导购机器人电路部分.docx

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导购机器人电路部分

3.3电路部分

3.3.1电路总体框图：

计

算

机

外围电路

单

片

机

移动系统

摄像头

机械臂系统

功能

实现

传（加速度传感器）

感（超声波传感器）

器（电子罗盘）

传送带系统

3.3.2电源电路：

鉴于这次的机械部分较为复杂，简化后可以将电源分为三部分。

其一，是为传感器，单片机这类低功耗器件提供电力的电源；其二，是为机器人下部的移动部分以及机械臂牵引绳子的部分提供电力的电源；其三，是在机器人上部平台处提供机械臂丝杠部分以及传送带部分电力的电源。

这三处电源我们决定采用一个三端子稳压器变压来给低功耗器件提供电力，其余电机的可以使用两个电池分别在机器人的上，下方供电。

正电压输出的78系列的三端稳压集成电路输出的电压范围是5V~24V，可以在选购时挑选出符合需求的规格

下图为TO-200封装的78系列恒压电路芯片

从左至右三个针脚依次对应INPUT，COMMON以及OUTPUT

下图为下位7805（输出电压为5V）原理图：

3.3.3控制电路：

由于传感器的数目和种类较多，运算较为复杂，所以我们决定采用计算机与单片机联合控制的方法。

计算机方面，我们将把诸多传感器（超声波，加速度等）所得到的信息传递给计算机，由计算机程序得出最优算法，并传递给单片机。

具体的算法实现过程见程序部分。

单片机方面，根据往年的经验及性价比，可以采用基于增强的AVRRISC结构的ATmega16单片机。

下图为ATmega16单片机的引脚图：

相对于其他的单片机，ATmega16具有高性能，低功耗的特点。

它具有先进的RISC结构，以及非易失的程序和数据存储器。

它的内核具有丰富的指令集以及32个通用工作寄存器，工作于16MHz时，性能高达16MPS，大大提高了代码效率。

同时它具有32个可编程的I/O口，完全可以满足本次机器人的设计需求。

3.3.4移动系统：

由于机器人的行进过程较为复杂，转向和定位需要精确，所以应当采用直流伺服电机，并相应的要求电机的功率放大器具有良好的电压调节特性。

现在最常用的功率放大器为桥式PWM功放电路，及H型功放电路。

下图为双极性桥式PWM晶体管放大器的结构图：

由左图可以看出，H型结构的晶体管按Q1、Q4，Q2、Q3配对工作。

Q1、Q4导通则Q2、Q3截止，反之Q2、Q3导通则Q1、Q4截止。

实际工作时，要靠在晶体管上施加不同的占空比的脉冲信号来控制电机的正反转。

显然两路不能同时导通，故若Q1、Q4的导通时间比Q2、Q3长，则电机正传，反之则电机反转，导通时间相等则电机停止不动，从而实现对电机的控制。

而市场上最常见的基于H型功放电路的驱动芯片就是L298N驱动芯片了。

L298N内含两个H桥的高电压大电流双桥式驱动器，可以驱动46V、2A以下的电机。

下图为采用15脚Multiwatt封装的L298N的管脚示意图：

其中，2、3脚，13、14脚可分别输出控制两个直流电机，5、7脚，10、12脚可由单片机向驱动芯片输入控制信号，从而对两个电机进行控制。

下图为其使能、输入引脚、输出引脚的逻辑关系。

3.3.5机械臂部分

由于丝杆部分需要完成推进的任务，需要很高的精度，并且不需要很高的速度，所以采用混合式步进电机来作为丝杆滑台移动的动力。

步进电机驱动的速度和位移大小，可由电气控制系统发出的脉冲数加以控制。

由于步进电机的位移量与脉冲数严格成正比，故步进电机驱动可以达到较高的重复定位精度。

由于步进电机的步距或转速不受电压波动和负载变化的影响，不受环境（温度、压力等）的限制，仅与脉冲频率同步，能按控制脉冲的要求立即启动、停止、翻转或改变转速，它每一转都有固定的步数，在不丢步的情况下运行时，步距误差不会长期积累，所以十分适合完成写字这种精度较高的工作。

下图为混合式步进电动机剖面图：

在考虑承重的条件下，我们选用57BYGH56型电机，它可以提供一个较为合适的移动速度。

下图为57BYGH56型电机及其参数：

机身长56mm

重量0.7kg

转动惯量300g.cm2

静扭矩12.6kg.cm

相电流2.8A

步距脚1.8。

3.3.6传感器电路

3.3.6.1超声波传感器

机器人在行进过程中需要识别障碍物以及人的位置与自身的距离，所以需要超声波传感器来测距。

下图为超声波传感器实物图：

超声波感应器的原理比较简单，向传感器输入至少10us的高电平信号，模块会自动发送8个40kHz的方波，自动检测是否有信号返回，若有信号返回，通过I/O输出一高电信号，高电平信号持续时间及时超声波从发射到返回的时间，这样就可以得出测试距离S=（高电平时间*声速）/2.

超声波传感器的主要参数为

使用电压：

DC5V

静态电流：

小于2mA

电平输出：

高5V

电平输出：

低0V

感应角度：

不大于15度

探测距离：

2cm-450cm

高精度可达0.2cm

由参数可以看出，超声波感应器完全可以胜任探测机器人与障碍和人之间距离并调整的任务。

3.3.6.2加速度传感器

在这次制作过程中采用加速度传感器（带陀螺仪）的作用在于测算机器人走过的路径以判断机器人所在位置并获知机器人位姿朝向。

下图为加速度传感器的实物图：

加速度传感器的工作原理简单来说就是由于加速度产生某个介质产生变形，通过测量其变形量并用相关电路转化成电压输出。

规格如下：

使用芯片：

MPU-6050

供电电源：

3-5v（内部低压差稳压）

通信方式：

标准IIC通信协议

芯片内置16bitAD转换器,16位数据输出

陀螺仪范围：

±25050010002000 °/s

加速度范围：

±2±4±8±16g   

采用沉金PCB,机器焊接工艺保证质量

引脚间距2.54mm

可以看出，该型号的加速度传感器可以满足机器人的需求。

3.3.6.3电子罗盘

使用电子罗盘的目的在于时刻找到某一确定的正方向，使得机器人能够在需要校准方向时不至于出错，同时配合加速度传感器可以时刻定位机器人的位置与朝向。

下图为电子罗盘的实物图：

三维电子罗盘由三维磁阻传感器、双轴倾角传感器和MCU构成。

三维磁阻传感器用来测量地球磁场，倾角传感器是在磁力仪非水平状态时进行补偿；MCU处理磁力仪和倾角传感器的信号以及数据输出和软铁、硬铁补偿。

该磁力仪是采用三个互相垂直的磁阻传感器，每个轴向上的传感器检测在该方向上的地磁场强度。

向前的方向称为x方向的传感器检测地磁场在x方向的矢量值；向左或Y方向的传感器检测地磁场在Y方向的矢量值；向下或Z方向的传感器检测地磁场在Z方向的矢量值。

每个方向的传感器的灵敏度都已根据在该方向上地磁场的分矢量调整到最佳点，并具有非常低的横轴灵敏度。

传感器产生的模拟输出信号进行放大后送入MCU进行处理。

磁场测量范围为±2Gauss。

通过采用12位A/D转换器，磁力仪能够分辨出小于1mGauss的磁场变化量，我们便可通过该高分辨力来准确测量出200-300mGauss的X和Y方向的磁场强度，不论是在赤道上的向上变化还是在南北极的更低值位置。

总体来讲，电子罗盘的主要特点有：

1．三轴磁阻效应传感器测量平面地磁场，双轴倾角补偿。

2．高速高精度A/D转换。

3．内置温度补偿，最大限度减少倾斜角和指向角的温度漂移。

4．内置微处理器计算传感器与磁北夹角。

5．具有简单有效的用户标校指令。

6．具有指向零点修正功能。

我们决定采用的是HMC5883L数字罗盘Honeywell数字输出三轴磁阻传感器

规格为：

数字量输出：

2C数字量输出接口，设计使用非常方便。

尺寸小:

 3x3x0.9mm LCC封装，适合大规模量产使用。

精度高：

1－2度，内置12位A/D,OFFSET, SET/RESET电路，不会出现磁饱和现象，不会有累加误差。

支持自动校准程序，简化使用步骤，终端产品使用非常方便。

内置自测试电路，方便量产测试，无需增加额外昂贵的测试设备。

功耗低：

供电电压1.8V,功耗睡眠模式--2.5微安测量模式--0.1mA

可以满足机器人的设计需求。