智能尋跡避障小車系統(tǒng)硬件設計.ppt

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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)技術學院信息工程系,1.1 電機控制電路,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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,

2、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)技術學院信息工程系,1、引腳功能說明,表11 L293D引腳功能說明,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,2、內(nèi)部結(jié)構圖,1.3 L293D內(nèi)部結(jié)構圖,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,3、邏輯圖,1.4 L293D邏輯圖,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,4、真值表,表12 L293D真值表,5、 功能描述,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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)

3、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TTL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用。,1.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術學

4、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，所以稱之為“ H 橋驅(qū)動”。4個開關所在位置就稱為“橋臂”。 從電路中不難看出，假設開關A、D接通，電機為正向轉(zhuǎn)動，則開關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個開關還可以產(chǎn)生電機的另外2個工作狀態(tài)：,1

5、.1.3 直流電機H橋驅(qū)動電路,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,（1） 剎車 將B 、D開關（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。 （2） 惰行 4個開關全部斷開，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)在市面上有

6、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。 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

7、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)射對管等元器件構成。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

8、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 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)技術學院信息工程系,4.1.1 數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構及封裝圖,（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)技術學院信息工程系,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，ag為數(shù)字或字符顯示段，h段為

9、小數(shù)點顯示，通過ag為7個發(fā)光段的不同組合，可以顯示09和AF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)技術學院信息工程系,LED可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構，如圖4.1（b）和（c）所示。其中圖（b）為共陰極結(jié)構。即把8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這時如果需要點亮ag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。其顯示端輸入

10、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、字母與顯示代碼之間的對應關。,表4-1 顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應關系,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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應的顯示字符。這種電路的優(yōu)

11、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。,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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

12、.1 聲控電路設計,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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及話筒構成，其中 R3、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)技術學院信息工程系,集電極輸出一個高

13、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 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)技術學院信息工程系,報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

14、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)技術學院信息工程系,7.1.1 LED彩燈電路圖,圖7.1 LED彩燈控制電路,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,LED彩燈控制電路由發(fā)光二極管D1D8 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

15、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。,7.1.2 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

16、接口電路也必須要進行電平轉(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“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

17、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)技術學院信息工程系,8.1.3 MAX232芯片內(nèi)部結(jié)構圖,圖8.2 MAX232C芯片的結(jié)構原理圖,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,MAX232芯片是Maxim公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)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 M

18、AX232芯片工作原理,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,圖8.2中上半部分電容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0.1F。電容C1、C2、C3、C4都選用鉭電解電容，電容值為1.0F（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、T2O

19、UT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)技術學院信息工程系,智能循跡機器人采用現(xiàn)在較為流行的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

20、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)部代碼完成機器人的避

21、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)技術學院信息工程系,兩個

22、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

23、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。,10.1 系統(tǒng)整體電路原理介紹,湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系,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”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

24、,(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) 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

25、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：P20.7 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

26、的。 在原理圖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 Target 1,(2)選擇Debug選項卡，再選擇Proteus VSM Simulator,Keil與Proteus聯(lián)調(diào)(Proteus設置),選上Use Remote Debug Monitor,經(jīng)過兩步設置后，在Keil進入調(diào)試狀態(tài)，就可以在Proteus顯示結(jié)果了,