基于Arduino的智能黑白棋子分拣机器人的设计与制作

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目录

1产品功能分析...........................................................................................................1

2设计方案遴选.........................................................................................................1

2.1开发板、芯片模块的选择...........................................................................1

2.2红外传感器的选择.......................................................................................2

2.3系统框图设计...............................................................................................2

3产品硬件设计...........................................................................................................3

3.1Arduinouno开发板介绍..........................................................................3

3.2按键模块设计...............................................................................................4

3.3红外传感器设计...........................................................................................5

4产品软件设计...........................................................................................................7

4.1主程序流程图...............................................................................................7

4.2产品程序清单...............................................................................................9

5产品调试及使用说明...............................................................................................9

5.1产品调试.......................................................................................................9

5.2产品使用说明.............................................................................................11

6产品设计技术标准.................................................................................................12

参考资料.....................................................................................................................13

附录1元器件清单............................................................................................14

附录2电路原理图............................................................................................15

附录3PCB设计图.............................................................................................16

附录4产品实物图............................................................................................17

附录5产品装配图............................................................................................17

附录6程序代码................................................................................................18

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基于Arduino的智能黑白棋子分拣机器人

的设计与制作

1产品功能分析

因为现在越来越多的人开始玩黑白五子棋但有些人就比较懒，不想自己分

拣棋子，就用智能机器人来分拣棋子。黑白棋子智能机器人的设计分为棋子筒、

固定支架和分拣结构几个基本组成部分。通过利用先进的红外传感器，我们可

以准确地识别出棋子的黑白颜色，并利用舵机驱动推杆将其精确地抛向指定的

位置，而且，考虑到重力的影响以及管道的特殊尺寸，我们成功地解决了这一

技术挑战，让棋子一个接一个地掉落。如果发现没有任何棋子，只剩下一个黑

色的，那么挡板就会朝着相反的方向移动；反之，如果发现存在任何白色的棋

子，那么挡板就会朝着相反的方向移动，以此来完成对黑白棋子的识别。

2设计方案遴选

2.1开发板、芯片模块的选择

方案一：采用Arduinouno技术的解决方案，它具有多种多样的传感器，

可以实时监测周围的环境，并且还具备调节灯光、电机等设备的功能，从而对

周围的空气状况产生实时的监测。此外，该技术还支持将Arduino的编程代码

转换为二进制格式，并将其存储在微控制器中。利用Arduino技术，我们能够

使用特定的编程语言和相应的开发环境，创建一个专门针对Arduino的项目。

这个项目不仅仅局限于Arduino，还能够与一些PC端的应用程序相互交互，

从而达到更好的效果。

方案二：STC89C52芯片被认为是一种极其优秀的CMOS8位微控制器，

它不仅节省了大量的电源，而且还配备了8K的可编程flash存储器，它的结构

简洁，操作简便，而且8位CPU的加持，更加强了它的稳定性，从而给许多

嵌入式控制应用带来了极大的便利。

结合实际情况，本方案选择方案一。

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2.2红外传感器的选择

方案一：采用主动式红外传感器技术，将两个相互对称的传感器结合，形

成一个完整的对射系统，其中包括四种主要的传感器：单光束、双光束、三光

束、四光束。根据传感器的布局，这些传感器的布局形态有对称的、有背对的、

有侧面的等。当一个设备的反射性较强时，它可以通过接收反射镜或其他物体

所产生的红外线，并将其转换成可用的电子信息。然而，如果这种设备的反射

性较弱，可能无法将这种电子信息传递给其他设备，从而影响其正常工作。

方案二：被动红外传感器仅检测红外辐射，而不会从LED发出辐射。无源

红外传感器由两条热释电材料构成，其中一条用于传输红外信号，另一条用于

接收其他波长的光，并通过菲涅耳透镜将多个角度的光聚集到一个点上，最后，

外壳单元用于保护传感器免受外界环境变量（如湿度）的影响。

结合实际情况，本方案选择方案一。

2.3系统框图设计

产品设计框图如下：

电源电路

A/D转换

红外传感器

舵机1

Arduino单片

机处理单元

按键设置

舵机2

RGB颜色表示

WS2812模块

黑白棋子

图1系统框图

3产品硬件设计

3.1Arduinouno开发板介绍

3.1.1概述

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Arduino是一个基于易用硬件和软件的原型平台。它由可编程的电路板

（称为微控制器）和称为ArduinoIDE（集成开发环境）的现成软件组成，用

于将计算机代码写入并上传到物理板。

3.1.2特点

Arduino板卡具有强大的处理能力，它可以从多种传感器中获得模拟和数

据，然后将这些信息转化成各种形式的输出，比如唤醒电机、/启动LED灯、

与云端相联系。此外，您还可以使用ArduinoIDE（简称上传软件），对板块的

微控制进行调整，从而实现多种功能。Arduino拥有一系列独特的优势，它们

无须任何特殊的硬件就能够轻松地在USB上安装和运行，而且它们的Arduino

IDE也采用了C++的简单版，这大大降低了软件开发者的复杂度，也大大提高

了研发工作效率。Arduino为微控制器带来一种全新的设计，它以一种简单、

高效的方式实现，极大改善了其AP的性能。

3.1.3Arduinouno实物照片

图2Arduinouno实物照片

3.2按键模块设计

3.2.1按键输入原理

每个键盘上的按键都有一个开关电路，它可以控制按键的开启和关闭，而

这些开关电路可以通过接口电路与单片机进行连接，从而实现对键盘的控制。

3

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单片机可以通过查询和中断来ACK是否存在输入，并确定哪些键需要按下，

然后将这些信息转换成相应的功能程序，最终将程序恢复到最初的状态。

3.2.2按键模块原理图

图3按键模块原理图

3.2.3按键实物图

图4按键实物图

3.3红外传感器设计

3.3.1概述

通过使用红外线传感器，我们能够对大量的信息进行快速、准确的分析，

并且这种传感器具备良好的精确性和操作性，能够帮助我们调节和操纵设备。

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3.3.2红外传感器模块原理图

图5红外传感器模块原理图

3.3.3红外传感器实物图

图6红外传感器实物图

3.4舵机设计

3.4.1阐述及其工作原理

“舵机伺服电机”一般指的是一种具备输入和输出功能的微型设备。在接

收或反馈控制信息后，这些设备能够将其调节至所需的位置。如果没有外部干

扰，这些设备将能够维护其原始的姿态和方向。当外部环境的改动时，舵机的

输入和输出轴的位置都将随之改动。在航空、交通运输、工业生产、医学、军

队、教学、文娱、安全、环保、安全等多个方面都有广泛的使用。

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3.4.2舵机原理图

图7舵机原理图

3.4.3舵机实物照片

图8舵机实物照片

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4产品软件设计

4.1主程序流程图

图9主程序流程图

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4.2产品程序清单

图10产品程序清单

5产品调试及使用说明

5.1产品调试

第一步如下图：接通电源

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图11产品调试图（1）

第二步如下图：按下按键，电源带动左舵机把棋子推向右侧，然后红外传感器

通过检测颜色带动右舵机把黑白棋推向不同的一侧

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图12产品调试图（12）

5.2产品使用说明

（1）在使用杜邦线之前，应该确保它已经被正确地连接，并且已经被接通电

源。然后，通过红外传感器来识别棋子的颜色，并且执行相应的程序来对黑白

棋子进行分类。按下按键，通过ad转换把信号传递给单片机，当检测到黑白

棋时,传感器控制舵机做出指令，从而实现分拣。

（2）不使用产品时收好产品，轻拿轻放，确保产品不要损坏。

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6产品设计技术标准

[1]J-STD-001E电气与电子组件的焊接要求

[2]IPC-A-610D(中文版)，IPC-A-610E电子组件的可接受性要求

[3]IPC-7711/21电子组件和电路板的返工&返修

[4]GB/T11457-2006信息技术软件工程术语；

[5]GB/T8566-2007信息技术软件生存周期过程标准；

[6]GB/T8567-2006计算机软件文档编制规范

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参考资料

[1]王鲁云.模拟电路原理设计及应用.北京:清华大学出版社，2017

[2]张金.Arduino程序设计与实践.北京:电子工业出版社,2018

[3]周元哲.软件测试.北京:清华大学出版社,2013.[4]李朝青单片机原理及应用.北京:北京航空航天

大学出版社.2013.

[5]郑人杰.计算机软件测试技术.北京:清华大学出版社,1992.

[6]李秀忠.单片机原理及应用.华南理工大学出版社.2009.

[6]宋万年.电子系统设计.北京:复旦大学出版社,2004.9.

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附录1元器件清单

胡伟平《基于Arduino的智能黑白棋子分拣机器人的设计与制

作》元器件清单

序数

名称代号型号规格合计

号量

1Arduino板子Arduino1

2数据线1

3Arduino扩展板Arduinouno1

4按键K1KEY11

5寻迹模块红外传感器1

6舵机SG902

7杜邦线20cm母对母15

8整体结构件1

9塑料管1

10M3*10铜柱6

11M3*20铜柱1

12M3*6螺丝29

13M3*10螺丝4

14黑棋15

15白棋15

16胶水5021

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附录2电路原理图

图2

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附录3PCB设计图

图3

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附录4产品实物图

图4

附录5产品装配图

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图5

附录6程序代码

#include<Servo.h>

#defineSERVO1_INIT_ANGLE90//舵机1初始角度

#defineSERVO2_INIT_ANGLE0//舵机2初始角度

#defineSERVO1_MIN_ANGLE30//舵机1最小角度

#defineSERVO2_MAX_ANGLE130//舵机2最大角度

#defineSERVO2_MIN_ANGLE30//舵机2最小角度

#defineSERVO_SPEED4//舵机速度

Servoservo1;

Servoservo2;

intbutton_pin=2;//按键

intir_pin=4;//红外传感器

intbutton_flag;

voidsetup()

{

servo1.attach(8);

servo1.write(SERVO1_INIT_ANGLE);

servo2.attach(9);

servo2.write(SERVO2_INIT_ANGLE);

pinMode(button_pin,INPUT);

pinMode(ir_pin,INPUT);

attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(button_pin),key,CHANGE);

Serial.begin(9600);

}

voidloop()

{

if(button_flag==0)

{

servo1.write(SERVO1_INIT_ANGLE);

servo2.write(SERVO2_INIT_ANGLE);

}

else

{

color_check();

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}

}

voidservo1run()