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TOP1 危險(xiǎn)品處理機(jī)器人控制電路設(shè)計(jì)
本文首先簡(jiǎn)要介紹了危險(xiǎn)品危險(xiǎn)品處理機(jī)器人的作用，機(jī)械手的結(jié)構(gòu)形式，著重從控制系統(tǒng)與硬件設(shè)計(jì)介紹了危險(xiǎn)品處理機(jī)器人機(jī)械手控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。最后給出了測(cè)得的機(jī)械手的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)。危險(xiǎn)品處理機(jī)器人是用于危險(xiǎn)彈藥夾持、拔出、搬運(yùn)和放置作業(yè)，并可攜帶和放置的裝置。該項(xiàng)目的完成將解決長(zhǎng)期困擾我軍的事故炮彈、戰(zhàn)爭(zhēng)遺留彈等危險(xiǎn)彈藥安全處理問(wèn)題。機(jī)械手是危險(xiǎn)品處理機(jī)器人操作過(guò)程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用于執(zhí)行對(duì)危險(xiǎn)彈藥的夾持、拆除、搬運(yùn)和放置作業(yè)， 機(jī)械手工作的穩(wěn)定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機(jī)械手的設(shè)計(jì)至關(guān)重要。
PWM 管腳：DSP 的每個(gè)事件管理器都有與比較單元相關(guān)的PWM 電路，能夠產(chǎn)生六路帶可編程死區(qū)和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對(duì)輸出的，對(duì)于本控制器需要的獨(dú)立的輸出，每個(gè)事件管理器只有3 路，一個(gè)DSP 有兩個(gè)事件管理器，可以獨(dú)立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅(qū)動(dòng)電業(yè)比例閥，而伺服電機(jī)控制器需要4 路0-5V 的加速器信號(hào)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，在設(shè)計(jì)電路時(shí)將這兩種電路設(shè)計(jì)在一起，并制成印刷電路板，焊板時(shí)按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，芯片用LM393 做比較器，此時(shí)電阻R19 和電容C71 不焊即可，但要有R21 上拉電阻，R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓芯片用LM2904 做運(yùn)放用，焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源，也不用焊R17，直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見(jiàn)圖1：
圖1 PWM/電壓輸出電路
IO 口：DSP 的數(shù)字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復(fù)用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號(hào)，根據(jù)其功能將其設(shè)計(jì)成開(kāi)關(guān)量輸出，輸入，并用其控制繼電器，作為控的開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)量輸入只要用電阻分壓即可，開(kāi)關(guān)量輸出使用光耦隔離，本設(shè)計(jì)用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當(dāng)DSP 輸出高電平時(shí)繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導(dǎo)通繼電器電路圖見(jiàn)圖2：
圖2 繼電器電路圖
QEP 電路：DSP 的每個(gè)時(shí)間管理器都有一個(gè)正交編碼器脈沖（QEP）電路。當(dāng)QEP電路被使能時(shí)可以對(duì)CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對(duì)于EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈沖進(jìn)行解碼和計(jì)數(shù)。正交編碼脈沖電路可用于連接光電編碼器以獲得旋轉(zhuǎn)機(jī)械的位置和速率。伺服電機(jī)控制器需要使用QEP 電路，由于一個(gè)伺服電機(jī)控制器需要控制4 臺(tái)伺服電機(jī)，所以碼盤(pán)信號(hào)使用74153 芯片選擇輸入，同時(shí)碼盤(pán)的每路信號(hào)都有正負(fù)兩根線通過(guò)運(yùn)放放大后再到74153 選擇后輸入DSP，碼盤(pán)選擇電路見(jiàn)圖3：
圖3 碼盤(pán)選擇電路
其中W/R/IOPC0 為使能信號(hào)，XINT1/IOPA2 和XINT2/ADCSOC/IOPDO 構(gòu)成選擇信號(hào)，74153 通過(guò)選擇信號(hào)的選擇碼選擇一對(duì)信號(hào)從7 腳和9 腳輸出給DSP。其他硬件電路設(shè)計(jì)包括電源、串口、CAN 總線和DSP 外圍接線等都是典型的設(shè)計(jì)。整個(gè)機(jī)器人車(chē)設(shè)計(jì)經(jīng)過(guò)安裝調(diào)試，機(jī)械手完全符合設(shè)計(jì)要求，達(dá)到如下技術(shù)指標(biāo)：最大作業(yè)幅度約2.5m；最大作業(yè)深度：地下1m；最大作業(yè)幅度下夾持提升力≤80kg；最大夾持彈藥直徑160mm；目前國(guó)內(nèi)還沒(méi)有這種專業(yè)的處理危險(xiǎn)品的機(jī)器人批量生產(chǎn)，本產(chǎn)品的成功完成為將來(lái)的批量生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，市場(chǎng)潛力巨大。
接力競(jìng)賽機(jī)器人系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
接力機(jī)器人機(jī)械部分采用遙控汽車(chē)，造型時(shí)尚，色彩華麗，車(chē)上裝配的火炬有“2008奧運(yùn)”標(biāo)志，內(nèi)部七彩電子火焰舞動(dòng)閃爍，令人賞心悅目。比賽開(kāi)始，人工啟動(dòng)第一輛機(jī)器人小車(chē)，車(chē)上火炬同時(shí)點(diǎn)亮，當(dāng)遇到下一輛機(jī)器人小車(chē)時(shí)，下一輛機(jī)器人小車(chē)火炬自動(dòng)點(diǎn)亮并啟動(dòng)前進(jìn)。為了渲染效果，在終點(diǎn)，還設(shè)計(jì)了艷麗鮮花構(gòu)成的凱旋門(mén)，當(dāng)機(jī)器人小車(chē)勝利到達(dá)終點(diǎn)凱旋門(mén)時(shí)，電路自動(dòng)觸發(fā)燃放焰火，聲光相伴，具有很強(qiáng)的視覺(jué)沖擊力
電路原理：一片電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L293D、一個(gè)紅外光電開(kāi)關(guān)TCRT5000和一個(gè)電阻R2四樣?xùn)|西就構(gòu)成了具有循跡功能的最簡(jiǎn)約的機(jī)器人。TCRT5000由一對(duì)相 “互隔開(kāi)的紅外發(fā)射和接收二極管構(gòu)成，TCRT5000朝下安裝在機(jī)器人小車(chē)底盤(pán)上。其中的發(fā)射二極管向地面發(fā)射紅外線，接收二極管接收從地面反射的紅外線。機(jī)器人使用了ATMAGE8單片機(jī)內(nèi)部集成的模數(shù)轉(zhuǎn)換功能，不同顏色的地面反射紅外線的情況不同，因而接收二極管接收到的紅外線信號(hào)強(qiáng)度也就不同，通過(guò)ATMAGE8單片機(jī)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。
不同的紅外線信號(hào)強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成不同的數(shù)值。據(jù)此就能識(shí)別地面的線跡，程序再通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L293D控制車(chē)輪運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循跡。干簧管GHG是用來(lái)實(shí)現(xiàn)接力的，每輛車(chē)前端裝磁鐵，尾端裝干簧管，后車(chē)靠近前車(chē)時(shí)，后車(chē)前端的磁鐵作用于前車(chē)后端的干簧管，就傳遞了接力信號(hào)。紅外發(fā)射二極管D3和紅外接收二極管D4是用來(lái)配合機(jī)器人在完成接力后實(shí)現(xiàn)停車(chē)功能的。每輛車(chē)前端安裝紅外接收二極管D4，尾端安裝紅外發(fā)射二極管D3。當(dāng)磁鐵作用于干簧管，傳遞了接力信號(hào)后，前車(chē)通過(guò)后端的紅外發(fā)射二極管D3發(fā)射紅外線，后車(chē)通過(guò)前端的紅外接收二極管D4接收到紅外線后就停止前進(jìn)。
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TOP2 循線機(jī)器人小車(chē)系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)
首先循線機(jī)器人小車(chē)可以通過(guò)捕獲紅外傳感器獲取的信號(hào)來(lái)引導(dǎo)小車(chē)沿著地面上的線條前進(jìn)。從紅外傳感器獲取的信息經(jīng)過(guò)信號(hào)放大，送入51單片機(jī)，單片機(jī)依據(jù)邏輯判斷決定小車(chē)左右兩側(cè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。單片機(jī)通過(guò)PWM技術(shù)來(lái)調(diào)控左右兩側(cè)直流減速電機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)左右兩側(cè)轉(zhuǎn)速相同時(shí)，小車(chē)進(jìn)行直線行駛；當(dāng)左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速大于右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，小車(chē)進(jìn)行右轉(zhuǎn)彎，反之小車(chē)進(jìn)行左轉(zhuǎn)彎。小車(chē)采用雙電源供電，即控制部分采用5V直流電供電，而電機(jī)部分采用12V直流電供電。因?yàn)榭紤]到電機(jī)功率不是很大，因此沒(méi)有采用光電隔離處理。
小車(chē)5V電源部分電路設(shè)計(jì)原理圖如下：
在設(shè)計(jì)中我原規(guī)劃使小車(chē)即可以通過(guò)USB供電，又可以通過(guò)充電電池組供電，具體選擇哪種供電方式通過(guò)S1開(kāi)關(guān)進(jìn)行切換。由于USB供電電源是標(biāo)準(zhǔn)的5V 直流電源，因此就省去了穩(wěn)壓電路。而在通過(guò)電池組供電的電路中，當(dāng)S2開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電池組提供的電壓經(jīng)過(guò)U2的穩(wěn)壓再介入系統(tǒng)當(dāng)中。U2我才有的是 LM2940CT-5.0，它可以將輸出電壓穩(wěn)定在5V輸出，輸出電流最大可以達(dá)到1.25A。在電路中加入D9的發(fā)光二極管用于指示是否通電，在D9前串入一個(gè)1K歐的電阻R1用于限流。
小車(chē)12V直流電源供電部分電路設(shè)計(jì)原理圖：
這部分電路設(shè)計(jì)同5V電源部分，只是U5部分換成了LM2940CT-12的芯片，此芯片輸出電壓為12V。
下面介紹一下小車(chē)動(dòng)力部分的電路設(shè)計(jì)原理圖：
小車(chē)采用4輪驅(qū)動(dòng)，左右各2個(gè)12V直流減速電機(jī)，通過(guò)L298N來(lái)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。L298N的輸入分別接STC89C52RC單片機(jī)的P1.4、 P1.5、 P1.6、P1.7口。當(dāng)P1.4、P1.5同時(shí)為高電平或者低電平時(shí)電機(jī)B1、B3停轉(zhuǎn)，即小車(chē)左側(cè)車(chē)輪停轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.4輸出高電平，P1.5輸出低電平時(shí)，B1、B3正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.4輸出低電平，P1.5輸出高電平時(shí)，B1、B3反轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6、P1.7同時(shí)為高電平或者低電平時(shí)電機(jī)B2、B4停轉(zhuǎn)，即小車(chē)右側(cè)車(chē)輪停轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6輸出高電平，P1.7輸出低電平時(shí)，B2、B4正轉(zhuǎn)；當(dāng)P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時(shí)，B2、B4反轉(zhuǎn)；各電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制通過(guò)PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)。
小車(chē)的循線部分電路原理圖：
小車(chē)采用紅外發(fā)射對(duì)管RPR-220來(lái)探測(cè)地面線條，RPR-220采集到的信號(hào)送LM393進(jìn)行放大，然后送入單片機(jī)STC89C52RC的P1.2和P1.3口。原理圖中R13、R14是用于調(diào)諧紅外發(fā)射對(duì)管采集信號(hào)的靈敏度的。
最后是小車(chē)大腦部分的電路原理圖：
圖中繪制了STC89C52RC的復(fù)位電路和晶振部分電路
循線機(jī)器人小車(chē)比較簡(jiǎn)單，不比雙足機(jī)器人有眾多活動(dòng)部件的控制和設(shè)計(jì)，循線小車(chē)活動(dòng)部件就只是驅(qū)動(dòng)小車(chē)的車(chē)輪，控制左右車(chē)輪的轉(zhuǎn)速來(lái)控制小車(chē)前進(jìn)方向是直行，還是左轉(zhuǎn)彎，或者右轉(zhuǎn)彎，因此可以看出整個(gè)控制系統(tǒng)簡(jiǎn)單。通過(guò)簡(jiǎn)單的循線機(jī)器人小車(chē)的設(shè)計(jì)，掌握對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)、傳感器信號(hào)采集、電源供應(yīng)、焊接技術(shù)、設(shè)備采購(gòu)、系統(tǒng)總體規(guī)劃等部分有個(gè)感性的認(rèn)識(shí)，因?yàn)檫@些部分是將來(lái)所有機(jī)器人設(shè)計(jì)中不可回避的基本部分。
TOP3 智能滅火機(jī)器人硬件電路的設(shè)計(jì)
為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人高速精確地按照規(guī)定路徑行走，要求機(jī)器人的CPU能夠?qū)崟r(shí)迅速地讀取多個(gè)傳感器端口數(shù)值，并在較短的時(shí)間內(nèi)完成對(duì)各端口數(shù)值的存儲(chǔ)、運(yùn)算和輸出等多種任務(wù)。由于嵌入式微處理器對(duì)實(shí)時(shí)任務(wù)具有很強(qiáng)的支持能力，能夠完成多任務(wù)并且具有較短的中斷響應(yīng)，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內(nèi)部采用哈佛結(jié)構(gòu)，每秒可執(zhí)行一億一千萬(wàn)條機(jī)器指令。本設(shè)計(jì)還設(shè)置了 4路PWM控制信號(hào)輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)4路大功率直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)速的精確調(diào)節(jié)；此外，還設(shè)置了7路Do數(shù)字輸出端口，用以驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)、蜂鳴器、繼電器、發(fā)光二極管等。為了給龐大和復(fù)雜的程序提供更多的執(zhí)行空間，本設(shè)計(jì)附加設(shè)置了100 KB的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）和512 KB的程序存儲(chǔ)器（Flash ROM），用以存儲(chǔ)更多的數(shù)據(jù)和命令。
電源是保證機(jī)器人穩(wěn)定、可靠運(yùn)行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機(jī)器人性能的好壞。由于本機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制器采用兩種不同等級(jí)電壓的電源，為避免2個(gè)電源相互干擾，本機(jī)器人采用雙電源供電系統(tǒng)：電機(jī)電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測(cè)，電路圖如圖2所示。
為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級(jí)的電壓，本設(shè)計(jì)采用 1個(gè)LM317T三端穩(wěn)壓器和2個(gè)AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過(guò)其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個(gè)發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開(kāi)關(guān)的狀態(tài)；為實(shí)時(shí)采樣電源電壓，防止鋰電池過(guò)放或過(guò)充，設(shè)計(jì)中通過(guò)R1、 R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由于電機(jī)功率較大，并要求能實(shí)現(xiàn)雙向、可調(diào)速運(yùn)行，本文設(shè)計(jì)了半橋式電力MOSFET管，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)電機(jī)的控制。如圖3所示，2路PWM信號(hào)通過(guò) IR2104半橋驅(qū)動(dòng)器（half-bridge driver）和相應(yīng)保護(hù)電路連接至型號(hào)為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動(dòng)機(jī)連接線路的通與斷，達(dá)到控制電機(jī)速度的目的。當(dāng)PWM信號(hào)占空比較大時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間長(zhǎng)，電機(jī)速度大；相反，當(dāng)PWM 占空比較小時(shí)，線路導(dǎo)通時(shí)間短，電機(jī)速度小。4個(gè)MOSFET管在不同時(shí)刻導(dǎo)通組合，實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)方向：當(dāng)MSFET管1和4導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口1為正、2為負(fù)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；當(dāng)MOSFET管2和3導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)端口2為正、1為負(fù)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。
遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M電路設(shè)計(jì)
為能完成滅火任務(wù)，機(jī)器人必須能確定火焰的大致位置，并能對(duì)火焰是否被撲滅做出判斷。本文設(shè)計(jì)了由28個(gè)紅外接收管組成的2個(gè)遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個(gè)方位各有14個(gè)紅外接收管組成，每2個(gè)并聯(lián)并指相同一個(gè)方向，2個(gè)傳感器組共指向14個(gè)方向，可以覆蓋360°范圍。如圖所示，14個(gè)端口通過(guò) CD4051八路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機(jī)，其中 SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設(shè)計(jì)還可以通過(guò)對(duì)14路讀取數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，從而確定其最大最小值及相應(yīng)端口值，方便火源方位的確定。
通過(guò)對(duì)遠(yuǎn)紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機(jī)器人和火源的相對(duì)位置，以判斷前進(jìn)方向，完成趨光動(dòng)作。當(dāng)機(jī)器人與火源相對(duì)位置如圖5（b）所示時(shí)，可以讀取端口2和端口4的值，并進(jìn)行作差，端口2的值大于端口4（說(shuō)明2更靠近火源），則執(zhí)行左拐命令，使其差值在一定范圍內(nèi)，然后執(zhí)行直行命令趨近火源。
TOP4 配套Lego組合機(jī)器人的超聲波防撞電路設(shè)計(jì)
地面灰度傳感器電路設(shè)計(jì)
如圖所示，地面灰度傳感器通過(guò)發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當(dāng)?shù)孛骖伾珵楹谏珪r(shí)，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應(yīng)較小，1端口電壓值較高，其測(cè)量值較大；反之當(dāng)?shù)孛鏋榘咨珪r(shí)，反射的光線較強(qiáng)，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測(cè)量值也較小。
本文研究并設(shè)計(jì)了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的一種智能滅火機(jī)器人，具有以下5個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：（1）采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機(jī)器人處理信號(hào)的能力；（2） 雙電源供電系統(tǒng)引入，使機(jī)器人的運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠；（3） 采用PWM信號(hào)控制大功率直流電機(jī)，在速度和精度方面有了很大的改進(jìn)；（4）通過(guò)合理選擇PSD測(cè)距傳感器的個(gè)數(shù)和安放位置，既滿足比賽要求，又能節(jié)約成本；（5）本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對(duì)火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。實(shí)測(cè)證明，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人能夠很好地完成比賽任務(wù)，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。
機(jī)器人的超聲波防撞電路設(shè)計(jì)
這種探測(cè)器的依據(jù)是超聲波具有很強(qiáng)的方向性。發(fā)送的傳感器發(fā)出連續(xù)信號(hào)。在這個(gè)裝置之前約幾米的適當(dāng)物體可以把相當(dāng)強(qiáng)的信號(hào)反射回到接收傳感器。發(fā)送和接收傳感器只相隔大約50毫米，所以方向性強(qiáng)的超聲波保證從發(fā)射器到接收器之間的直接耦合波顯得微不足道。這個(gè)電路從RCX裝置獲得電源，它就和一種標(biāo)準(zhǔn)Lego探測(cè)器一樣連接到RCX裝置的一個(gè)輸入端口。并沒(méi)有特別支持采用RCX代碼或者 Mindstorms套件通常共用的其他編程語(yǔ)言的超聲波探測(cè)器。因此，可以利用軟件以標(biāo)準(zhǔn)有源探測(cè)器。例如Lego光探測(cè)器的相同基本方式操縱它。
圖中是超聲波探測(cè)器的整個(gè)電路圖。二極管列陣由D1至D6組成，而標(biāo)準(zhǔn)的橋式整流器則由D1至D4組成。這個(gè)整流器連同濾波電容C3產(chǎn)生7伏特電源。橋式整流器提供全波整流，所以電路怎樣連接RCX裝置都沒(méi)有關(guān)系。
RCX裝置內(nèi)部的上拉電阻通常使輸入端子處于高電位。D5和D6使IC1a的輸出把RCX端口輸入端拉低至0伏電壓。這個(gè)裝置怎樣連接RCX裝置也是沒(méi)有關(guān)系的。IC1a的輸出通過(guò)兩個(gè)二極管的任何一個(gè)連接端口的帶電輸入端。在輸入提供電源的時(shí)間內(nèi)，兩個(gè)二極管的其中一個(gè)就會(huì)阻斷電源，因此只有極小電流流過(guò)兩個(gè)二極管。在這些時(shí)間內(nèi)，lC1a的輸出連接電源，但R1卻阻止過(guò)量的輸出電流流入IC1a的輸出級(jí)。
IC1a是緩沖放大器，它是普通的電壓跟隨級(jí)。IC1b是直流放大器。它以同相模式操作，反饋電阻R2和R3把它的閉環(huán)電壓增益調(diào)整倒3．7。要注意，lC1采用的LM358N是用在沒(méi)有負(fù)電源的直流電路的。其他大多數(shù)運(yùn)算放大器并不能提供這里要求的很低輸出電壓，所以不建議使用代用器件。TR1放大接收傳感器Mic1的輸出。 TR1用簡(jiǎn)單的共射極放大器，它提供超過(guò)40dB的電壓增益。C2將其輸出耦合到D7和D8組成的半波整流器電路。C1和 R4組成平滑濾波電路。發(fā)射器電路只是采用標(biāo)準(zhǔn)震蕩配置的555時(shí)基電路（IC2）。RCX裝置可以從每個(gè)輸入端提供的最大電源電流是相當(dāng)有限的，所以 IC2最好采用低電源的 555。否則就會(huì)出現(xiàn)負(fù)載太大的風(fēng)險(xiǎn)以致獲得不合適的電源電壓。VR1是頻率控制器，通常調(diào)節(jié)它而使電路產(chǎn)生最佳性能。不過(guò)，如果需要降低靈敏度，可以故意使它偏離最佳頻率。
AT89S51 的編程方式可分為并行及串行模式。由于目前PC臺(tái)式及及筆記本已經(jīng)逐漸取消并口，因此并口編程器已經(jīng)逐漸被淘汰。采用USB接口的ISP編程器比較適合實(shí)驗(yàn)之用。本書(shū)所附贈(zèng)的電路就是以USB ISP串行模式來(lái)對(duì)AT89S51進(jìn)行編程的，其電路如圖所示。圖為AT89S51 USB ISP編程器電路圖：
USB編程器電路設(shè)計(jì)
CH341A是一個(gè)USB總線轉(zhuǎn)接芯片，通過(guò)USB總線提供異步串口、打印口、并口，以及常用的2線和4線等同步串行接口。CH341A采用 SOP－28無(wú)鉛封裝，具體功能由復(fù)位后的功能配置決定，同一引腳在不同功能下的定義可能不同。CH341芯片正常工作時(shí)需要外部向XI引腳提供 12MHz的時(shí)鐘信號(hào)。一般情況下，時(shí)鐘信號(hào)由CH341內(nèi)置的反相器通過(guò)晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生，外圍電路只需在XI和XO引腳之間連接一個(gè)12MHz晶體，并為XI和XO引腳對(duì)地連接振蕩電容。CH341芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當(dāng)使用5V工作電壓時(shí)，CH341芯片的VCC引腳輸入外部 5V電源，第9腳（V3引腳）應(yīng)該外接容量為4700pF或者0.01uF的電源退耦電容。CH341 第10、11腳連接到USB數(shù)據(jù)總線。第13、14腳外接12MHz晶體，為芯片提供時(shí)鐘。第16、18、20、22腳分別接300Ω的限流電阻，作為 RST、SCK、MOSI、MISO信號(hào)輸入/輸出。在使用CH341A的USB轉(zhuǎn)ISP功能時(shí)，第23腳必須接地。第28為電源5V輸入，接退耦電容，可使讓芯片工作更穩(wěn)定。
圖3.12 USB編程器電路圖
在圖3.12里，USB1為與電腦連接的USB插座。此USB插座共有4個(gè)腳，分別為+5V、D－、D+及GND。+5V及GND是本電路板的電源來(lái)源。R3為限流電阻，此電阻的取值需要根據(jù)實(shí)際情況確定。在使用此電阻時(shí)，應(yīng)保證后端的CH341A及AT89S51芯片供電電壓大于4.5V。在保證接入的元件接線正確及電路整體消耗電流小于500mA的情況下，此電阻可以不接，直接用短線連接即可。CH341A芯片通過(guò)USB接口和USB連接線完成與電腦的數(shù)據(jù)傳輸。
TOP5 基于無(wú)線通信的嵌入式機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
無(wú)線通信接口設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是：①有兩個(gè)頻道可供選擇，工作速率高達(dá)20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡(jiǎn)單，因此特別適合機(jī)器人小型化要求；④可直接接單片機(jī)串口模塊，控制簡(jiǎn)單；⑤抗干擾能力強(qiáng)；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。
超聲波測(cè)距傳感器電路設(shè)計(jì)
兩路超聲波傳感器用以控制機(jī)器人避開(kāi)障礙物，并預(yù)測(cè)機(jī)器人相對(duì)目的地距離，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時(shí)管腳相連接。整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機(jī)控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)超聲波換能器發(fā)射超聲波。
圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號(hào)通過(guò)電容C2隔除掉了信號(hào)中的直流量并給超聲波換能器 MA40S2S。其工作過(guò)程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)反向器U1C變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大，C2隔除直流信號(hào)后加在超聲波換能器MA40S2S進(jìn)行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長(zhǎng)時(shí)間加直流電壓，會(huì)使其特性明顯變差，因此一般對(duì)交流電壓進(jìn)行隔除直流處理。 U2A為 74ALS00與非門(mén)，control_port（控制端口）引腳為控制口，當(dāng)control_port為高電平時(shí)，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。
圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對(duì)換能器接收到的信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大后，通過(guò)電壓比較器LM339將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL脈沖信號(hào)。INT_Port與單片機(jī)中斷管腳相連，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)立即進(jìn)入中斷并對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理和判斷。
根據(jù)競(jìng)技機(jī)器人的功能要求進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，將各個(gè)功能進(jìn)行模塊化，其控制系統(tǒng)硬件框圖如圖所示。中央處理器采用微控制器結(jié)構(gòu)，用以控制外圍設(shè)備協(xié)調(diào)運(yùn)行。舵機(jī)控制機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向；驅(qū)動(dòng)電機(jī)電動(dòng)機(jī)采用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)車(chē)輪旋轉(zhuǎn)。電磁鐵作為機(jī)械手夾緊的執(zhí)行元件。設(shè)置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測(cè)輸入和8路開(kāi)關(guān)量檢測(cè)接口。
TOP6 機(jī)器人接觸式物體探測(cè)技術(shù)電路設(shè)計(jì)
下圖中給出使用導(dǎo)電橡膠片的比較合理的接口電路。導(dǎo)電橡膠片和一個(gè)3.3k電阻串聯(lián)在地與電源正電壓之間形成了分壓器。當(dāng)導(dǎo)電橡膠片受壓時(shí)，傳感器的輸出端的電壓就會(huì)變化。傳感器的輸出端就是壓電片和電阻之間的一點(diǎn)，此信號(hào)連接到比較器339的反向輸入端引腳上。當(dāng)壓電片的電壓超過(guò)了比較器的參考電壓時(shí)，比較器輸出狀態(tài)改變，就表示碰撞發(fā)生了。這個(gè)比較器的輸出可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè)控制馬達(dá)方向的繼電器上或者直接連接到一個(gè)微處理器或計(jì)算機(jī)端口上。
多路碰撞開(kāi)關(guān)
當(dāng)有許多開(kāi)關(guān)或者近距離探測(cè)設(shè)備布置在機(jī)器人的周?chē)鷷r(shí)會(huì)怎樣呢？不得不把每個(gè)開(kāi)關(guān)的輸出連接到電腦里，但是那樣做浪費(fèi)了很多外設(shè)端口。一個(gè)比較好的解決辦法是利用一個(gè)優(yōu)先編碼器或者多路轉(zhuǎn)換器。這兩個(gè)方案允許在一條公共控制線路上連接多個(gè)開(kāi)關(guān)。機(jī)器人的微處理器或計(jì)算機(jī)將查詢這條控制線，而不是每個(gè)開(kāi)關(guān)或近距離探測(cè)設(shè)備。
使用優(yōu)先編碼器電路設(shè)計(jì)
下圖中的電路使用了一塊74148優(yōu)先編碼器集成塊。
集成塊的輸入端就是那些開(kāi)關(guān)的輸出?！‘?dāng)一個(gè)開(kāi)關(guān)閉合，相應(yīng)的二進(jìn)制編碼就會(huì)出現(xiàn)在A-B-C輸出引腳處。對(duì)于優(yōu)先編碼器，只有開(kāi)關(guān)中最高的值才能在輸出端顯示出來(lái)。換句話說(shuō)，如果開(kāi)關(guān)4和7都閉合了，那么輸出端只能反應(yīng)引腳4閉合。
使用電阻分壓排電路設(shè)計(jì)
如果機(jī)器人的計(jì)算機(jī)或者微控制器中有模一數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）或者可以添加一個(gè)，就能以另一種技術(shù)實(shí)現(xiàn)多路開(kāi)關(guān)接口：電阻分壓排。概念十分簡(jiǎn)單，像圖18 所示。每個(gè)開(kāi)關(guān)通過(guò)一個(gè)電阻的一端接地，而+V電壓串接另一電阻到各開(kāi)關(guān)上。多個(gè)開(kāi)關(guān)則并行接入ADC的輸入端，如圖所示。這些電阻形成了一個(gè)分壓器。由于每個(gè)電阻值都不同，所以當(dāng)某一開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，對(duì)應(yīng)的電壓值都是獨(dú)一無(wú)二的。注意，由于電阻是并聯(lián)的，所以一次可能有多個(gè)開(kāi)關(guān)閉合。從而得到一個(gè)中間值。要對(duì)連接每個(gè)開(kāi)關(guān)的電阻值進(jìn)行摸索實(shí)驗(yàn)以獲得最大的靈活性。
TOP7 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的智能跟隨功能是通過(guò)紅外實(shí)現(xiàn)的，音樂(lè)機(jī)器人上的紅外接收器感知到紅外線時(shí)，會(huì)追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時(shí)，會(huì)原地旋轉(zhuǎn)重新搜索紅外發(fā)射源，直至 重新 定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個(gè)紅外發(fā)射管組成，將10 個(gè)紅外發(fā)射管均勻擺放在一個(gè)球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線，保證音樂(lè)機(jī)器人更加快速準(zhǔn)確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻 率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個(gè)普通I/O 引腳，控制紅外線的通斷，即接通4 ms，然后關(guān)斷11 ms，反復(fù)進(jìn)行接通與關(guān)斷。 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。
紅外接收裝置采用2 個(gè)紅外接收器1838，分別安裝在音樂(lè)機(jī)器人的頭部和尾部。兩個(gè)接收器的輸出引腳分別連接單片機(jī)的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對(duì)38 kHz 頻率的紅外線敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測(cè)到紅外發(fā)射源的方位，從而驅(qū)動(dòng)電機(jī)向外發(fā)射源的方向前進(jìn)。
圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路
拍手信號(hào)捕獲電路設(shè)計(jì)
電路利用麥克風(fēng)采集聲音信號(hào)，然后利用LM324 對(duì)采集來(lái)的信號(hào)進(jìn)行比例放大，放大的比例為100 倍，然后接過(guò)兩個(gè)1N5819 和一個(gè)104 獨(dú)石電容進(jìn)行包絡(luò)線檢測(cè)，最后利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。機(jī)器人的移動(dòng)采用驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)帶動(dòng)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，即控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和速度，系統(tǒng)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用SGS 公司的L298N，內(nèi)部有4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。用三極管組成H 型平衡橋，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)。同時(shí)H 型PWM 電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止?fàn)顟B(tài)，具有非常高的效率。
圖5 拍手信號(hào)捕獲電路
直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電機(jī)的轉(zhuǎn)速取決于3 個(gè)因素：負(fù)載、電壓和電流。對(duì)于一個(gè)給定的負(fù)載，可以通過(guò)脈沖寬度調(diào)制的方法來(lái)使電機(jī)保持穩(wěn)定的速度。通過(guò)改變施加在直流電機(jī)上的脈沖寬度，可以增加或減小電機(jī)的轉(zhuǎn)速。調(diào)整脈沖寬度，即改變占空比，調(diào)整電機(jī)的速度。驅(qū)動(dòng)板采用6 個(gè)高速光耦6N137 實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅(qū)動(dòng)電路與邏輯電路之間的相互干擾。驅(qū)動(dòng)板的電路原理圖如圖6 所示。
圖6 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
通過(guò)軟件編程可以自由改變單片機(jī)兩路PWM脈沖信號(hào)的占空比，電機(jī)的A 端連接PWM 脈沖信號(hào)，電機(jī)的B 端連接單片機(jī)的一個(gè)I/O 引腳。當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置1 時(shí)，電流從電機(jī)的B 端流向電機(jī)的A 端;當(dāng)這個(gè)I/O 引腳置0 時(shí)，電流從電機(jī)的A 端流向電機(jī)的B 端，這樣電機(jī)就可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，同時(shí)控制PWM 脈沖信號(hào)的占空比值還可以改變電機(jī)旋轉(zhuǎn)速度，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速的控制。
TOP8 吸塵機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
紅外接近傳感器電路設(shè)計(jì)
反射式光電開(kāi)關(guān)是由紅外LED光源和光敏二極管或光敏晶體管等光敏元件組成，當(dāng)有障礙物阻攔時(shí)光線能夠反射回來(lái)，輸出為低電平信號(hào)；當(dāng)沒(méi)有障礙物阻攔時(shí)，光線不能反射回來(lái)，輸出為高電平信號(hào)。吸塵機(jī)器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發(fā)射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈沖信號(hào)產(chǎn)生、紅外發(fā)射調(diào)節(jié)與控制、紅外發(fā)射驅(qū)動(dòng)、紅外接收等幾個(gè)部分。通過(guò)38kHz晶振和非門(mén)電路得到一個(gè)38kHz的調(diào)制脈沖信號(hào)；利用三極管驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管（TSAL6200）的發(fā)射。發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)物體反射后被紅外接收模塊接收。通過(guò)接收頭（HS0038B）內(nèi)部自帶的集成電路處理后返回一個(gè)數(shù)字信號(hào)，輸入到微控制器的I／O口，如圖3所示。接收頭如果接收到38kHz的紅外脈沖就會(huì)返回輸出低電平，否則就會(huì)輸出高電平。通過(guò)對(duì)I／0口的檢測(cè)，便可以判斷物體的有無(wú)。
兩種電機(jī)控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
在小功率系統(tǒng)中，直流電機(jī)線性特性良好，控制性能優(yōu)越，適合于點(diǎn)位和速度控制。為了實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)運(yùn)行，只需要改變電機(jī)電源電壓的極性。電壓極性的變化和運(yùn)行時(shí)間的長(zhǎng)短可以由處理器實(shí)現(xiàn)，而提供直流電機(jī)正常運(yùn)行的電流則需要驅(qū)動(dòng)電路。
H橋式驅(qū)動(dòng)電路是比較常用的驅(qū)動(dòng)電路。該設(shè)計(jì)兩個(gè)行走驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用分立器件功率場(chǎng)效應(yīng)管和續(xù)流二極管搭建，成本低，便于散熱，如圖所示。
用ARM7的P0．8和P0．9來(lái)控制電機(jī)，這兩個(gè)管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機(jī)的速度。該部分主要保證機(jī)器人能夠在平面內(nèi)移動(dòng)，同時(shí)輪上帶有編碼器，可以對(duì)行走的路程進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)航位推算可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎，假設(shè)機(jī)器人光電碼盤(pán)的分度數(shù)為N；控制器收到的脈沖數(shù)為m；輪子的直徑為D；兩個(gè)輪子之間的間距為W，則輪子前進(jìn)的距離即可算得。
清潔機(jī)器人作為服務(wù)機(jī)器人的一種，有著巨大的市場(chǎng)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。隨著傳感技術(shù)的發(fā)展和微處理器的不斷進(jìn)步，價(jià)格也在不斷下降。在此研究和設(shè)計(jì)一個(gè)基于ARM7微處理器的清潔機(jī)器人控制系統(tǒng)，不僅滿足了實(shí)用性的要求，而且在不增加成本的基礎(chǔ)上為軟件提供了良好的硬件支持，為更好的算法和軟件升級(jí)提供良好的技術(shù)支持。若讀者對(duì)機(jī)器人技術(shù)感興趣，不妨多探討一下未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)以及最新革新技術(shù)走勢(shì)等等。
TOP9 基于AT89C52自動(dòng)追蹤紅外線源機(jī)器人電路設(shè)計(jì)
紅外線傳感器電路下見(jiàn)圖。在機(jī)器人左、中、右三個(gè)方向放置傳感器以檢測(cè)紅外線發(fā)射源的位置，當(dāng)某個(gè)傳感器接收到紅外線源后輸出一個(gè)下降沿至74121的 4腳A2端，根下?lián)D中電容C4、C5、C6的參數(shù)，74121的6腳輸出一個(gè)保持時(shí)間大約為100ms的高電平，單片機(jī)以此高電平信號(hào)作為修正方向的依據(jù)。
微處理器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路見(jiàn)下圖。單片機(jī)的P3．1、P3．2和P3．2分別與左、中、右三個(gè)方向傳感器的輸出相連，三個(gè)傳感器輸出共有8種組合，單片機(jī)根據(jù)不同的組合狀態(tài)修正機(jī)器人的前進(jìn)方向，其修正方向和傳感器輸出組合的關(guān)系見(jiàn)方向修正真值下表。
從真值表中可以清楚的看到當(dāng)三個(gè)傳感器輸出都為0時(shí)，也就是真值表中的“000”狀態(tài)時(shí)單片機(jī)控制機(jī)器人順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)以尋找紅外線發(fā)射源；當(dāng)輸入為 “001”狀態(tài)時(shí)單片機(jī)控制機(jī)器人向右前進(jìn)；當(dāng)輸入為“110”狀態(tài)時(shí)單片機(jī)控制機(jī)器人向左前進(jìn)；當(dāng)輸入為“111”狀態(tài)時(shí)單片機(jī)控制機(jī)器人向正前方前進(jìn)；當(dāng)輸入為“101”狀態(tài)時(shí)，代表機(jī)器人正前方的傳感器被障礙物阻擋，單片機(jī)控制機(jī)器人向左方向旋轉(zhuǎn)以避開(kāi)障礙物，也意味著當(dāng)有障礙物阻擋機(jī)器人前進(jìn)時(shí)機(jī)器人可以自動(dòng)繞開(kāi)障礙物并重新尋找紅外線發(fā)射源。
基于STM32F107的搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)
隨著人工成本的不斷升高，用機(jī)器人代替人力去做一些重復(fù)性的高強(qiáng)度的勞動(dòng)是現(xiàn)代機(jī)器人研究的一個(gè)重要方向。搬運(yùn)機(jī)器人在導(dǎo)航尋跡中，需要后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)和前輪舵機(jī)的協(xié)調(diào)工作。搬運(yùn)機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動(dòng)有其特殊的應(yīng)用要求，對(duì)電機(jī)的動(dòng)態(tài)性能要求較高，能在任意時(shí)刻到達(dá)控制需要的指定位置并且使舵機(jī)停止在任意角度；電機(jī)驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩變化范圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉(zhuǎn)矩工作環(huán)境，也有滿負(fù)載爬坡的運(yùn)行工況，同時(shí)還要求保持較高的運(yùn)行效率。根據(jù)以上的技術(shù)要求，本文選用了控制技術(shù)成熟，易于平滑調(diào)速的直流電機(jī)作為搬運(yùn)機(jī)器人的執(zhí)行饑構(gòu)。
功率驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
電機(jī)的供電電源是由24V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個(gè)75N75組成橋式電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75A，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。
Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個(gè)橋路，分別控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。高端驅(qū)動(dòng)的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓和漏極電壓相同且都等于供電電樂(lè)VCC，所以要實(shí)現(xiàn)MOS管正常的驅(qū)動(dòng)，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門(mén)的升壓芯片IR2103?？刂破鳟a(chǎn)生的PWM信號(hào)輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的 EN1、EN2作為使能信號(hào)。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極管提高導(dǎo)通速度，使得75N75的導(dǎo)通電阻更小，降低了開(kāi)關(guān)管的損失。同時(shí)IR2103的兩個(gè)輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由于軟件或硬件錯(cuò)誤造成的電機(jī)上下橋臂直通造成短路。
過(guò)流保護(hù)電路設(shè)計(jì)
在電機(jī)控制系統(tǒng)中安裝過(guò)流保護(hù)有兩方面的意義：一是防止在電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，電機(jī)出現(xiàn)超載或堵轉(zhuǎn)而使得電樞繞組電流過(guò)大損害電機(jī)甚至引發(fā)火災(zāi)；另一方面是由于電機(jī)肩動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電流很大，往往不能直接啟動(dòng)，既需要等勵(lì)磁繞組逐漸建立磁場(chǎng)后再正常運(yùn)行，又希望電機(jī)以盡量快的速度肩動(dòng)起來(lái)。有了過(guò)流保護(hù)對(duì)電流進(jìn)行斬波，可以使電機(jī)安全快速地啟動(dòng)。過(guò)流保護(hù)原理圖如圖3所示。
電機(jī)的相電流通過(guò)康銅絲轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)Vtext，經(jīng)過(guò)運(yùn)算放大器放大后的模擬量AD1送至控制器A／D轉(zhuǎn)換模塊，同時(shí)將經(jīng)過(guò)電壓比較器比較后的數(shù)字量 EVA送至控制器的外部中斷口。針對(duì)搬運(yùn)機(jī)器人的前輪轉(zhuǎn)向舵機(jī)和后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)的控制要求，采用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F107作為主控制器，采用嵌入實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／OS-II，將程序分成啟動(dòng)任務(wù)、電機(jī)轉(zhuǎn)速控制任務(wù)、舵機(jī)控制任務(wù)等相對(duì)獨(dú)立的多個(gè)任務(wù)，并設(shè)定了各任務(wù)的優(yōu)先級(jí)。該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制。
TOP10 智能小車(chē)機(jī)器人整體電路設(shè)計(jì)
語(yǔ)音輸入電路設(shè)計(jì)
小車(chē)的語(yǔ)音輸入電路如圖所示。其中，VM IC 提供傳聲器的電源，VSS是系統(tǒng)的模擬地，VCM 為參考電壓，1腳和2腳分別是傳聲器X1 的正極、負(fù)極的輸入引腳。當(dāng)對(duì)著傳聲器講話時(shí)，1腳和2 腳將隨著傳聲器輸入的聲音產(chǎn)生變化的波形，并在SPCE061A 的兩個(gè)端口處形成兩路反相的波形，送到SPCE061A 控制器內(nèi)部的運(yùn)算放大器進(jìn)行音頻放大，經(jīng)過(guò)放大的音頻信號(hào)，通過(guò)ADC轉(zhuǎn)化器轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，保存到相應(yīng)的寄存器中，然后對(duì)這些數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行壓縮、辨識(shí)、播放等處理。
語(yǔ)音輸出電路設(shè)計(jì)
小車(chē)的語(yǔ)音輸入電路如圖所示。其中，VDDH 為參考電壓，VSS是系統(tǒng)的模擬地。音頻信號(hào)由SPCE061A 的DAC引腳輸出送到電路的9端，通過(guò)音量電位器R9的調(diào)節(jié)端送到集成音頻功率放大器SPY0030， 經(jīng)音頻放大后，音頻信號(hào)從SPY0030輸出經(jīng)J2端口外接揚(yáng)聲器播放聲音。
光電檢測(cè)電路設(shè)計(jì)
小車(chē)的光電檢測(cè)電路采用E18-D80NK型號(hào)的光電傳感器，它集發(fā)射和接受于一體，紅外發(fā)射管向某一方向發(fā)射紅外線，遇到障礙物后紅外線被反射由接收管接受，從而判斷出小車(chē)的前方是否有障礙物，對(duì)障礙物的感應(yīng)距離可以根據(jù)要求通過(guò)傳感器上的微調(diào)旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。傳感器前端增加了透鏡，利用聚焦作用遠(yuǎn)距離探測(cè)物體。傳感器內(nèi)部集成了放大、比較、調(diào)制電路，使傳感器受可見(jiàn)光的影響較小，光電檢測(cè)電路的連接圖如圖4所示。
驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電路是一個(gè)全橋驅(qū)動(dòng)電路（ 圖5），Q1，Q2， Q3， Q4四個(gè)三極管組成4個(gè)橋臂，Q5 控制Q2和Q3的導(dǎo)通和關(guān)斷，Q6控制Q1 和Q4 的導(dǎo)通和關(guān)斷，驅(qū)動(dòng)電路分別用于后輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電路和前輪方向驅(qū)動(dòng)電路。當(dāng)1管腳為高電平，2管腳為低電平時(shí)時(shí)Q1 和Q4 導(dǎo)通，Q2和Q3截止，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪運(yùn)轉(zhuǎn); 當(dāng)1管腳為低電平，2管腳為高電平時(shí)時(shí)Q1和Q4截止，Q2和Q3導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)車(chē)輪反向運(yùn)轉(zhuǎn)。
智能小車(chē)系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
將語(yǔ)音輸入電路的1， 2 端口分別連接到SPCE061A控制器的M ICP， N ICN 管腳上; 將語(yǔ)音輸出電路的9端口連接SPCE061A的DAC1管腳; 后輪動(dòng)力驅(qū)動(dòng)電路的1， 2端連接到SPCE061A的IOB8， IOB9管腳，前輪方向驅(qū)動(dòng)電路的1， 2端連接到SPCE061A 的IOB10， IOB11管腳; 光電檢測(cè)電路的OUT 端連接SPCE061A 的IOB12 管腳，智能小車(chē)的整體連接如圖6所示。
智能小車(chē)的正確識(shí)別率在90% 以上，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，影響小車(chē)正常辨識(shí)的因素主要包括周?chē)h(huán)境的噪聲、人與小車(chē)的距離等，這些需要在今后改進(jìn)。這種語(yǔ)音控制的智能小車(chē)機(jī)器人將來(lái)不僅可以為人服務(wù)，稍加擴(kuò)展，還可以在多種不適合人作業(yè)的場(chǎng)合替代人執(zhí)行任務(wù)。因此這種語(yǔ)音控制小車(chē)機(jī)器人具有重要的學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值。
TOP11帶PC機(jī)串口通訊的機(jī)器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)
用AVRmega8515作一個(gè)帶PC機(jī)串口通訊的最小單片機(jī)機(jī)器人控制系統(tǒng)，電路圖見(jiàn)下圖。使用時(shí)用WINDOWS自帶的超級(jí)終端，把速率調(diào)整到9600，8個(gè)數(shù)據(jù)位．1個(gè)停止位，無(wú)奇偶效驗(yàn)，無(wú)流量控制（握手協(xié)議Xon/Xoff）．接上串口線，按照屏幕提示輸入數(shù)據(jù)就可以直觀地控制3臺(tái)舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度。
以下介紹一款24路機(jī)器人專用控制器。其主要是供不熟悉單片機(jī)的讀者來(lái)使用。該系統(tǒng)整體硬件基本和上述最小單片機(jī)控制系統(tǒng)一樣，還增加了一片采用I2C 總線通訊方式的24C256 EEPROM存儲(chǔ)器，用來(lái)記錄24路龐大的動(dòng)作表，主控單片機(jī)也是AVRmega 8515．整個(gè)動(dòng)作編程通過(guò)PC機(jī)串口終端仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)的?？赏瑫r(shí)控制24臺(tái)舵機(jī)，并且能分別對(duì)臺(tái)舵機(jī)進(jìn)行速度控制，其中可以插入循環(huán)、延時(shí)指令。該控制器能讓制作者從繁瑣的單片機(jī)編程中解放出來(lái)，并且能讓有PC機(jī)編程能力的讀者進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
基于嵌入式的機(jī)器人系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)
機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和功能較多，需要多個(gè)傳感器對(duì)外界進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的位置、動(dòng)作和運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位 arm7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器，它采用3級(jí)流水線技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運(yùn)行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器、6路PWM輸出和47個(gè)通用I／0口，所以特別適用于對(duì)環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機(jī)器人系統(tǒng)。因此選用 LPC2129為主控制器，可以獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。
無(wú)線通信接口設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無(wú)線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開(kāi)發(fā)，其特點(diǎn)是：①有兩個(gè)頻道可供選擇，工作速率高達(dá)20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡(jiǎn)單，因此特別適合機(jī)器人小型化要求；④可直接接單片機(jī)串口模塊，控制簡(jiǎn)單；⑤抗干擾能力強(qiáng)；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。
超聲波測(cè)距傳感器電路設(shè)計(jì)
兩路超聲波傳感器用以控制機(jī)器人避開(kāi)障礙物，并預(yù)測(cè)機(jī)器人相對(duì)目的地距離，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時(shí)管腳相連接。整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機(jī)控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過(guò)超聲波換能器發(fā)射超聲波。
圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號(hào)通過(guò)電容C2隔除掉了信號(hào)中的直流量并給超聲波換能器 MA40S2S。其工作過(guò)程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)反向器U1C變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大，C2隔除直流信號(hào)后加在超聲波換能器MA40S2S進(jìn)行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長(zhǎng)時(shí)間加直流電壓，會(huì)使其特性明顯變差，因此一般對(duì)交流電壓進(jìn)行隔除直流處理。 U2A為 74ALS00與非門(mén)，control_port（控制端口）引腳為控制口，當(dāng)control_port為高電平時(shí)，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。
圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對(duì)換能器接收到的信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大后，通過(guò)電壓比較器LM339將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為T(mén)TL脈沖信號(hào)。INT_Port與單片機(jī)中斷管腳相連，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)立即進(jìn)入中斷并對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理和判斷。
光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)
設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊，使機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白色引導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達(dá)幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百千赫茲范圍之內(nèi)，因此能夠滿足要求。光源驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射。
接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這種電信號(hào)通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大形式，可以將調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離開(kāi)來(lái)，為信號(hào)處理提供方便。調(diào)制信號(hào)處理部分對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。因此，該模塊的本質(zhì)是將“交流” 的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。
更多機(jī)器人技術(shù)資料，電路圖及DIY設(shè)計(jì)，可參見(jiàn)本期Designs of week——當(dāng)中國(guó)制造遇上機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)思維請(qǐng)跟上！
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