智能尋跡避障小車系統(tǒng)硬件設計

1、智能尋跡小車設計與制作（硬件電路設計）,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,,主講：雷道仲,要點,電機控制電路設計尋跡電路設計避障電路設計顯示電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,根據(jù)系統(tǒng)設計方案可知，智能尋跡小車主要由以下幾個模塊電路構(gòu)成,要點,聲控電路設計報警電路設計LED彩燈控制電路設計系統(tǒng)整體電路設計系統(tǒng)整體原理介紹Proteus軟件使用介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,1.1 電機控制電路,湖南信息職業(yè)技

2、術(shù)學院信息工程系,1.1.1 電機控制原理電路,1.1 電機控制原理電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,1.1.2 驅(qū)動芯片L293D工作原理,1、引腳功能說明,1.2 L293D封裝及引腳排列,引腳功能如下表所示：,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,1、引腳功能說明,表1—1 L293D引腳功能說明,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,1.3 L293D內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,3、邏輯圖,1.4

3、 L293D邏輯圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4、真值表,表1—2 L293D真值表,5、 功能描述,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,L293D四倍高電流H橋驅(qū)動程序。 L293是提供雙向驅(qū)動電流高達1 A，電壓是從4.5 V至36 V的；L293D提供雙向驅(qū)動電流高達600毫安，電壓是從4.5 V至36 V的。兩個設備是專為驅(qū)動等感性負載繼電器，電磁閥，直流雙極步進和馬達，也可以給其他高電流/高電壓提供電源負載。兼容所有的TT

4、L輸入。每個輸出都是推拉式驅(qū)動電路，與達林頓三極管和偽達林源。,5、 功能描述,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,啟用1,2 EN驅(qū)動器和3,4 EN驅(qū)動器。當使能輸入為高電平時，相關(guān)聯(lián)的驅(qū)動器被啟用和他們的輸出處于活動狀態(tài)，并在其輸入端的同相。當使能輸入為低，這些驅(qū)動器被禁用其輸出關(guān)閉，在高阻抗狀態(tài)1,2EN為1和2的使能端（高電平使能）；3,4EN同理。用適當?shù)臄?shù)據(jù)輸入端，每對驅(qū)動程序的形式一個完整的H橋可逆驅(qū)動器適用于電磁閥或電機應

5、用。,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,本設計中直流電機H橋驅(qū)動電路由上述所介紹的驅(qū)動芯片L293D完成，在L293D內(nèi)部形成一個H橋型的驅(qū)動驅(qū)動電路，類似如圖1.5所示。,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,1.5 H橋驅(qū)動電機電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,從圖中可以看出，其形狀類似于字母“H”，而作為負載的直流電機是像“橋”一樣架在上面的，所以稱之

6、為“ H 橋驅(qū)動”。4個開關(guān)所在位置就稱為“橋臂”。 從電路中不難看出，假設開關(guān)A、D接通，電機為正向轉(zhuǎn)動，則開關(guān)B、C接通時，直流電機將反向轉(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)了電機的正反向驅(qū)動。借助這4個開關(guān)還可以產(chǎn)生電機的另外2個工作狀態(tài)：,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,（1） 剎車 —— 將B 、D開關(guān)（或A、C）接通，則電機慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用

7、。 （2） 惰行 —— 4個開關(guān)全部斷開，則電機慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉(zhuǎn)動較長時間。,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,細分下來，晶體管有雙極性和MOS管之分，而集成電路（例如L293D）只是將它們集成而已，其實質(zhì)還是這兩種晶體管，只是為了設計、使用方便、可靠而做成了一塊電路。 實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，現(xiàn)在

8、市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,2.1 尋跡電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,2.1.1 尋跡電路原理圖,2.1 尋跡電路原理圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,本車紅外對管設計是紅外發(fā)射管一直發(fā)射信號，接收管時刻準備接收信號。

9、兩對對著地的紅外管發(fā)射紅外信號，信號在白色的地面上反射回接收管，通過接收管把信號送回單片機進行處理，完成相應的動作。 假如在黑色的地面上，信號被地面吸收，就無信號返回，單片機檢測到無信號，根據(jù)程序也會做出相應的動作。,2.1.2 尋跡電路原理,3.1 避障電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,3.1.1 避障原理圖,3.1 避障電路原理圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,避障電路由單片機、比較芯片L393、紅外發(fā)射

10、對管等元器件構(gòu)成。電路工作過程如下：首先，比較芯片的2腳為比較基準電壓輸入，該引腳通過電源串聯(lián)分壓，取得一個大約2.5V基準電壓作為比較電壓。比較芯片的3腳為比較電壓的輸入端，該電壓取之反饋回來的紅外信號。當小車前進過程中，前方無障礙，則紅外,3.1.2 避障電路原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,接收管的阻值會很大，從而輸出一個高電平（約5V）給比較芯片的3腳，這樣經(jīng)過比較芯片的比較，在比較芯片的2腳輸出一個高電

11、平給單片機P3.7引腳。單片機根據(jù)接收到的電平就可以判別前方有無障礙。當前方有障礙時V2的阻值會很小，輸出低電平給比較芯片的3腳，比較芯片從而輸出低電平給單片機P3.7。,3.1.2 避障電路原理,4.1 顯示電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4.1.1 數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封裝圖,,（a）引腳分布圖 （b）共陰數(shù)碼管 （c）共陽數(shù)碼管圖4.1 八段數(shù)碼管顯示塊,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程

12、系,LED顯示器又稱為數(shù)碼管，它主要由8段發(fā)光二極管組成，如圖4.1（a）所示。圖4.1（a）中，a～g為數(shù)字或字符顯示段，h段為小數(shù)點顯示，通過a～g為7個發(fā)光段的不同組合，可以顯示0～9和A～F共16個數(shù)字和字母。例如，當a、b、g、e、d段亮時，顯示數(shù)字“2”，當a、f、e、g段亮時，則顯示字母“F”。,4.1.2 數(shù)碼管顯示工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,LED可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如圖4.1（b）和（c）

13、所示。其中圖（b）為共陰極結(jié)構(gòu)。即把8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這時如果需要點亮a～g中的任何一盞燈，則只需要在相應端輸入高電平即可；輸入低電平則截止。比如我們現(xiàn)在要顯示數(shù)字“3”，則只要在對應的a、b、c、d、g段送入高電平，在其他端送入低電平即可，點亮為“3”。圖（c）為共陽極結(jié)構(gòu)。其顯示端輸入低電平有效，高電平截止。,4.1.2 數(shù)碼管顯示工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,表4-1列出了共陽極與共陰極LED顯示器顯示數(shù)字

14、、字母與顯示代碼之間的對應關(guān)。,表4-1 顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應關(guān)系,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4.1.3 數(shù)碼管顯示方式,點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示；二是動態(tài)顯示。（本設計采用靜態(tài)顯示。）所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。如圖4.2所示為4位靜態(tài)LED顯示器電路。該電路每一位可單獨顯示。只要在要顯示的那位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持顯示相

15、應的顯示字符。這種電路的優(yōu)點是：在同一瞬間可以顯示不同的字符；但缺點就是占用端口資源較多。從圖4.2可以看出，,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4.1.3 數(shù)碼管顯示方式,每位LED顯示器需單獨占用8根端口線。因而，在數(shù)據(jù)較多時往往不采用此種設計，而是采用動態(tài)顯示方式。 所謂動態(tài)顯示，就是將要顯示的多位LED顯示器采用一個8位的段選端口，然后采用動態(tài)掃描方式一位一位地輪流點亮各位顯示器。如圖4.3所示為4位LED動態(tài)顯示電路。,

16、湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4.1.3 數(shù)碼管顯示方式,,圖4.2 4位靜態(tài)LED顯示器電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,4.1.3 數(shù)碼管顯示方式,,圖4.3 4位動態(tài)LED顯示器電路,,5.1 聲控電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,5.1.1 聲控電路圖,圖5.1 聲控電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,聲控電路由晶體三極管V3(S8050)、電阻R3、R4、 R5、 R6、C1及話筒構(gòu)成，其中R3、

17、R4、 R6及三極管V3組成分壓式共射放大電路。具體工作過程如下：當平時沒有聲音對準話筒時，晶體三極管的基極電壓（UBQ）由電源經(jīng)電阻R3、R4串聯(lián)分壓，由于R3的阻值遠小于R4的阻值，因此，三極管的基極獲得一個比較小的電壓（約0.6V），故基本處于臨界截止狀態(tài)，因此在三極管的,5.1.2 聲控電路工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,集電極輸出一個高電平送給單片機的P0.4端口；當由聲音對準話筒時，該聲音轉(zhuǎn)換成電

18、信經(jīng)C1耦合到放大電路基極，使晶體三極管處于放大狀態(tài)，此時V3的集電極由于三極管的導通作用被嵌位成低電平傳給單片機的P0.4端口。單片機根據(jù)采集到高、低電平來判斷需不需要作出相應處理。例如：有聲音時可以使小車后退，沒聲音時，小車前進。這個可以根據(jù)實際需求設計。,5.1.2 聲控電路工作原理,6.1 報警電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,6.1.1 報警電路圖,圖6.1 報警電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,報

19、警電路由晶體三極管V1(S8550)、電阻R2以及蜂鳴器SB1組成。當電路平時不需要發(fā)聲報警時，單片機的P0.6端口輸出一個高電平，使晶體三極管截止，蜂鳴器因此不發(fā)聲。當需要發(fā)聲報警時，便編程控制從P0.6輸出一定頻率的方波或矩形波，使V1在導通與截止兩種狀態(tài)切換，從而蜂鳴器發(fā)出不同的聲音。,6.1.2 報警電路工作原理,7.1 LED彩燈電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,7.1.1 LED彩燈電路圖,圖7.1

20、LED彩燈控制電路,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,LED彩燈控制電路由發(fā)光二極管D1—D8以及限流電阻R16、R18、 R19、R20、 R22、R23、 R24、R26組成。其中八只發(fā)光二極管的陽極經(jīng)限流電阻接電源、陰極接單片機的P1口的八個端口。從彩燈連接方式可知，要使發(fā)光二極管點亮則只需要使單片機的P1口輸出低電平即可，反之，如果要使燈熄滅，則P1端口輸出高電平即可。設計者可以根據(jù)任務需求編程進行控制。,7.1.

21、2 彩燈電路工作原理,8.1 232串行下載電路設計,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,8.1.1 232串行下載電路圖,,圖 8.1 232串行下載電路圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,在單片機與PC機通信時，接口電路必須要進行電平轉(zhuǎn)換，因為PC機采用的是RS232標準，而單片機采用的是TTL標準，這是其一。第二是單片機與單片機之間的串行通信如果采用直接傳輸信息，其傳輸距離一般不超過1.5m，若要實現(xiàn)更遠距離的通信，則接口電路也

22、必須要進行電平轉(zhuǎn)換。,8.1.2 RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,RS232標準是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的邏輯“1”電平是-5V－-15V，邏輯“0”電平是+5V－+15V。TTL（Tansistor-Transistor Logic），是指三極管－三極管邏輯電路。它規(guī)定：邏輯“0”：<0.4V；邏輯“

23、1”：+3 V～+5 V 。 因此，RS-232不能和TTL電平直接相連，使用時必須進行電平轉(zhuǎn)換，否則將使TTL電路燒壞，為了讓單片機與PC機能相互通信，必須讓這兩種電平相互轉(zhuǎn)換。,8.1.2 RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,8.1.3 MAX232芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖,,圖8.2 MAX232C芯片的結(jié)構(gòu)原理圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,MAX232芯片是Maxim公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)

24、動器的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源就可以了。對于沒有±12V電源的場合，其適用性更強。加之其價格適中，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,圖8.2中上半部分電

25、容C1、C2、C3、C4及V?、V?是電源變換部分。在實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，VCzC需要對地加去耦電容C5，其值為0.1?F。電容C1、C2、C3、C4都選用鉭電解電容，電容值為1.0?F（耐壓值高于16V），可以提高抗干擾能力。連接時電容必須盡量靠近器件，注意極性。,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,下半部分為發(fā)送和接收部分。實際應用中，T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT

26、可分別連接TTL/CMOS電平的51單片機的串行發(fā)送端TXD和接收端RXD；T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN分別連接至RS-232電平的PC串行接收端和發(fā)送端。從計算機串行口輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)MAX232C電平轉(zhuǎn)換后送給單片機STC89C52，,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,9.1 系統(tǒng)整體電路圖,,,9.1 智能尋跡小車原理圖,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,智能循跡機器人采用現(xiàn)在較為流

27、行的8位單片機——STC89C52作為系統(tǒng)大腦。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全IO（GPIO-通用輸入輸出）端口，通過對這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成循跡機器人。 P0.0，P0.1,P0.2,P0.3分別通過L293D電機驅(qū)動來驅(qū)動電機1和電機2。由電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來完成機器人的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，遇障礙物繞行，避懸崖等基本動作。,10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)

28、學院信息工程系,在機器人前進時如果前方有障礙物，由紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外信號被反射給紅外接收管，紅外接管將此信號經(jīng)過P3.7傳送入STC89C52中，主芯片通過內(nèi)部的代碼進行機器人的繞障礙物操作，同時主芯片將P3.7的信號狀態(tài)通過P2.5的LED指示燈顯示出來。機器人行走時會通過P3.5與P3.6的紅外接收探頭來進行檢測。當走到懸崖處時，P3.5或P3.6將收到一個電平信號，此電平信號將通過相應端口傳送入主芯片中，主芯片通過內(nèi)部代碼完成機

29、器人的避懸崖操作。,10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,同時P3.5與P3.6的信號狀態(tài)將通過P2.6/P2.7顯示出來。在機器人的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退的過程，可以通過觀看以P2.0/P0.7為指示燈的運行狀態(tài)。P0.4為機器人的聲控檢測端口，在運行為前進狀態(tài)時，可以通過聲控(如拍手聲)來控制它的運行與停止。P0.6為機器人的聲音輸出端。在機器人遇到障礙物時。進行繞障礙物與避懸崖時可以通過此端口控制蜂鳴器發(fā)出警

30、報聲。當為白天或黑夜時可以通過P0.5端口中的光敏電阻來進行判斷，以方便完成機器人夜間自動照明功能。,10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,兩個按鍵以查詢/中斷兩種不同方式來展現(xiàn)按鍵操作。你可以按下S1鍵來進行機器的停止。再按下S2鍵來進行機器人的運行。這個按鍵信息分別被P3.2，P3.4接收到。IR1為紅外遙控接收器，這就為機器人進行遠程遙控創(chuàng)造了可能。這個紅外遙控接收頭接收到紅外信號時將信號進過P3.3送

31、入到主芯片，主芯片對其進行解密后以不同的方式對機器人進行控制。同時將用戶的按鍵信息通過P2端口上的LED數(shù)碼管顯示出來。,10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,P3.0、P3.1中COM端口的加入，讓你完全可以用電腦對其進行控制。你可以通過對串口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會被顯示到LED數(shù)碼管中，并讓機器人執(zhí)行相應的功能。電腦的串口軟件要求波特率為9600.8位數(shù)據(jù)位，這時你就可以快樂的用電腦來對它進行你的完全控制了。,

32、10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術(shù)學院信息工程系,從“教學在線”下載七個壓縮包，解壓到任意文件夾內(nèi)雙擊ISIS 7啟動軟件。,11.1 Proteus軟件使用介紹,軟件安裝與啟動,軟件界面預覽,原理圖編輯區(qū),,工具類別區(qū),對象列表區(qū),選擇元件,Proteus提供很多元件。要使用元件，必須先把元件選取到對象選擇區(qū)。單擊Component Mode按鈕單擊Pick From Libraries按鈕彈出“元件

33、”窗口,選擇元件,(1)選擇元件所屬大類別,(2)選擇元件所屬小類別,(3)雙擊需要使用的元件,選擇元件,為加快查找速度，可以在此輸入元件的關(guān)鍵字,常用元件對照表,繪制原理圖,(1)單擊要使用的元件,(2)在編輯區(qū)內(nèi)單擊一次，然后移動鼠標到合適位置，再單擊一次即可,放置電源及地線,(1)單擊Terminals Mode,POWER為電源GROUND為地線,旋轉(zhuǎn)元件,(1)在需要旋轉(zhuǎn)的元件上單擊右鍵(2) 順時針旋轉(zhuǎn)90度(3

34、) 逆時針旋轉(zhuǎn)90度(4) 旋轉(zhuǎn)180度,元件之間連線,把電阻和電容連接起來。(1) 把光標移動到電阻的一端，待出現(xiàn)紅色小框后，單擊左鍵。(2) 移動光標到電容的一端，單擊左鍵就可以了。,在需要轉(zhuǎn)折的地方單擊左鍵。,元件之間連線－－畫折線,使用總線,(1)單擊Buses Mode按鈕,(2)在要畫總線的起點單擊左鍵,(3在總線結(jié)束點雙擊左鍵,把單根線與總線聯(lián)接,(1)在起點單擊左鍵,(2)移動光標到總線上單擊

35、一次,給總線加上網(wǎng)絡標號,(1)單擊Wire Label Mode按鈕,(2)移動光標到總線上，待總線上出現(xiàn)紅色虛線時單擊一次左鍵，會彈出一個對話框,給總線加上網(wǎng)絡標號,在此輸入總線的名稱。注意格式：P2[0..7]要用兩個小數(shù)點,給與總線相連的元件加網(wǎng)絡標號,把光標移動到連線上，待出現(xiàn)紅色虛線時單擊左鍵,給與總線相連的元件加網(wǎng)絡標號,在下拉列表中選擇需要連接的總線,放大與縮小原理圖,Proteus原理圖區(qū)是沒有滾動條的。在原理圖

36、片移動鼠標中間滾輪可以放大和縮小原理圖。,單擊綠色框，移動鼠標則可改變原理區(qū)顯示的內(nèi)容。再單擊一次則退出。,給CPU裝上程序,雙擊單片機芯片,給CPU裝上程序,單擊文件夾按鈕，選擇Keil生成的HEX文件即可,給CPU裝上程序,單擊文件夾按鈕，選擇Keil生成的HEX文件即可,仿真運行程序,開始仿真,暫停,停止,Keil與Proteus聯(lián)調(diào)(Keil設置),(1)右鍵單擊Target 1，選擇Options for target ‘Ta