第三章系统硬件电路设计Word下载.docx

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图系统硬件电路进展流程

电脑鼠机身设计

机身是电脑鼠最大体的架构，它的设计在电脑鼠的整体计划中占有相当的地位，但却也是最关键的地方。

以下将探讨机身设计时所应注意的地方。

有关于机身的设计，原则上整体结构要牢固耐用，材质要轻、重心要低，还有在设计不但要配合各零件的规格，也要符合迷宫的规格，按照规则的规定，比赛中迷宫的每一个单元格都是18cm×

18cm的正方形，每一个单元格的墙壁都有1.2cm，也就是说电脑鼠的最大宽度应限定在=16.8cm之内。

但因为老鼠在迷宫中行走时要有必然的空间裕度，不然略微有一点不稳固还没来得及调整就会撞在墙壁上，再者为了便于转弯灵活，电脑鼠应该做的尽可能的小，在本文的实际制作中，电脑鼠机身规格为：

长12cm，宽8cm，高5cm，用轻制铝合金制作而成。

另外，轮子在整个机身的设计也占有相当的地位.一般来讲，轮子分为主动轮和从动轮，主动轮即是电机所带动的轮子，主动轮要有两个，两主动轮之间的距离必需在16.8cm以下才能在迷宫中行走，在本设计中两轮之间的距离设定为11.2cm，安置在机身双侧的中心线上。

兼于机身的高度，为了降低重心，保证电脑鼠行使的更稳，咱们设计的轮子半径大小约为24mm。

从动轮的选择也要注意配合，第一必然要灵活，不然会影响老鼠在行走进程中的姿态，致使控制起来很困难。

第二，从动轮个数的选择要适当，若用两个从动轮，设计精度比较高时则行走超级稳固，尤其是在转弯的时候比单个从动轮要稳固的多，但双从动轮对设计精度的要求超级高，而且不能走不平整的路，三点肯定一个平面，如有两个主动轮和两个从动轮，则在设计精度不够的情形下或是走在不平整的地面上时，会有一个轮子悬空，给控制带来不便；

单个从动轮不存在那个问题，因为在任何情形下（除非老鼠飞起来）它都是三点接触地面的，但它在转弯的时候就容易造成误差。

表3.1电脑鼠轮子设计的好坏对比

主轮

单辅轮

双辅轮

设计时注意事项

两主轮间距离要小于16.8cm（最好在10~12cm之间，以免微小的偏移就撞墙）。

优点

设计较容易；

行走时主轮较不会空转。

转弯时较稳定；

若设计良好，则行走十分稳定。

缺点

转弯时误差较大。

设计较困难；

若设计不良，行走时容易造成主轮空转。

在选择方案时，选用的是双主动轮，单从动轮的方案，从动轮利用万向轮，转弯时是通过两个主动轮的差速来达到转弯效果，通过读取传感器来进行及时调整消除单从动轮转动时造成的误差。

电脑鼠的机械架构的如图所示:

图电脑鼠机身框架图

LPC2138最小系统设计

微处置器是电脑鼠的大脑，是整个硬件电路设计的灵魂，负责整个硬件电路系统中各个周边电路、元件的协调。

在本设计中，选用了PHILIPS公司的基于ARM7TDMI-S核、单电源供电的LPC2138作为系统的微处置器。

对于LPC2138芯片，最小系统需要两组电源、复位电路、晶振电路，脚接一个上拉电阻禁止ISP功能。

LPC2138最小系统原理方框图如Error!

图LPC2138最小系统原理框图

ARM内核采用精简指令集运算机（RISC）体系结构，具有大量的通用寄放器，指令格式利用统一和长度固定，寻址方式简单，内含2套指令系统（ARM指令集和Thumb指令集）。

极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。

能够提供MHz的三级流水线结构。

LPC2138一些主要特性：

（1）小型LQFP64封装的16/32ARM7TDMI－S微控制；

（2）8KB片内静态RAM；

（3）32KB片内Flash程序存储器。

128位宽度接口/加速器实现高达60MHz的操作频率；

（4）片内Boot装载程序实此刻系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。

Flash编程时刻：

1ms可编程256字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms；

（5）EmbeddedICE－RT和嵌入式跟踪接口，可实时调试和高速跟踪执行代码；

（6）2个8路10位A／D转换器共包括8个模拟输入，每一个通道的转换时刻短至µ

s；

（7）2个32位按时器（带4路捕捉和4路比较通道）、PWM单元（6路输出）和看门狗；

（8）多个串口行接口，包括2个16C550工来标准UART、2个高速I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP;

（9）向量中断控制器。

可配置优先级和向量地址；

（10）多达47个可经受5V电压的通用I/O口；

（11）多达9个边沿或电平触发的外部中断引脚；

（12）通过片内PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率；

（13）片内晶体振荡电路支持频率：

1～30MHz；

（14）2个低功耗模式：

空闲和掉电；

（15）通过外部中断将处置器从掉电模式中唤醒；

单电源供电，含有上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路。

CPU操作电压为～。

3.2.1电源电路

LPC2138微控制器的内核和I/O利用同一电源电压，只需单电源供电。

从外部输入5V直流电源，通过C六、C7滤波，然后通过1117M3将电源稳压至。

当正确连接电源后，POWER灯点亮。

LPC2138具有独立的模拟电源引脚VDDA、VSSA，为了降低噪声和犯错概率，模拟电源与数字电源应该隔离。

图中的L1和L2就是用于电源隔离的元件（将数字电源的高频噪声隔离）,一般取10uH。

图系统电源电路

1117M3是Sipex公司生产的LDO芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳固性高。

SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±

1%之内，还具有电流限制和热保护功能，可普遍应用在手持式仪表、数字家电和工业控制等领域。

使历时，其输出端通常需要一个至少10µ

F的钽电容来改善瞬态响应和稳固性。

实际电路用了一个µ

F的钽电容。

3.2.2复位电路

由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压致使其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳固性和电源监控靠得住性等诸多方面也提出了更高的要求。

本系统中的复位电路利用带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的靠得住性。

其电路原理如图所示。

图系统复位电路

在图中，信号nRST连接到LPC2138芯片的复位———————RESET,当复位按键RST按下时,CAT1025JI-30的———————RESET引脚当即输出复位信号,使LPC2138芯片复位。

利用CAT1025JI-30芯片时，其RESET引脚上的下拉电阻和———————RESET引脚上的上拉电阻都是不能省略的。

3.2.3系统时钟电路

LPC2138可利用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。

若不利用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率为1～30MHz，外部时钟频率为1～50MHz；

若利用片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率为10～25MHz，外部时钟频率为10～25MHz。

在本设计中，利用晶振，电路如所示。

用晶振的原因是使串口波特率更精准，同时能支持LPC2138微控制器芯片内部PLL及ISP功能。

图系统时钟电路

3.2.4JTAG接口电路

本设计中采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的概念及与LPC2138的连接如Error!

图JTAG接口电路

按照LPC2138的应用手册说明，在RTCK引脚接一个的下拉电阻，使系统复位后LPC2138内部JTAG接口使能，如此就可以够直接进行JTAG仿真调试。

若是用户需要利用～作I/O口，不进行JTAG仿真调试，则能够在用户程序中通过设置PINSEL2寄放器来使LPC2131内部JTAG接口禁止。

电源电路

移动电源的地位在移动式机械人中从来十分重要，能够说是机械人的生命源。

移动电源需要同时知足机械人的多种能源需要，如为移动机构提供动力、为控制电路提供稳固的电压和为服务执行模块提供能源等。

在移动式机械人领域，一般采用化学电池作为移动电源。

理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电进程中维持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电和本钱低等。

但实际上没有一种电池可同时具有上述长处，这就要求设计人员按如实际任务的需要，选择一种适合的电池。

在该系统中，需要利用12V、5V、的直流稳压电源，其中，驱动二个步进电机电机利用12V左右的电源,而LPC2138微处置器及外围器件需要电源，其他器件需5V电源.为简化系统设计，系统配8节电池，通过三端稳压芯片L7805CV供需要5V的器件利用，再对5V电源利用1117M3降低到供ARMLPC2138微处置器及其他部份利用。

5V电源电路加了工作指示灯，而且加了二极管对电路加以保护。

通过绿色发光二极管LED1指示电源工作状态，R1为LED1的限流电阻。

发光二极管的正常工作电压为~，正常工作电流为10mA，所以流过R1的电流应为10mA左右。

R1电阻值的计算公式：

在本电源电路中,R1选用1K电阻,C1选用µ

F的电解电容滤低频，C2、C17别离选用µ

F和10µ

的陶瓷电容滤除高频。

W7805是一个典型的三端固定输出正稳压器。

三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。

它有稳固电压的作用，只要输入的电压在6V以上，负载的转变在允许的范围内（输入电压范围+7V~+25V），它的输出都能够维持稳固的5V。

需要注意的是，由于流过它的电流专门大（大约~1A），元件在利用使温度会很高，所以在使历时需加散热片。

由于各个电源模块之间直接串联增加，使得整个系统的稳固性降低。

为此,各个模块之间的通信用光耦隔离，减少串扰，提高稳固性。

系统电源电路如Error!

图电源电路

传感器检测电路

在电脑鼠硬件设计进程中,传感器的选择有着相当重要的作用,电脑鼠通过传感器来熟悉迷宫那个未知的世界。

其原理图如Error!

图红别传感器测距原理图

JY043W是收发一体的红外反射式光电管,其实物图和原理图如Error!

在本设计中利用了3个JY043W，别离安装在车身的双侧和前面，左右中间各1个。

双侧的前后两头再别离放两个接收头主要用于检测车身是不是偏了，需要修正，和是不是有墙；

前面的那个用于感测前面的墙壁。

图JY043W的实物图及原理图

该传感器电路参数的设置方式与直流电机测速装置的光电发射同意模块相同，本课题中该传感器利用+5V直流电源供电，R1取值方式如下：

发光二极管LED0导通时压降约，一般发光二极管在电流为3mA的时候就可以够起辉发亮，最高能够经受10~12mA乃至更高的电流，故

R1max=

=Ω，R1min=

=350Ω

为了使发光管发出的红外线强度够大，R1的电阻取330Ω；

R2的作用是保护光敏三极管，且保证在光敏三极管导通时，OUT端输出一个接近于0V的低电压，这一点要看三极管导通状况如何，若是深度饱和状态，则R2一般取5K左右即可，若饱和程度不深，则要约10K，而其饱和程度又取决于光敏三极管上接收的红外线的强度。

又由于其是反射式的，接收到的红外线强弱与距离又有必然的关系，因此，在R2肯定的情形下，OUT的输出电压是与距离成必然的正比例关系，总结如下：

在R1和R2必然的情形下，距离越远→反射回的光强度越小→饱和程度越低→输出电压越大。

为了保证在近距离的时候能够输出较低的电压，R2取值应尽可能大，但R2过大时出现的问题是：

光敏三极管方才进入导通状态，输出电压就马上被拉的很低，没有一个相对较缓的进程。

这对于后面进行灵敏度的调节和电机的控制不利。

因此，R2的取值要考虑两方面的因素，选用的电阻，效果仍是能够的。

图传感器检测电路

JY043W输出信号通过LM324运算放大器组成的比较器后,送到LPC2138中进行相应的处置.LM324是四运放集成电路。

它的内部包括四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放彼此独立。

由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源利用，价钱低廉等长处，因此被普遍应用在各类电路中。

每一个运算放大器的工作原理一样，在此以第一个为例进行说明。

在运算放大器的输入端口对红别传感器的输出值与设定值进行比较，电位器R18用于调节灵敏度，在不同环境、不同光源下必需通过此来调节，以减少误动作的产生。

LM324是5V供电，输出端口用R2、R4分压，R3限流，以限制进入LPC2138的电压、电流，保证引脚的正常工作。

步进电机驱动电路

步进电机的驱动电路有很多种，能够用一片L298来驱动一个步进电机，也有专门的步进电机驱动模块，利用方便.由于步进电机控制本来就超级简单，若增加一个驱动模块必将增加本钱和电路复杂度，因此，本课题中采用了最简单的用控制器I/O口来发出控制信号，通过达林顿管电压放大后来控制步进电机的控制电路。

其电路图如Error!

Referencesourcenotfound.所示：

图步进电机驱动电路

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。

ULN2003的特点如下：

ULN2003的每一对达林顿都串联一个的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路直接相连，能够直接处置原先需要标准逻辑缓冲器来处置的数据。

ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，而且能够在关态时经受50V的电压，输出还能够在高负载电流并行运行。

ULN2003采用DIP—16或SOP—16塑料封装。

为了避免控制紊乱造成电机的损坏，在步进电机和驱动芯片之间连接了电阻,为了不影响驱动能力，电阻大小为10Ω，在本设计中运用了普通的10Ω电阻，在电机调试的进程中，发觉该电阻发烫，说明电阻功率不够，ULN2003的最大输出电流为200mA，则在该电阻上消耗的功率为：

P=I2R=**10=.故应该至少选择的大功率电阻。

人机交互界面

人机交互界面即键盘和数码管显示电路，是人和电脑鼠交流的界面，令人对机械人的运行情形更好的了解，出现意外情形采取相应的对策。

通过按键启动电脑鼠开始工作,在数码管上显示当前电脑鼠的速度值和其他参数的数值。

LPC2138拥有一个硬件SPI（SerialPeripheralInterface）接口。

它是一个同步、全双工串行接口，最大数据位速度为时钟速度的1/8，可配置为主机或从机。

在设计中利用LPC2138的SPI接口作为主机向JP1发送数据。

，通过此端口将需要显示的数据的段码和位码信息在SCLK脉冲的控制下别离移入到两片74HC164和74HC595中（段码在74HC164中，位码在74HC595中），以后通过RCLK脉冲送出位码信息完成数据显示。

MISO端口是键盘检测口。

在该部份的软件设计中先从MOSI端口接收数据输出显示，显示后紧接着查询MISO端口是不是为低电平（只有当按键按下，同时对应位码时才为低），若是为低电平则记录送出的位码信息；

以后进行第二次循环，显示数据并查询MISO端口。

当MISO端口为高电平或低电平时记录的位码信息与上次不相同，则舍弃键处置；

当两次读MISO端口与低电平记录下的位码信息相同时，进行相应的按键处置操作。

人机交互电路图如图所示。

TPIC6B595是8位移位寄放器,是专为需要相对高的负载功率的系统设计的。

数据别离在移位寄放器时钟和寄放器时钟的上升沿传输到移位寄放器和存储寄放器。

当移位寄放器清零端为高时，存储寄放器传输数据到输出缓冲器。

当/SRCLK为低时，输入端的移位寄放器被清零。

当输出使能维持为高时，在输出缓冲器中所有的数据维持低电平而且所有的漏极输出是关断的。

当/G维持为低时，从存储寄放器到输出缓冲器的数据是透明的。

当输出缓冲器中的数据为低电平时，DMOS晶体管的输出端是关断的。

图键盘显示电路

74HC164是种串行转并行的IC，采用DIP14封装。

A、B为串行数据输入引脚，这两个引脚完全一样，通常将这两个引脚连接在一路，再接到串行数据源；

也可将其中一脚连接到VCC，另一只引脚连接串行数据源；

在此利用前者。

Clear为清除引脚，当此引脚为低电平时，QA~QH并行输出引脚全数变成低电平。

CLK为时钟脉冲引脚，74164为上升沿触发，当CLK的电平由低变高时输出引脚的状态发生转变。

74HC164的状态转换表如Error!

Referencesourcenotfound.所示:

表3.274HC164状态转换表

输入

输出

CLK

A

B

……

L

H

本章小结

在本章主要介绍了电脑鼠硬件系统的设计进程,第一提出了硬件系统设计的流程图,别离从机身,LPC21318最小系统,电源电路,红外检测电路,步进电机驱动电路,键盘显示电路一一介绍,分析了电路的原理,器件的选型和参数的计算,通过调试,达到设计要求,为后续的算法研究和软件设计提供的坚实的基础.