效果——光線越亮,馬達每兩次轉動的間隔就會越短,如果燈泡貼着太陽能電池板甚至馬達會持續轉動。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第65張

確認電路都調試好沒有問題了,我們就可以把電路板按照實際用到的範圍從整塊電路板上進行裁切。當然如果是比較熟練的朋友,可以在焊接前就按照所需的尺寸先裁切好電路板。

以下是機器人電路板最終的樣子。請注意電解電容不需要完全搭在板上,只是引腳部分連電路板上,即:靠近電解電容這一端的電路板不要預留過多,這樣電解電容可以上下活動調整,因為電解電容是作為機器人腹部,有一端是貼住地面的,可以調整其角度以改變機器人地面支撐的角度。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第66張

3.3、結構製作

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第67張
  然後再剪成如下形狀,其中一端用小電鑽(也可用錐子)打兩個小孔(直徑1mm左右,上螺絲用)。
太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第68張

方塊中間用小電鑽(也可用錐子)打兩個小孔(直徑1mm左右,上螺絲用)。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第69張

3)前腳

剪一段PVC窄方條(6.5cm*0.5cm),在兩邊離前端大概1cm處開始剪成斜邊,並在2.5cm和4cm處留好摺痕。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第70張
  把窄方條用尖嘴鉗折成如下樣式。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第71張

4)腹板

用PVC剪一個方條並折成如下形狀,作為腹板,並對照主幹前段的兩個小孔在腹板彎折處也打兩個小孔。  嘗試把電路板固定在上面,看看位置和尺寸是否合適。注意:腹板靠近電解電容這一端,與電路板對齊,允許電解電容上下調整位置。

5)待組裝的部件

把主幹、前腳、背板、腹板都對準位置,打好固定的小孔,其中:  (1)主幹前端、腹板彎折處、前腳,三處的一對小孔都是對應在一起的;  (2)主幹中部、背板,兩處的一對小孔都是對應在一起的。

  背板的兩個小孔上1.2*5mm的螺絲,並且加上墊片。

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第72張


3.4、安裝電路板

太陽能動力昆蟲機器人DIY-可愛的蚊子 第73張

2)背板

剪一塊PVC方塊(2.5cm*2cm)。

下面我們開始機器人機械結構的製作,按照機器人的不同部位進行組裝。

1)主幹

用剪刀裁一段PVC方條(6.5cm*1.5cm左右)。