智能寻迹避障小车系统硬件设计(最终版).ppt

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1、智能寻迹小车设计与制作（硬件电路设计）,湖南信息职业技术学院信息工程系,辅讲：蒲 茂,主讲：雷道仲,要点,电机控制电路设计寻迹电路设计避障电路设计显示电路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,根据系统设计方案可知，智能寻迹小车主要由以下几个模块电路构成,要点,声控电路设计报警电路设计LED彩灯控制电路设计系统整体电路设计系统整体原理介绍Proteus软件使用介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,1.1 电机控制电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,电机控制原理电路,1.1 电机控制原理电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,驱动芯片L293D工作原理,1、引脚功能说明,1.2 L293D封装及引

2、脚排列,引脚功能如下表所示：,湖南信息职业技术学院信息工程系,1、引脚功能说明,表11 L293D引脚功能说明,湖南信息职业技术学院信息工程系,2、内部结构图,1.3 L293D内部结构图,湖南信息职业技术学院信息工程系,3、逻辑图,1.4 L293D逻辑图,湖南信息职业技术学院信息工程系,4、真值表,表12 L293D真值表,5、功能描述,湖南信息职业技术学院信息工程系,L293D四倍高电流H桥驱动程序。L293是提供双向驱动电流高达1 A，电压是从4.5 V至36 V的；L293D提供双向驱动电流高达600毫安，电压是从4.5 V至36 V的。两个设备是专为驱动等感性负载继电器，电磁阀，直

3、流双极步进和马达，也可以给其他高电流/高电压提供电源负载。兼容所有的TTL输入。每个输出都是推拉式驱动电路，与达林顿三极管和伪达林源。,5、功能描述,湖南信息职业技术学院信息工程系,启用1,2 EN驱动器和3,4 EN驱动器。当使能输入为高电平时，相关联的驱动器被启用和他们的输出处于活动状态，并在其输入端的同相。当使能输入为低，这些驱动器被禁用其输出关闭，在高阻抗状态1,2EN为1和2的使能端（高电平使能）；3,4EN同理。用适当的数据输入端，每对驱动程序的形式一个完整的H桥可逆驱动器适用于电磁阀或电机应用。,直流电机H桥驱动电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,本设计中直流电机H桥驱动电路由

4、上述所介绍的驱动芯片L293D完成，在L293D内部形成一个H桥型的驱动驱动电路，类似如图1.5所示。,直流电机H桥驱动电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,1.5 H桥驱动电机电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,从图中可以看出，其形状类似于字母“H”，而作为负载的直流电机是像“桥”一样架在上面的，所以称之为“H 桥驱动”。4个开关所在位置就称为“桥臂”。从电路中不难看出，假设开关A、D接通，电机为正向转动，则开关B、C接通时，直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这4个开关还可以产生电机的另外2个工作状态：,直流电机H桥驱动电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,（1）刹车 将

5、B、D开关（或A、C）接通，则电机惯性转动产生的电势将被短路，形成阻碍运动的反电势，形成“刹车”作用。（2）惰行 4个开关全部断开，则电机惯性所产生的电势将无法形成电路，从而也就不会产生阻碍运动的反电势，电机将惯性转动较长时间。,直流电机H桥驱动电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,细分下来，晶体管有双极性和MOS管之分，而集成电路（例如L293D）只是将它们集成而已，其实质还是这两种晶体管，只是为了设计、使用方便、可靠而做成了一块电路。实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠

6、。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。,直流电机H桥驱动电路,2.1 寻迹电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,2.1.1 寻迹电路原理图,2.1 寻迹电路原理图,湖南信息职业技术学院信息工程系,本车红外对管设计是红外发射管一直发射信号，接收管时刻准备接收信号。两对对着地的红外管发射红外信号，信号在白色的地面上反射回接收管，通过接收管把信号送回单片机进行处理，完成相应的动作。假如在黑色的地面上，信号被地面吸收，就无信号返回，单片机检测到无信号，根据程序也会做出相应的动作。,2.1.2 寻迹电路原理,3.1 避障电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,3.1.1

7、避障原理图,3.1 避障电路原理图,湖南信息职业技术学院信息工程系,避障电路由单片机、比较芯片L393、红外发射对管等元器件构成。电路工作过程如下：首先，比较芯片的2脚为比较基准电压输入，该引脚通过电源串联分压，取得一个大约2.5V基准电压作为比较电压。比较芯片的3脚为比较电压的输入端，该电压取之反馈回来的红外信号。当小车前进过程中，前方无障碍，则红外,3.1.2 避障电路原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,接收管的阻值会很大，从而输出一个高电平（约5V）给比较芯片的3脚，这样经过比较芯片的比较，在比较芯片的2脚输出一个高电平给单片机P3.7引脚。单片机根据接收到的电平就可以判别前方有无障碍

8、。当前方有障碍时V2的阻值会很小，输出低电平给比较芯片的3脚，比较芯片从而输出低电平给单片机P3.7。,3.1.2 避障电路原理,4.1 显示电路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,4.1.1 数码管内部结构及封装图,（a）引脚分布图（b）共阴数码管（c）共阳数码管图4.1 八段数码管显示块,湖南信息职业技术学院信息工程系,LED显示器又称为数码管，它主要由8段发光二极管组成，如图4.1（a）所示。图4.1（a）中，ag为数字或字符显示段，h段为小数点显示，通过ag为7个发光段的不同组合，可以显示09和AF共16个数字和字母。例如，当a、b、g、e、d段亮时，显示数字“2”，当a、f、e、g

9、段亮时，则显示字母“F”。,4.1.2 数码管显示工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,LED可以分为共阴极和共阳极两种结构，如图4.1（b）和（c）所示。其中图（b）为共阴极结构。即把8个发光二极管阴极连在一起。这时如果需要点亮ag中的任何一盏灯，则只需要在相应端输入高电平即可；输入低电平则截止。比如我们现在要显示数字“3”，则只要在对应的a、b、c、d、g段送入高电平，在其他端送入低电平即可，点亮为“3”。图（c）为共阳极结构。其显示端输入低电平有效，高电平截止。,4.1.2 数码管显示工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,表4-1列出了共阳极与共阴极LED显示器显示数字、字母与显

10、示代码之间的对应关。,表4-1 显示器显示数字、字母与显示代码之间的对应关系,湖南信息职业技术学院信息工程系,4.1.3 数码管显示方式,点亮LED显示器有两种方式：一是静态显示；二是动态显示。（本设计采用静态显示。）所谓静态显示，就是当显示器显示某一个字符时，相应的发光二极管恒定地导通或截止。如图4.2所示为4位静态LED显示器电路。该电路每一位可单独显示。只要在要显示的那位的段选线上保持段选码电平，该位就能保持显示相应的显示字符。这种电路的优点是：在同一瞬间可以显示不同的字符；但缺点就是占用端口资源较多。从图4.2可以看出，,湖南信息职业技术学院信息工程系,4.1.3 数码管显示方式,每位

11、LED显示器需单独占用8根端口线。因而，在数据较多时往往不采用此种设计，而是采用动态显示方式。所谓动态显示，就是将要显示的多位LED显示器采用一个8位的段选端口，然后采用动态扫描方式一位一位地轮流点亮各位显示器。如图4.3所示为4位LED动态显示电路。,湖南信息职业技术学院信息工程系,4.1.3 数码管显示方式,图4.2 4位静态LED显示器电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,4.1.3 数码管显示方式,图4.3 4位动态LED显示器电路,5.1 声控电路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,5.1.1 声控电路图,图5.1 声控电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,声控电路由晶体三极管V3

12、(S8050)、电阻R3、R4、R5、R6、C1及话筒构成，其中R3、R4、R6及三极管V3组成分压式共射放大电路。具体工作过程如下：当平时没有声音对准话筒时，晶体三极管的基极电压（UBQ）由电源经电阻R3、R4串联分压，由于R3的阻值远小于R4的阻值，因此，三极管的基极获得一个比较小的电压（约0.6V），故基本处于临界截止状态，因此在三极管的,5.1.2 声控电路工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,集电极输出一个高电平送给单片机的P0.4端口；当由声音对准话筒时，该声音转换成电信经C1耦合到放大电路基极，使晶体三极管处于放大状态，此时V3的集电极由于三极管的导通作用被嵌位成低电平传给单

13、片机的P0.4端口。单片机根据采集到高、低电平来判断需不需要作出相应处理。例如：有声音时可以使小车后退，没声音时，小车前进。这个可以根据实际需求设计。,5.1.2 声控电路工作原理,6.1 报警电路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,6.1.1 报警电路图,图6.1 报警电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,报警电路由晶体三极管V1(S8550)、电阻R2以及蜂鸣器SB1组成。当电路平时不需要发声报警时，单片机的P0.6端口输出一个高电平，使晶体三极管截止，蜂鸣器因此不发声。当需要发声报警时，便编程控制从P0.6输出一定频率的方波或矩形波，使V1在导通与截止两种状态切换，从而蜂鸣器发出不同的

14、声音。,6.1.2 报警电路工作原理,7.1 LED彩灯电路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,7.1.1 LED彩灯电路图,图7.1 LED彩灯控制电路,湖南信息职业技术学院信息工程系,LED彩灯控制电路由发光二极管D1D8以及限流电阻R16、R18、R19、R20、R22、R23、R24、R26组成。其中八只发光二极管的阳极经限流电阻接电源、阴极接单片机的P1口的八个端口。从彩灯连接方式可知，要使发光二极管点亮则只需要使单片机的P1口输出低电平即可，反之，如果要使灯熄灭，则P1端口输出高电平即可。设计者可以根据任务需求编程进行控制。,7.1.2 彩灯电路工作原理,8.1 232串行下载电

15、路设计,湖南信息职业技术学院信息工程系,8.1.1 232串行下载电路图,图 8.1 232串行下载电路图,湖南信息职业技术学院信息工程系,在单片机与PC机通信时，接口电路必须要进行电平转换，因为PC机采用的是RS232标准，而单片机采用的是TTL标准，这是其一。第二是单片机与单片机之间的串行通信如果采用直接传输信息，其传输距离一般不超过1.5m，若要实现更远距离的通信，则接口电路也必须要进行电平转换。,8.1.2 RS232电平与TTL电平转换,湖南信息职业技术学院信息工程系,RS232标准是1969年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于

16、串行通讯的标准。它的逻辑“1”电平是-5V-15V，逻辑“0”电平是+5V+15V。TTL（Tansistor-Transistor Logic），是指三极管三极管逻辑电路。它规定：逻辑“0”：0.4V；逻辑“1”：+3 V+5 V。因此，RS-232不能和TTL电平直接相连，使用时必须进行电平转换，否则将使TTL电路烧坏，为了让单片机与PC机能相互通信，必须让这两种电平相互转换。,8.1.2 RS232电平与TTL电平转换,湖南信息职业技术学院信息工程系,8.1.3 MAX232芯片内部结构图,图8.2 MAX232C芯片的结构原理图,湖南信息职业技术学院信息工程系,MAX232芯片是Max

17、im公司生产的、包含两路接收器和驱动器的RS-232电平转换芯片，适用于各种232通信接口。MAX232芯片内部有一个电源电压变换器，可以把输入的+5V电源电压变换成RS-232C输出电平所需的10V电压。所以，采用此芯片接口的串行通信系统只需单一的+5V电源就可以了。对于没有12V电源的场合，其适用性更强。加之其价格适中，硬件接口简单，所以被广泛采用。,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,图8.2中上半部分电容C1、C2、C3、C4及V、V是电源变换部分。在实际应用中，器件对电源噪声很敏感。因此，VCzC需要对地加去耦电容C5，其值为0.1F。电容C1、C2

18、、C3、C4都选用钽电解电容，电容值为1.0F（耐压值高于16V），可以提高抗干扰能力。连接时电容必须尽量靠近器件，注意极性。,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,下半部分为发送和接收部分。实际应用中，T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT可分别连接TTL/CMOS电平的51单片机的串行发送端TXD和接收端RXD；T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN分别连接至RS-232电平的PC串行接收端和发送端。从计算机串行口输出的数据经MAX232C电平转换后送给单片机STC89C52，,8.1.3 MAX232芯片工作原理,湖南信息职业技术学院信息工程系,9

19、.1 系统整体电路图,9.1 智能寻迹小车原理图,湖南信息职业技术学院信息工程系,智能循迹机器人采用现在较为流行的8位单片机STC89C52作为系统大脑。40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO（GPIO-通用输入输出）端口，通过对这些端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成循迹机器人。P0.0，P0.1,P0.2,P0.3分别通过L293D电机驱动来驱动电机1和电机2。由电机的正转与反转来完成机器人的前进，后退，左转，右转，遇障碍物绕行，避悬崖等基本动作。,10.1 系统整体电路原理介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,在机器人前进时如果前方有障碍物，由红外发射管发射的红外信号被反射

20、给红外接收管，红外接管将此信号经过P3.7传送入STC89C52中，主芯片通过内部的代码进行机器人的绕障碍物操作，同时主芯片将P3.7的信号状态通过P2.5的LED指示灯显示出来。机器人行走时会通过P3.5与P3.6的红外接收探头来进行检测。当走到悬崖处时，P3.5或P3.6将收到一个电平信号，此电平信号将通过相应端口传送入主芯片中，主芯片通过内部代码完成机器人的避悬崖操作。,10.1 系统整体电路原理介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,同时P3.5与P3.6的信号状态将通过P2.6/P2.7显示出来。在机器人的左转，右转，后退的过程，可以通过观看以P2.0/P0.7为指示灯的运行状态。P0

21、.4为机器人的声控检测端口，在运行为前进状态时，可以通过声控(如拍手声)来控制它的运行与停止。P0.6为机器人的声音输出端。在机器人遇到障碍物时。进行绕障碍物与避悬崖时可以通过此端口控制蜂鸣器发出警报声。当为白天或黑夜时可以通过P0.5端口中的光敏电阻来进行判断，以方便完成机器人夜间自动照明功能。,10.1 系统整体电路原理介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,两个按键以查询/中断两种不同方式来展现按键操作。你可以按下S1键来进行机器的停止。再按下S2键来进行机器人的运行。这个按键信息分别被P3.2，P3.4接收到。IR1为红外遥控接收器，这就为机器人进行远程遥控创造了可能。这个红外遥控接收头

22、接收到红外信号时将信号进过P3.3送入到主芯片，主芯片对其进行解密后以不同的方式对机器人进行控制。同时将用户的按键信息通过P2端口上的LED数码管显示出来。,10.1 系统整体电路原理介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,P3.0、P3.1中COM端口的加入，让你完全可以用电脑对其进行控制。你可以通过对串口发送数据，数据会被显示到LED数码管中，并让机器人执行相应的功能。电脑的串口软件要求波特率为9600.8位数据位，这时你就可以快乐的用电脑来对它进行你的完全控制了。,10.1 系统整体电路原理介绍,湖南信息职业技术学院信息工程系,从“教学在线”下载七个压缩包，解压到任意文件夹内双击ISIS

23、7启动软件。,11.1 Proteus软件使用介绍,软件安装与启动,软件界面预览,原理图编辑区,工具类别区,对象列表区,选择元件,Proteus提供很多元件。要使用元件，必须先把元件选取到对象选择区。单击Component Mode按钮单击Pick From Libraries按钮弹出“元件”窗口,选择元件,(1)选择元件所属大类别,(2)选择元件所属小类别,(3)双击需要使用的元件,选择元件,为加快查找速度，可以在此输入元件的关键字,常用元件对照表,绘制原理图,(1)单击要使用的元件,(2)在编辑区内单击一次，然后移动鼠标到合适位置，再单击一次即可,放置电源及地线,(1)单击Terminal

24、s Mode,POWER为电源GROUND为地线,旋转元件,(1)在需要旋转的元件上单击右键(2)顺时针旋转90度(3)逆时针旋转90度(4)旋转180度,元件之间连线,把电阻和电容连接起来。(1)把光标移动到电阻的一端，待出现红色小框后，单击左键。(2)移动光标到电容的一端，单击左键就可以了。,在需要转折的地方单击左键。,元件之间连线画折线,使用总线,(1)单击Buses Mode按钮,(2)在要画总线的起点单击左键,(3在总线结束点双击左键,把单根线与总线联接,(1)在起点单击左键,(2)移动光标到总线上单击一次,给总线加上网络标号,(1)单击Wire Label Mode按钮,(2)移动

25、光标到总线上，待总线上出现红色虚线时单击一次左键，会弹出一个对话框,给总线加上网络标号,在此输入总线的名称。注意格式：P20.7要用两个小数点,给与总线相连的元件加网络标号,把光标移动到连线上，待出现红色虚线时单击左键,给与总线相连的元件加网络标号,在下拉列表中选择需要连接的总线,放大与缩小原理图,Proteus原理图区是没有滚动条的。在原理图片移动鼠标中间滚轮可以放大和缩小原理图。,单击绿色框，移动鼠标则可改变原理区显示的内容。再单击一次则退出。,给CPU装上程序,双击单片机芯片,给CPU装上程序,单击文件夹按钮，选择Keil生成的HEX文件即可,给CPU装上程序,单击文件夹按钮，选择Keil生成的HEX文件即可,仿真运行程序,开始仿真,暂停,停止,Keil与Proteus联调(Keil设置),(1)右键单击Target 1，选择Options for target Target 1,(2)选择Debug选项卡，再选择Proteus VSM Simulator,Keil与Proteus联调(Proteus设置),选上Use Remote Debug Monitor,经过两步设置后，在Keil进入调试状态，就可以在Proteus显示结果了,