機器人技術(shù)電路設(shè)計圖集錦

ash ROM），用以存儲更多的數(shù)據(jù)和命令。

　　電源是保證機器人穩(wěn)定、可靠運行的關(guān)鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅(qū)動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統(tǒng)：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩(wěn)定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。

　　為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設(shè)計采用 1個LM317T三端穩(wěn)壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調(diào)整器，并通過其附屬電路，得到精確穩(wěn)定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發(fā)光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關(guān)的狀態(tài)；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設(shè)計中通過R1、 R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。

　　直流電機驅(qū)動電路設(shè)計

　　由于電機功率較大，并要求能實現(xiàn)雙向、可調(diào)速運行，本文設(shè)計了半橋式電力MOSFET管，成功實現(xiàn)了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過 IR2104半橋驅(qū)動器（half-bridge driver）和相應(yīng)保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM 占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現(xiàn)控制電機轉(zhuǎn)動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉(zhuǎn)；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉(zhuǎn)。

　　遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M電路設(shè)計

　　為能完成滅火任務(wù)，機器人必須能確定火焰的大致位置，并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設(shè)計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯(lián)并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖所示，14個端口通過 CD4051八路轉(zhuǎn)換開關(guān)連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中 SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設(shè)計還可以通過對14路讀取數(shù)據(jù)進行比較，從而確定其最大最小值及相應(yīng)端口值，方便火源方位的確定。

　　通過對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執(zhí)行左拐命令，使其差值在一定范圍內(nèi)，然后執(zhí)行直行命令趨近火源。

　　TOP4 配套Lego組合機器人的超聲波防撞電路設(shè)計

　　地面灰度傳感器電路設(shè)計

　　如圖所示，地面灰度傳感器通過發(fā)光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當?shù)孛骖伾珵楹谏珪r，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應(yīng)較小，1端口電壓值較高，其測量值較大；反之當?shù)孛鏋榘咨珪r，反射的光線較強，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測量值也較小。

　　本文研究并設(shè)計了基于ARM9嵌入式系統(tǒng)的一種智能滅火機器人，具有以下5個創(chuàng)新點：（1）采用了嵌入式系統(tǒng)內(nèi)核，大大提高了機器人處理信號的能力；（2） 雙電源供電系統(tǒng)引入，使機器人的運行更加穩(wěn)定可靠；（3） 采用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進；（4）通過合理選擇PSD測距傳感器的個數(shù)和安放位置，既滿足比賽要求，又能節(jié)約成本；（5）本文設(shè)計的遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘M，很好地完成了對火源的精確定位任務(wù)，提高了滅火可靠性和快速性。實測證明，本文設(shè)計的機器人能夠很好地完成比賽任務(wù)，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應(yīng)用價值。

　　機器人的超聲波防撞電路設(shè)計

　　這種探測器的依據(jù)是超聲波具有很強的方向性。發(fā)送的傳感器發(fā)出連續(xù)信號。在這個裝置之前約幾米的適當物體可以把相當強的信號反射回到接收傳感器。發(fā)送和接收傳感器只相隔大約50毫米，所以方向性強的超聲波保證從發(fā)射器到接收器之間的直接耦合波顯得微不足道。這個電路從RCX裝置獲得電源，它就和一種標準Lego探測器一樣連接到RCX裝置的一個輸入端口。并沒有特別支持采用RCX代碼或者 Mindstorms套件通常共用的其他編程語言的超聲波探測器。因此，可以利用軟件以標準有源探測器。例如Lego光探測器的相同基本方式操縱它。

　　圖中是超聲波探測器的整個電路圖。二極管列陣由D1至D6組成，而標準的橋式整流器則由D1至D4組成。這個整流器連同濾波電容C3產(chǎn)生7伏特電源。橋式整流器提供全波整流，所以電路怎樣連接RCX裝置都沒有關(guān)系。

　　RCX裝置內(nèi)部的上拉電阻通常使輸入端子處于高電位。D5和D6使IC1a的輸出把RCX端口輸入端拉低至0伏電壓。這個裝置怎樣連接RCX裝置也是沒有關(guān)系的。IC1a的輸出通過兩個二極管的任何一個連接端口的帶電輸入端。在輸入提供電源的時間內(nèi)，兩個二極管的其中一個就會阻斷電源，因此只有極小電流流過兩個二極管。在這些時間內(nèi)，lC1a的輸出連接電源，但R1卻阻止過量的輸出電流流入IC1a的輸出級。

　　IC1a是緩沖放大器，它是普通的電壓跟隨級。IC1b是直流放大器。它以同相模式操作，反饋電阻R2和R3把它的閉環(huán)電壓增益調(diào)整倒3．7。要注意，lC1采用的LM358N是用在沒有負電源的直流電路的。其他大多數(shù)運算放大器并不能提供這里要求的很低輸出電壓，所以不建議使用代用器件。TR1放大接收傳感器Mic1的輸出。 TR1用簡單的共射極放大器，它提供超過40dB的電壓增益。C2將其輸出耦合到D7和D8組成的半波整流器電路。C1和 R4組成平滑濾波電路。發(fā)射器電路只是采用標準震蕩配置的555時基電路（IC2）。RCX裝置可以從每個輸入端提供的最大電源電流是相當有限的，所以 IC2最好采用低電源的 555。否則就會出現(xiàn)負載太大的風險以致獲得不合適的電源電壓。VR1是頻率控制器，通常調(diào)節(jié)它而使電路產(chǎn)生最佳性能。不過，如果需要降低靈敏度，可以故意使它偏離最佳頻率。

　　AT89S51 的編程方式可分為并行及串行模式。由于目前PC臺式及及筆記本已經(jīng)逐漸取消并口，因此并口編程器已經(jīng)逐漸被淘汰。采用USB接口的ISP編程器比較適合實驗之用。本書所附贈的電路就是以USB ISP串行模式來對AT89S51進行編程的，其電路如圖所示。圖為AT89S51 USB ISP編程器電路圖：

　　USB編程器電路設(shè)計

　　CH341A是一個USB總線轉(zhuǎn)接芯片，通過USB總線提供異步串口、打印口、并口，以及常用的2線和4線等同步串行接口。CH341A采用 SOP－28無鉛封裝，具體功能由復(fù)位后的功能配置決定，同一引腳在不同功能下的定義可能不同。CH341芯片正常工作時需要外部向XI引腳提供 12MHz的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH341內(nèi)置的反相器通過晶體穩(wěn)頻振蕩產(chǎn)生，外圍電路只需在XI和XO引腳之間連接一個12MHz晶體，并為XI和XO引腳對地連接振蕩電容。CH341芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當使用5V工作電壓時，CH341芯片的VCC引腳輸入外部 5V電源，第9腳（V3引腳）應(yīng)該外接容量為4700pF或者0.01uF的電源退耦電容。CH341 第10、11腳連接到USB數(shù)據(jù)總線。第13、14腳外接12MHz晶體，為芯片提供時鐘。第16、18、20、22腳分別接300Ω的限流電阻，作為 RST、SCK、MOSI、MISO信號輸入/輸出。在使用CH341A的USB轉(zhuǎn)ISP功能時，第23腳必須接地。第28為電源5V輸入，接退耦電容，可使讓芯片工作更穩(wěn)定。

　　圖3.12 USB編程器電路圖

　　在圖3.12里，USB1為與電腦連接的USB插座。此USB插座共有4個腳，分別為+5V、D－、D+及GND。+5V及GND是本電路板的電源來源。R3為限流電阻，此電阻的取值需要根據(jù)實際情況確定。在使用此電阻時，應(yīng)保證后端的CH341A及AT89S51芯片供電電壓大于4.5V。在保證接入的元件接線正確及電路整體消耗電流小于500mA的情況下，此電阻可以不接，直接用短線連接即可。CH341A芯片通過USB接口和USB連接線完成與電腦的數(shù)據(jù)傳輸。

　　TOP5 基于無線通信的嵌入式機器人控制系統(tǒng)電路設(shè)計

　　無線通信接口設(shè)計

　　系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無線通信數(shù)據(jù)收發(fā)模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基于NORDIC公司生產(chǎn)的射頻器件nRF401開發(fā)，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb／s；②接收發(fā)射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求；④可直接接單片機串口模塊，控制簡單；⑤抗干擾能力強；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

　　超聲波測距傳感器電路設(shè)計

兩路超聲波傳感器用以控制機器人避開障礙物，并預(yù)測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機控制等部分組成。發(fā)射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經(jīng)功率放大器放大后，通過超聲波換能