智能寻迹避障小车系统硬件设计.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,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,1.1.1 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,1.1.2 驱动芯片L293D工作原理,1、引脚功能说明,

2、1.2 L293D封装及引脚排列,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

3、动等感性负载继电器，电磁阀，直流双极步进和马达，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。,1.1.3 直流电机H桥驱动电路,湖南信息职业技术学

4、院信息工程系,本设计中直流电机H桥驱动电路由上述 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。,1.1.3 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：,1

5、.1.3 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。,1.1.3 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

6、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。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。,1.1.3 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

7、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 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

8、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。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

9、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

10、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

11、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

12、.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(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

13、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

14、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

15、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

16、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

17、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Maxim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 M

18、AX232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、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、T2O

19、UT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,9.1 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

20、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

21、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。P0.4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

22、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

23、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 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

24、,(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Terminals 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

25、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

26、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,