家用服务机器人电路设计.docx
- 文档编号:29116801
- 上传时间:2023-07-20
- 格式:DOCX
- 页数:17
- 大小:203.08KB
家用服务机器人电路设计.docx
《家用服务机器人电路设计.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《家用服务机器人电路设计.docx(17页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
家用服务机器人电路设计
3系统单元电路设计
3.1单片机最小系统设计
Atmel公司的AT89S51芯片是51内核的单片机。
AT89S51是一个低功耗,高性能的CMOS8位单片机,片内含8K空间的可反复擦写1000次得Flash只读存储器,具有256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32的I/O口,2个16位可编程定时/计数器。
3.1.1AT89S51芯片
如图3-1所示为MCS-51单片机的基本结构框图,它由8个部分组成,即中央处理器(CPU)、片内数据存储器(RAM)、片内程序存储器(ROM)、输入输出暗扣、可编程串行口、定时/计数器、中断系统及特殊功能寄存器的几种控制方法。
3.1.2复位电路
图3-1MCS-51芯片内部基本结构框图
单片机AT89S51芯片各个引脚功能见表3-1所示:
表3-1AT89S51引脚定义
引脚序列
接口引脚
功能
1~8
P1.0~P1.7
8位准双向IO口
9
RST
复位输入口
10
P3.0/RXD
串行输入口/P3.0I/O口
11
P3.1/TXD
串行输出口/P3.1I/O口
12
P3.2/INTO
外部中断0输入口/P3.2I/O口
13
P3.3/INT1
外部中断输入口/P3.3I/O口
14
P3.4/T0
定时计数器0输入口/P3.4I/O口
15
P3.5/T1
定时计数器输入口/P3.5I/O口
16
P3.6/WR
外部数据存储器写选通/P3.6I/O口
17
P3.7/RD
外部数据存储器读选通/P3.7I/O口
18~19
XTAL1~XTAL2
时钟振荡器的输入输出口
20
GND
信号地
21~28
P2.0~P2.7
8位双向IO口存储器的高8位地址
29
PSEN
程序存储允许信号端
30
ALE/PROG
片外存储器地址锁存信号端
31
EA/VPP
片外存储器地址锁存信号端
32~39
P0.0~P0.7
数据/低八位地址复用口
40
VCC
正向电源输入端
本单片机的工作方式包括:
复位方式、程序执行方式、低功耗操作方式以及EPROM编程和校验方式。
单片机不同的工作方式,代表单片机处于不同的工作状态。
该单片机的复位方式有上电自动复位和手动复位两种,本系统采用手动复位。
单片机复位是使CPU和系统中的其他功能部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作,例如复位后PC=0000H,使单片机从第一个单元取指令。
无论是在单片机刚开始接上电源时,还是在断电后或者发生故障后都要复位。
单片机复位的条件是:
必须使RST引脚加上持续两个机器周期(即24个震荡周期)的高电平。
本系统时钟频率为12MHz,每个机器周期为1us,则只需2us以上时间的高电平,在RST引脚出现高电平后的第二个机器周期执行复位。
单片机的复为电路如图3-2所示。
图中C5为上电复位电路,它是利用电容充放电来实现的。
在接电数瞬间,RST端得电位与VCC相同,随着充电电流的减少,RST的电位逐渐下降。
只要保证RST为高电平的时间大于两个机器周期,就能正常复位。
除了上电复位外,有时还需要按键手动复位,本设计按键手动复位。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中电平复位是通过RST端与电源VCC按通面实现的。
图中C5去22µF,R2去4.7kΩ,只需按下S4键,此时电源VCC经过R2分压,在RST端产生高电平,两个机器周期后单片机复位。
图3-2复位电路
3.1.3时钟电路
MSC-51单片机各功能部件的运行都是以时钟控制信号为基准,有条不紊的一步一步地工作,因此,时钟频率直接影响单片机的速度,时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。
常用的时钟电路设计有两种方式。
一种是内部时钟方式,一种是外部时钟方式,本系统利用内部振荡电路采用内部时钟方式。
如图3-3所示,本电路的时钟频率为12MHz,电容C6,C7的容量为30pF左右,电容的大小会影响振荡器频率的高低、振荡器稳定性和起振的快速性,本电路采用30pF的瓷片电容。
图3-3时钟电路
3.2直流电动机驱动模块的设计
3.2.1直流电动机控制方案
本设计采用双直流电动机提供机器人前进与转向壁障的动力。
由于采用的机器人下轮架自带两个HC01-120型直流电动机与减速齿轮箱,而且直流电动机的输入扭矩在减速箱作用下,输出扭矩可以为整个设计提供足够的动力。
两个直流电动机接在减速箱输入轴上,其输出轴相背安装在机器人下轮架上,输出轴上装有主动轮,当两个输出轴相反方向旋转时,在地面的摩擦力作用下,为机器人提供前进的动力;当个输出轴相同方向旋转时,机器人绕地盘圆心旋转,从而控制输出轴旋转时间控制机器人圆周旋转角度达到转向的目的。
双直流电动机在减速箱下的作用分析:
1、异向同步同速旋转式,为机器人提供前进的动力。
虽然两个直流电动机型号一样,额定功率、转速相同,可是直流电动机的实际工作场合无法一致,提供的电压无法准确相同等因素的干扰,两个直流电动机无法实现非常同步的运转。
在实际检测时,机器人的运行情况是出现弧度比较大的圆周运动。
但对机器人的整体运行并无比较大的影响。
这种情况的解决方案是采用步进电动机,由于步进电机是用过脉冲来驱动的,其步距角和转速只与输入的脉冲频率有关,频率越快,其转速越快。
2、同向同步同速旋转时,为机器人提供中心旋转的动力。
当可以控制电动机旋转工作的时间时,也就可以控制机器人旋转的角度,达到控制机器人转向的目的。
由于在控制程序里使用延时函数来奇偶那个值旋转时间,因此会受到来自地面摩擦、电动机输入电压、机器人负载的影响,最后使机器人旋转角度无法精确控制,面对这样的问题,一是吧直流电动机更替为步进电动机,这样可是使用步进电动机进行精确的控制;二是在前轮改为舵机,舵机可以在一定角度范围内随意的转向,从而不再使用差速转向的方法,以便是转向角度更加容易控制。
目前设计依旧采用双130型直流电动机作为驱动方案选择。
3.2.2电动机驱动芯片L293B
由于HC01-120型直流电动机是多用于玩具汽车上的常见小型电动机,其额定电压比较低,驱动电流比较小,可是单片机I/O口也无法直接驱动它,这里采用L293B芯片作为动机驱动芯片。
L293B是著名的SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路,L293B驱动芯片可以同时驱动四个单向旋转的直流电动机,也可以同时驱动两个双向旋转的直流电动机,也可以驱动一个四线制步进电机。
本设计采用L293B芯片驱动两个双向旋转的直流电动机。
L293B芯片引脚图如图3-4所示。
图3-4L293B引脚图
Vs为电源电压引脚,Vss为落尽电源电压引脚,ENABLE1、ENABE2为使能控制引脚,INPUT为输入引脚,OUTPUT为输出引脚。
其主要参数如表3-2所示:
符号
参数
条件
最小值
最大值
单位
Vs
电源电压
Vss
36
V
Vss
逻辑电源电压
4.5
36
V
输入高电压
Vss≦7V
Vss>7V
2.3
2.3
Vss
7
V
高电压输入电流
2.3
100
μA
由于在本设计中电源模块可以提供5V工作电压,而且在L293B的电源电压和逻辑电源电压范围内,为了分别可是给力电压和逻辑电源电压提供5V电压,设计中使用拨码起来设置它们两个的电压大小。
调节不同的工作电压可以控制不同的输出电压,电动机在不同的工作电压下转速也会不同。
L293B芯片逻辑图如图3-6所示,使能端ENABLE1控制INPUT1和INPUT2的输入,ENABLE2控制INPUT3和INOUT4的输入,因此控制电动机工作和停止可以通过给使能端高电压和低电平来控制。
并且ENABLE为高电平时,INPUT为高电平时,OUTPUT为高电平;INPUT为低电平时,OUTPUT为低电平。
本设计中L293B芯片对电动机控制连线如图3-8左半部分所示,其中ENABLE与INPUT引脚直接与单片机P1^0-P1^5相连。
控制电动机正反转是通过一对OUTPUT引脚,例如OUTPUT1为高电平,OUTPUT2为低电平时,电动机正传,反之电动反转。
而实现小车转向是通过使两个电动机不同方向的旋转来实现的。
当两个电动机一个正转一个反转时,小车前进或后退。
而当电动机同时正转或反转时,小车左转或右转。
而控制转向角度是以延时函数来控制电动机不同输入电压的时间来实现的。
3.2.3稳压电路设计
直流电动机工作的时候会产生反向电压,由于驱动电动机的电压来自驱动芯片OUT引脚,如果这个电压不消除,会使电动机输入电压降低,影响电动机的正常工作。
我们这里采用了4个IN4007整流二极管构建的H桥电路来消除电动机工作时产生的反向电压,其电路图如图3-5所示
3.2.3.1IN4007整流二极管
整流二极管是一种将交流电能转变为直流电能的半导体器件,通常包含一个PN结,有正极和负极两个端子。
P区得载流子是空穴,N区的载流子是电子,在P区和N区间形成一定的位垒。
外加使P区相对N区为正的电压时,位垒降低,位垒两侧附近产生储存载流子,能通过大电流,具有低的电压降(典型值为0.7V),
图3-5IN4007整流二极管电路
称为正向导通状态。
若加相反的电压使位垒增加,可承受高的反向电压,流过很小的反向电流(称反向漏电流),称为反向阻断状态。
在选用整流二极管时,主要考虑其最大整流电流、最大反向工作电流、截止频率及反向恢复时间等参数。
普通串联稳压电源电路中使用的整流二极管,对截止频率和反向恢复时间要求不高,只要根据电路的要求选择最大整流电流和最大反向工作电流符合要求的整流二极管即可。
这里选用的IN4007型整流二极管极限值:
最高反向峰值电压1000V,最大正向平均整流电流1.0A,最大反向峰值电流30A。
电特性(25℃):
最大正向电压1.1V,最大反向电流5.0μA。
3.2.3.2转向指示灯
如图所示,其中上面部分有四个发光二极管,与保护电阻连接后,每一个二极管都被一对L293B输出引脚控制。
上文中提出通过对OUTPUT引脚高低电平的控制来控制电动的正反转,一对OUTPUT引脚又分别正向和反向与一个二极管并联,由于二极管的单向导电性,OUTPUT的输出也控制着二极管的工作。
例如OUT1为1,OUT2为0时,电动机1正转,此时D3发光;反之D2发光。
设定电动机1为左电动机时,此时设定右电动机也正转,且D5发光,小车将右转。
因此可以把D2安装在小车前部右侧,D5安装在小车后部右侧,则指示出小车右转。
因此在设计中合理的摆放发光二极管的位置,就可以时间小车具有转向指示功能。
3.3超声波测距模块的设计
作为机器人的“眼睛”,超声波测距模块的设计非常重要。
机器人自主能力的好坏,取决于它对环境的识别能力。
可以用于机器人的传感器种类有很多。
机器人传感技术是衡量一个国家机器人水平高低的标志,国外和国内都加大了投入力度,各种机器人传感器也都相继开发出来。
因计算机技术的发展,信息传输和处理速度大大提高,各种现代信号处理技术由过去的理论状态转为实用状态,机器人感觉系统越来越发达。
本设计采用视觉传感器来处理机器人的环境的识别问题,机器人视觉是通过安装在移动机器人上的摄像头或者超声波红外等距离传感器来获取环境信息。
超声波与红外距离传感器在信号处理上对图像处理的数据较少,无论采用什么算法,其运算时间都可以忽略掉。
超声波传感器存在盲区,大约才10cm左右,但是其探测距离远,范围大;红外距离传感器无盲区,探测距离近,响应时间快于超声波传感器。
这两种传感器主要用于机器人自主避障。
使用时,一般来说超声波传感器用用移动速度快、体型大的机器人,红外线传感器用于速度小、体型小的机器人,也可结合使用。
3.3.1超声波的工作原理
市面上常见的超声波传感器多为开放型,其内部结构如图3-6所示,一个复合式振动器被灵活地固定在底座上。
该复合式振动器是由谐振器以及一个金属片和一个压电陶瓷片组成的双压电晶片元件振动器。
谐振器呈喇叭形,目的是能有效地辐射由于振动而产生的超声波,并且可以有效地使超声波聚集子啊振动器的中央部位。
当电压作用于压电陶瓷时,就会随电压和频率的变化产生机械变形。
另一方面,当振动压电陶瓷时,则会产生一个电荷。
利用这个原理,当给由两片压电陶
图3-6超声波传感器内部结构图
(a)超声波发射器;(b)超声波接收器
1-外壳;2-金属丝网罩;3-雏形共振罩;4-压电晶片;5-引线端子;6-阻抗匹配器。
个电信号,就瓷或一片压电陶瓷和一个金属片构成的振动器,所谓叫双压电晶片元件,施加一会因弯曲振动发射出超声波。
相反,当向双压电晶片元件施加超声波振动时,就会产生一个电信号。
基于以上作用,便可以将压电陶瓷用作超声波传感器。
本设计选用探头是40KHz的收发体式超声波传感器UCM40T。
3.3.2“视觉”方案的设计
正确的判断前方环境是机器人自主运行的重要条件,对于超声波传感器模块的安装放哪呢主要可分为固定式和摇头式两种。
第一种方案是把超声波模块固定安装在机器人前方,机器人移动时,如果前方有障碍物时能够立刻检测到,对于两侧的障碍物,机器人原地左右旋转进行障碍物检测。
第二章方案采用舵机,把超声波模块安装在舵机上,机器人移动时舵机左右摇摆,超声波模块随着前方左右方向不停的检测障碍物,从而使机器人沿着无障碍物的方向行走。
以上两种方案第一种方案,机器人行走是间断的,只能90°的旋向,但机器人行走稳定:
第二种方案机器人可以连续的行走,但如果没有精确滴控制转向,机器人容易摇摆。
根据超声波传感器测距原理发射波与反射波必须子啊同一条直线上或者夹角比较小时,测距才能成功。
当发射波与反射波之间的夹角过大时,超声波模块接收不到信号造成测距失败。
第一种方案下,由于机器人只能90°的旋转,在复杂的环境下,容易出现测距失败,造成机器人对环境的识别出现差错。
而第二章方案超声波测距模块视角较广,对环境的识别能力比较强,测距失败现象减少。
本设计中由于主芯片AT89S51功能引脚限制采用了第一种方案,对其容易出现的现象的解决办法可以采用在机器人两侧分别安装一个红外线传感器,红外线传感器具有电路结构简单,调试放别等优点。
可以根据红外线对两侧的障碍物的检测来控制机器人左右微旋,从而避开两个障碍物相撞。
3.4数码距离显示模块的
3.4.1障碍物距离计算原理
通过测量超声波经反射放大后到达接收端得时间与发射时间之差,实现距离测量,称为TOF(TimeofFlight)方法,也叫时间渡越法。
时间渡越法实现简单,被广泛的应用于声学测距系统。
工作过程如下:
首先利用单片机引脚P3.0口输出一个40KHz的触发信号,触发信号通过TRIG引脚输入到超声波测距模块,然后超声波发射器向某一方向发射超声波,与此同时单片机通过内部定时器/计数器T1清零后开始计时,超声波在空气中传播,途中碰到障碍物并返回发射波。
当接收器接收到反射波后通过产生一个回应信号并通过ECHO脚反馈给单片机P3.2口,使单片机立即停止时,于是获得超声波往返时间t。
由于超声波在空气中的传播速度v约为344m/s(20°),就可以计算出发射点距离障碍物的距离,即:
L=vt/2。
(因为本设计不做精确距离计算,空气温度对声速的影响较小,因此忽略该误差。
)
3.4.2数码管显示原理
数码管有一位、双位、四位等几种。
而不管将几位数码管连在一起,数码管和显示原理都是一样的,都是靠点亮内部的发光二极管发光。
数码管的内部电路结构如图所示:
从(a)可看出,一位数码管的引脚数是10个,显示一个8字需要7个小段,另外还有一个小数点,所以其内部一共有8个小的发光二极管,最后还有一个公共端,生产商为了封装统一,单位数码管都封装I0个引脚。
而它们的公共端又分为共阳极个共阴极。
上页图的(b)和(c)分别为共阳极和共阴极数码管的原理图。
本设计采用的数码管是4位共阴极数码管。
所谓“共阴”就是知其内部的8干扰法官二极管的阴极全部接在一起,而它们的阳极是独立的,通常在设计电路时一般把阴极接GND,当我们给数码管的人一个阳极加高电平时,对应的那个发光二极管就点亮了。
当使用多位一体数码管时,它们内部的公共端是独立的,而负责显示什么数字的段线全部都是连在一起的,独立的公共端可以控制多位数码管中哪一位点亮。
通常我们把公共端叫做“位选线”,连在一起的段线叫做“段选线”。
3.4.374LS573锁存器的应用
74HC673八进制3态非反转透明锁存器高性能硅门CMOS器件。
器件的输入是和标砖CMOS输出兼容的,加上拉电阻,它们能和LS/ALSTTL输出兼容。
当锁存使能端为高时,这些器件的锁存对于数据是透明的(也就是说输出同步)。
当锁存使能变低时,符合建立时间和保持时间数据会被锁存。
74HC573芯片特性如下:
输出能直接接到CMOS,NMOS和TTL接口上
操作电压范围:
2.0V~6.0V
低输入电流:
1.0μA
CMOS器件的高噪音低抗特性
其引脚如图3-7所示
图3-774HC573引脚
逻辑表如表3-3所示:
表3-374HC573逻辑表
输入
输出
输出使能
锁存使能
D
Q
L
H
H
H
L
H
L
L
L
L
X
不变
H
X
X
Z
X=不用关心
Z=高阻抗
3.5蜂鸣器分类
蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器,主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型。
蜂鸣器在电路中用字母“H”或“HA”(旧标准用“FM”、“LB”、“JD”等)表示。
从结构上分为压电式与电磁式蜂鸣器:
(1)压电式蜂鸣器:
压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器、压电蜂鸣片、阻抗匹配器及共鸣箱、外壳等组成。
有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管。
多谐振荡器由晶体管或集成电路构成。
在陶瓷片的两面镀上银电极,经极化和老化处理后,再与黄铜片或不锈钢片粘在一起。
(2)电磁式蜂鸣器:
电磁式蜂鸣器由振荡器、电磁线圈、磁铁、振动膜片及外壳等组成。
接通电源后,振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈,使电磁线圈产生磁场。
振动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下,周期性地震动发声。
从工作方式分为有源蜂鸣器与无源蜂鸣器:
(1)有源蜂鸣器:
有源蜂鸣器内置振荡电路,直接加电源可以正常发声,通常频率固定。
(2)无源蜂鸣器:
无源蜂鸣器内部不存在振荡电路,必须通过外部的正弦或方波信号驱动,直接加电源只能发出轻微的震动声。
由于本设计中的报警要求较简单,因此采用有源电磁式蜂鸣器。
3.5.1蜂鸣器电路设计
由于单片机I/O口不能直接驱动蜂鸣器,所以需要通过一个驱动电路来驱动。
如图3-8所示,Q1为驱动三极管,R7为限流电阻,通过单片机的P2.0口控制Q1的通断,当P2.0被置为高电平时三极管导通,蜂鸣器工作发音;当P2.0被置为低电平时三极管截止,蜂鸣器停止工作。
由于每次调用蜂鸣器工作时都采用“高电平-延时-低电平”循环函数,因此蜂鸣器每次工作时都发出“滴-滴-”的声音。
图3-8蜂鸣器报警电路
3.6功能键模块的设计
本设计中添加了两个按键,以方便设置障碍物距离,其目的是为了使移动机器人适应不同的工作环境。
S2和S3分别调用障碍物距离值的增加与减小。
其电路图如图3-9所示:
图3-9功能按键电路
3.7USB-ISP下载接口模块设计
为了给单片机烧录程序,如果设计的电路板上没有烧录模块,就不得不频繁的插拔单片机在开发板上进行程序的擦写,这样容易造成单片机引脚的折断。
为了方便程序擦写,采用了USB-ISP下载线,并在电路板上设计ISP接口模块,然后通过软件avr_fighter进行程序的擦写。
USB-ISP下载线基本原理是ATMEGA8芯片进行USB串口协议的软件模块和ISP接口下载。
ISP十针接口与单片机引脚要一一对应,其中ISP十针接口定义如图所示:
电路板设计如图3-10所示:
图3-10ISP接口
3.8电源模块的设计
家用服务机器人的供电模块是一块Ni-Cd充电电池,它具有低成本、循环寿命长、无污染、安全性能好、温度使用范围广的特点。
它的容量为2000mAh,最高输出电压7.2,有很强的续航能力。
如果直流电动机启动时产生的电压波动过大就会严重影响单片机的正常工作,而设计中选用的电源本身电压就不是很大不会对单片机造成太大的影响,因此采用一组电源供电。
如图3-11所示:
电源同坐三端稳压器7805稳压后给单片机和超声波模块等其他电路供电,外考虑到模块间的相互干扰问题,在电路中添加隔离措施,这样可以有效的解决后向通道会对单片机最小系统以及前向通道产生干扰问题,提高了系统的稳定性。
电路中的滤波电容多电源的电压纹波与电动机启动时产生的尖峰脉冲、噪音和电磁干扰起着抑制作用。
图3-11电源模块电路图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 家用 服务 机器人 电路设计