基于嵌入式的機(jī)器人系統(tǒng)電路模塊設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)的動(dòng)作和功能較多，需要多個(gè)傳感器對(duì)外界進(jìn)行檢測(cè)，并實(shí)時(shí)控制機(jī)器人的位置、動(dòng)作和運(yùn)行狀態(tài)。系統(tǒng)中的所有任務(wù)最終都掛在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC／0S一Ⅱ上運(yùn)行，因此不僅要考慮微控制器的內(nèi)部資源，還要看其可移植性和可擴(kuò)展性。LPC2129是Philips公司生產(chǎn)的一款32位arm7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲(chǔ)器，它采用3級(jí)流水線技術(shù)，同時(shí)進(jìn)行取指、譯碼和執(zhí)行，而且能夠并行處理指令，提高CPU的運(yùn)行速度。由于它的尺寸非常小，功耗極低，抗干擾能力強(qiáng)，適用于各種工業(yè)控制。2個(gè)32位定時(shí)計(jì)數(shù)器、6路PWM輸出和47個(gè)通用I／0口，所以特別適用于對(duì)環(huán)境要求較低的工業(yè)控制和小型智能機(jī)器人系統(tǒng)。因此選用 LPC2129為主控制器，可以獲得設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定的智能機(jī)器人控制系統(tǒng)。

　　無(wú)線通信接口設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)采用迅通公司生產(chǎn)的PTR2000無(wú)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(diǎn)是：①有兩個(gè)頻道可供選擇，工作速率高達(dá)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(jiǎn)單，因此特別適合機(jī)器人小型化要求；④可直接接單片機(jī)串口模塊，控制簡(jiǎn)單；⑤抗干擾能力強(qiáng)；⑥功耗小，通信穩(wěn)定。

　　超聲波測(cè)距傳感器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　兩路超聲波傳感器用以控制機(jī)器人避開障礙物，并預(yù)測(cè)機(jī)器人相對(duì)目的地距離，起導(dǎo)航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時(shí)管腳相連接。整個(gè)超聲波檢測(cè)系統(tǒng)由超聲波發(fā)射、超聲波接收和單片機(jī)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(guò)超聲波換能器發(fā)射超聲波。

　　圖5給出由數(shù)字集成電路構(gòu)成的超聲波振蕩電路，振蕩器產(chǎn)生的高頻電壓信號(hào)通過(guò)電容C2隔除掉了信號(hào)中的直流量并給超聲波換能器MA40S2S。其工作過(guò)程：U1A和UlB產(chǎn)生與超聲波頻率相對(duì)應(yīng)的高頻電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)反向器U1C變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)方波信號(hào)，再經(jīng)功率放大，C2隔除直流信號(hào)后加在超聲波換能器MA40S2S進(jìn)行超聲波發(fā)射。如果超聲波換能器長(zhǎng)時(shí)間加直流電壓，會(huì)使其特性明顯變差，因此一般對(duì)交流電壓進(jìn)行隔除直流處理。U2A為 74ALS00與非門，control_port（控制端口）引腳為控制口，當(dāng)control_port為高電平時(shí)，超聲波換能器發(fā)射超聲波信號(hào)。

　　圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器采用MA40S2R，對(duì)換能器接收到的信號(hào)采用集成運(yùn)算放大器LM324進(jìn)行信號(hào)放大，經(jīng)過(guò)三級(jí)放大后，通過(guò)電壓比較器LM339將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)換為TTL脈沖信號(hào)。INT_Port與單片機(jī)中斷管腳相連，當(dāng)接收到中斷信號(hào)后，單片機(jī)立即進(jìn)入中斷并對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行處理和判斷。

　　光電檢測(cè)模塊設(shè)計(jì)

　　設(shè)計(jì)光電檢測(cè)模塊，使機(jī)器人能夠檢測(cè)地面上的白色引導(dǎo)線。光電檢測(cè)電路主要包括發(fā)射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發(fā)射部分的波形調(diào)制采用了頻率調(diào)制方法。由于發(fā)光二極管的響應(yīng)速度快，其工作頻率可達(dá)幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測(cè)系統(tǒng)的調(diào)制頻率在幾十至幾百千赫茲范圍之內(nèi)，因此能夠滿足要求。光源驅(qū)動(dòng)主要負(fù)責(zé)將調(diào)制波形放大到足夠的功率去驅(qū)動(dòng)光源發(fā)光。光源采用紅外發(fā)光二極管，工作頻率較高，適合波形為方波的調(diào)制光發(fā)射。

　　接收部分采用光敏二極管接收調(diào)制光線，將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)。這種電信號(hào)通常較微弱，需進(jìn)行濾波和放大后才能進(jìn)行處理。調(diào)制信號(hào)的放大采用交流放大形式，可以將調(diào)制光信號(hào)與背景光信號(hào)分離開來(lái)，為信號(hào)處理提供方便。調(diào)制信號(hào)處理部分對(duì)放大后的信號(hào)進(jìn)行識(shí)別，判斷被檢測(cè)對(duì)象的特性。因此，該模塊的本質(zhì)是將“交流”的、有用的調(diào)制光信號(hào)從“直流”的、無(wú)用的背景光信號(hào)中分離出來(lái)，從而達(dá)到抗干擾的目的。