當前位置:米奇創意網>生活小發明>電子DIY>

曬太陽的蚊子·太陽能動力機器人手工電子DIY教程

電子DIY 閲讀(3.15W)

曬太陽的蚊子·太陽能動力機器人

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,我們將進行第二個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。

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。

 

 

1   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。

1.1   驅動原理

本項目機器人的動力依靠的是震動波,即用震動器帶動整個機器人身體發生震動,在機器人的重量較輕,且支撐不是很平穩的時候,機器人就會發生位置的移動。

這裏所謂震動器,其實就是我們手機中實現震機的震動馬達,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。

 

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。

 

1.2   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。

 

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。

 

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。

 

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。

 

1.3   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。

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。

 

1.3.1   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。

 

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。

 

1.3.2   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。

 

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。

 

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)。

 

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。

 

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)。

 

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)。

 

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。

另外,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。

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)

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。

 

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。

 

(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:

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”。

 

本項目採用兩片1.5V/50mA的太陽能電池板串聯在一起使用。

 

1.3.3   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。

a)太陽能電池把太陽能轉換為電能,並給電解電容充電。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

 

(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。

 

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。

 

2   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。

 

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:旱碼頭快樂e購 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 電子元件 二極管 LED紅色放光二極管 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) 墊片 M2 3個 3元 / 0.09元 淘寶:精隆五金製品有限公司   M1.2*5螺絲 1.2mm直徑,長5mm 4顆 4元 / 0.16元 淘寶:精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 M2*10螺絲 2mm直徑,長10mm,平頭 1顆 2元 / 0.02元 淘寶:精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 M1.2螺母 1.2mm內徑 4個 15元 / 0.6元 淘寶:微型螺絲小王 固定PVC材料 M2螺母 2mm內徑 4顆 2元 / 0.02元 淘寶:精隆五金製品有限公司 固定PVC材料 合計     48.04元 / 7.11元     

3   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。

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):

 

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):

 

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)。

 

 

 

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個方法。

 

附:如何判別三極管的引腳

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。

 

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。

 

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。

 

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)。

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。

 

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。

 

用烙鐵粘上焊錫對着要引腳和銅箔的結合部位進行焊接。

 

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)。

 

 

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)。

 

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)。

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)。

 

 

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)。

 

 

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)。

 

 

最後,就完成了所有電子元件的電路板焊接。

 

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)。

 

按照“電路板底面佈局圖”接好馬達和太陽能電池。

 

 

如果在室內測試太陽能機器人,而由於光線不足就需要藉助燈光。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)。

 

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。

 

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。

 

3.3   結構製作

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。

3.3.1   主幹

用剪刀裁一段PVC方條(6.5cm*1.5cm左右)。

 

然後再剪成如下形狀,其中一端用小電鑽打兩個小孔(直徑1mm左右,上螺絲用)。

 

3.3.2   背板

剪一塊PVC方塊(2.5cm*2cm)。

 

方塊中間用小電鑽打兩個小孔(直徑1mm左右,上螺絲用)。

 

3.3.3   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。

 

把窄方條用尖嘴鉗折成如下樣式。

 

3.3.4   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。

 

3.3.5   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。

 

3.4   安裝電路板

下面是把電路板安裝起來。

用2*10mm的螺絲穿過腹板底部的小孔,並通過電路板上的孔穿出。即,把原電路板上如下圖位置的小孔用錐子擴大到2mm。

 

把電子元件都稍微往邊上靠一下扭一下,儘可能貼向電路板(上面曾經要求電子元件的引腳不要太短,就是為了方便這裏),使電子元件的所佔的空間高度不至於太大。

 

把主幹前端和腹板彎折處的小孔對齊並上好1.2*5mm螺絲。

 

這裏順帶提一下:從近距離特寫的照片我們可以看到PVC材料的邊界是有類似鋸齒的效果,這是因為我用來剪PVC的剪刀本身刀刃上就是帶一點鋸齒的,剪出來後看起來效果也不錯,所以也沒有再打磨光滑了。

把從腹板底部穿出的螺絲頂住主幹,把螺絲對着主幹的位置用筆做好標記。

 

在主幹上作了標記的位置用小電鑽打好孔。

 

找一個簽字筆的筆芯(塑料管)。

 

用刻刀或者裁紙刀截取大概0.5mm長度的一小段。

 

把2*10mm的螺絲從主幹穿下,然後墊上的筆芯塑料管,再穿過電路板。 這裏的筆芯塑料管,也可以用幾片塑料小墊片代替(注意:不要用金屬墊片,以免把電子元件的引腳給短路了)。

 

3.5   震動馬達

下面是安裝震動馬達。

要把震動馬達安裝在腹板上。

 

先把震動馬達的引腳焊上電線。

 

用透明膠布把震動馬達如下圖所示固定在腹板下面。

在前面基本原理章節關於機械機構的內容也提到震動馬達不同的佈局會有不同的效果,大家也可以自行選擇調整。

 

3.6   太陽能電池

下面是安裝太陽能電池板。

 

前面章節對電路測試時已經用電線把兩片太陽能電池接好了(細心的朋友可能發現中間的連接線被我從黑線換成了白線,僅是為了便於區別而已)。

 

把主幹、前腳、背板各連接的螺絲(1.2*5mm)都上好。在背板上兩棵螺絲左右兩邊都貼上雙面膠布 (如下圖所示)。

 

把太陽能電池板直接通過刷面膠布貼在背板上。注意太陽能電池板正好是背面沒有焊點的兩個區域(即上一張圖片中太陽能電池板背面印有字母和數字但是沒有銅箔線路的部分)直接貼雙面膠布。

 

為了便於給雙面膠布的接合面加壓,可以先把背板從主幹上拆下,稍微用力把太陽能電池板壓在背板上。

 

再把背板通過螺絲固定到主幹上。

 

3.7   電源開關

太陽能動力機器人由於是用太陽能作為能源的,可以不用加電源開關(有太陽就會動,沒有太陽就不會動),當然要加開關也是可以的。

這裏我們將採用502膠水粘貼電源開關,為保證粘貼牢固,應該把粘貼的接合面打磨粗糙一點,即我們用銼刀把撥動開關以及主幹尾部的表面稍微進行了打磨。

 

在接合面塗上502膠水後,迅速把開關和主幹貼在一起,然後稍微用力加壓。這裏要注意:502膠水不要塗得太多,一點就行,因為502膠水的滲透性非常好,放太多膠水會滲進開關裏面把開關粘住。

 

3.8   整機組裝

下面進行整機的組裝。

安裝電路板,震動馬達和電源線已經接好。

 

電路板與腹板之間可以加一個塑料墊片。

 

把腹板安裝好,同時把電源開關的電線也連接好。

 

安裝前腳。

 

整機組裝完畢。

 

3.9   整機效果

整機組裝好的效果。

這是在視頻中進行燈光測試的設計版本,即這個設計還是沒有後腿,這個時候可以説還不是很象“蚊子”。

 

 

 

 

 

3.10   結構完善

在前面基本原理的機械結構的章節也已經提到,上面的版本是用前腳和尾部的電解電容作支撐,整體重心較穩,震動時移動效果不佳,這個從視頻中的燈光下的第一個測試中也可以看出。而視頻中燈光下的第二個測試就是試驗改變支撐方式的一個嘗試,也就有了後來的新的結構設計——加上後腿。

裁一段PVC做成長腿(長度大約為3.5mm),兩端是尖的,折成如下的形狀。

 

腹部2*10mm的螺絲上,把後腿也一併固定起來。

 

自此,“蚊子”的樣貌就清晰起來了。

 

3.11   最終展示

最終效果的展示。

 

 

 

4   項目總結

本項目是一個以簡單電子元件電路為控制基礎的智能機器人。對於剛入門的朋友,可以通過這個項目:

1、瞭解基本的電子製作知識;

2、嘗試性的去了解和分析電子電路的原理;

3、實際動手去焊接自己的電子電路,掌握一定的電路焊接技巧。

不過由於電子領域是一項比較高深的學問,本項目也只是從一個特殊的角度切入進行簡單的介紹,只能起到一個拋磚引玉的作用。當然,大家也不用擔心,DIY機器人也不是説一定需要非常深厚的電子功底,但是也不能説可以完全沒有電子基礎,所以如果能夠動手實踐一下,相信會對今後繼續深入學習其他的機器人DIY技能有較大的幫助。