机器人电路基础知识PPT课件

.,2009RoboGame培训,张连生5/25/2020,电路部分,.,5/25/2020,2,电子元器件,5/25/2020,3,电阻,电阻有阻碍电子流动的功能，在电路中用它来限制电流的大小或降低某点的电压。主要参数：阻值：基本单位；额定功率：允许使用的最大功耗值，一般为1/4W；阻值误差：标称值和实际值之间的误差范围。,电阻色环,5/25/2020,4,E245%1.0,1.1,1.2,1.3,1.5,1.6,1.8,2.0,2.2,2.4,2.73.0,3.3,3.6,3.9,4.3,4.7,5.1,5.6,6.2,6.8,7.58.2,9.1E1210%1.0,1.2,1.5,1.8,2.2,2.7,3.3,3.9,4.7,5.6,6.8,8.2E620%1.0,1.5,2.2,3.3,4.7,6.8，8.2基本上是等比数列，稍有调整(验算)E48(2%)E96(1%)E1920.5%0.25%0.1%和以上,阻值系列表,电阻分类,碳膜电阻：价廉精度低，附加电感影响小金属膜电阻：精度高，附加电感较大线绕电阻：瓦数大，精度高，附加电感较大，仅能用在直流和低频电路中排阻：将多个阻值相同的电阻用厚膜封装，有一个公共端，其余各脚分别是每个电阻的另一端电位器：可变电阻,5/25/2020,6,电容,对于直流，电容具有存储电荷的作用，因为有充电过程，电容两端的电压不会发生急剧变化，对直流电有隔直作用；对于交流，电容器具有容性阻抗，容抗的大小和电容值及电路的工作频率有关。,5/25/2020,7,电容,主要参数：1.容量：由于法拉F太大，一般用表示2.耐压：标称工作电压，超过此电压会造成击穿，短路3.漏电：漏电越小越好，一般和构成电容的材料有关4.使用温度范围：一般上限为。,5/25/2020,8,电容种类,电解电容：以电解质作为介电物质，容量大，耐压低，有极性，漏电较大。使用时，要重视耐压的选择，极性更不能错，安装时要尽量远离发热器件。钽电容：以稀有金属钽为材料的电容。钽电容容量大，体积小，容量稳定准确，漏电小，但由于价格较高，除非特殊要求，一般不使用。,5/25/2020,9,电容种类,云母电容：以云母作为介质材料的电容。容量较小，性能稳定，漏电极小，常用在高频电路中。独石电容：采用特殊材料和工艺制造，容量大，体积小，耐压高，无极性。瓷片电容：对容量不大且电容要求不高的地方，可使用廉价的瓷片电容。可变电容：将构成电容两个极板作成可移动的工艺，改变构成电容的极板面积，使电容量变化。,5/25/2020,10,电感,电感的性质和电容相反，直流容易通过，对交流产生感抗造成阻碍作用。线圈（空芯、磁芯）、变压器、继电器等。,5/25/2020,11,二极管,二极管是由具有多空穴的P型半导体和具有多数自由电子的N型半导体构成的PN结。单向导通性：施加正向电压时，电流流通；施加反向电压时，电流截止。,5/25/2020,12,二极管种类,检波二极管：2AP系列、1N34/A、1N60等。整流二极管：ACDC，工作允许电流和工作电压。开关二极管：类似电控开关。IN4148。稳压二极管：齐纳效应，反向使用。1N47XX。变容二极管：主要用在电子调谐及锁相环电路中。光电二极管：接收光照射时，有光电流反方向流动。发光二极管：LED，有各种颜色，超高亮度的。隧道二极管：负阻抗特性。,三极管,PNP型和NPN型工作方式：共基极、共发射极、共集电极可以工作在放大和开关两种状态下，机器人中主要工作在导通和截止的开关状态。小功率：9012及9013；中功率：8050及8550；大功率：772及882,场效应管,场效应管是一种受电场控制的半导体器件。场效应管应具有高输入阻抗，较好的热稳定性、抗辐射性和较低的噪声。电子电路中常用场效应管作放大电路的缓冲级、模拟开关和恒流源电路。IR(InternationalRectifier)公司的IRF系列的比较常用。,.,光电隔离器,很多情况下，电路干扰是由电源或信号共地造成的。使用光电耦合器件，可以解决共地带来的干扰。电光电,TLP521-2,5/25/2020,17,数字器件,基础知识,模拟量、模拟信号、模拟电路、模拟器件温度、湿度、压力、速度等物理量，在时间和数值上都具有连续变化的特点，在一定的范围内可以取任意的实数值，这些物理量称为模拟量，表示这些模拟量的电信号称为模拟信号。数字量、数字信号、数字电路、数字器件还有一类物理量，在时间和数值上是离散的，它们的大小及每次的增减变化都是某个最小单位的整数倍，这类物理量称为数字量。表示数字量的电信号为数字信号。数字信号产生、传输和处理的电路称为数字电路。处理数字信号的器件称为数字器件。,5/25/2020,18,基本逻辑运算与符号,5/25/2020,19,数字器件,反相器(非门)：74LS04、74LS05（oc）、74LS06（oc，30V）CD4009、CD4069,5/25/2020,20,数字器件,反相器（施密特触发）：74LS14、CD40106,5/25/2020,21,数字器件,与门：74LS08、74LS09（oc）,5/25/2020,22,数字器件,或门：74LS32,5/25/2020,23,数字器件,与非门：2输入4与非门：74LS00、CD4011B3输入端3与非门：CD40234输入双与非门：74LS20、74LS18(施密特)、CD4012B8输入与非门：74LS30、CD407813输入端：74LS133（13输入端）,5/25/2020,24,数字器件,或非门：2输入端四或非门：74LS02、CD4001B3输入端双或非门：CD4000B（+反相器）4输入端双或非门：CD4002B,5/25/2020,25,数字器件,异或门：74LS86、74LS136（oc）、CD4030,5/25/2020,26,数字器件,与或非门：74LS55,5/25/2020,27,TTL与CMOS,TTL：双极型器件，一般电源电压5V，速度快（数ns），功耗大（mA级），负载力大，不用端多数不用处理。CMOS：单级器件，一般电源电压15V，速度慢（几百ns），功耗低，省电（uA级），负载力小，不用端必须处理。输入转换电平：CMOS：它的转换电平是电源电压的1/2，因为CMOS的输入是互补的，保证了转换电平是电源电压的1/2。TTL：由于它的输入多涉及晶体管的结构，决定了转换电平是2倍的PN结正向压降，大约为1.4V。TTL电源只有5V的。,5/25/2020,28,TTL与CMOS,TTL与CMOS接口：如果是TTL驱动CMOS，要考虑电平的接口。TTL可直接驱动74HCT型的CMOS，其余必须考虑逻辑电平的转换问题。如果是CMOS驱动TTL，要考虑驱动电流不能太低。74HC/74HCT型CMOS可直接驱动74/74LS型TTL，除此需要电平转换。,5/25/2020,29,OC门,OC(opencollector)：集电极开路,5/25/2020,30,OC门作用,1.可以线与(输出端直接相连实现与)2.实现电平转换,可以作为接口电路,5/25/2020,31,前级标准高电平为VH=3v,后级输入输出的标准高电平为VH=12v,5/25/2020,32,机器人电源,交流电源变换,半波整流全波整流桥式整流,5/25/2020,33,直流电源,蓄电池,5/25/2020,34,手机电池：,5/25/2020,35,一次性电池充电电池镍镉电池镍氢电池锂离子电池,5/25/2020,36,直流电压变换,降压稳压器：固定输出78型：78型是一种降压式正电压输出三端稳压器，最大可提供1A电流，当耗热太大时，应加相应的散热器。表示输出固定的电压值，如05，06，08，09，12，15，24分别代表输出的正电压值。注：78型的稳压芯片需要输入电压和固定输出最小应保持2V的压差，才能保证稳压效果。最大压差在20V内为宜。如果需要输出大电流，可选用MC78HK大功率封装型三断稳压器。,5/25/2020,37,直流电压变换,开关型稳压器：使用开关型DCDC电压变换器件，可将某一电压转换为另一固定的电压输出。这种变换可以是降压式的，也可以是升压式的。常用的开关型器件是LM2575，LM2576系列，他们都有输出电压固定和可调的芯片，其中后者的电流可以达到3A。,5/25/2020,38,直流电压变换,负电压稳压：79型的稳压芯片可以将实现负电压的稳压功能。与78系列一样，表示输出固定的电压值，如05，06，08，09，12，15，24分别代表输出的负电压值。,5/25/2020,39,稳压电路,5/25/2020,40,稳压电路,5/25/2020,41,5/25/2020,42,5/25/2020,43,单片机外围电路,mega16L,5/25/2020,44,mega16管脚,VCC、GND：数字电路的电源；双向I/O端口：PortA（PA7PA0）、PortB（PB7PB0）PortC（PC7PC0）、PortD(PD7PD0)XTAL1、XTAL2：外部时钟的输入输出端。AVCC：PortA与A/D转换器的电源。AREF：A/D的模拟基准输入引脚。,5/25/2020,45,mega16最小系统,单片机的最小系统：指让单片机能够工作的最小电路，一般包括：电源；晶振；复位。,5/25/2020,46,最小外围电路,5/25/2020,47,晶振,Mega16已经内置RC振荡线路，可以产生1M、2M、4M、8M的振荡频率。不过，内置的毕竟是RC振荡，在一些要求较高的场合，比如要与RS232通信需要比较精确的波特率时，建议使用外部的晶振线路。为了使晶振稳定工作，建议在晶振两端接上22pF左右的电容。,5/25/2020,48,.,复位,电容C3：消除干扰、杂波。电感D1：作用一是将复位输入的最高电压钳在Vcc+0.5V左右，另一作用是系统断电时，将R1(10K)电阻短路，让C3快速放电，让下一次来电时，能产生有效的复位。,5/25/2020,49,5/25/2020,50,电机控制电路,电机分类,5/25/2020,51,电机,交流电机,直流电机,并励式直流电机,串励式直流电机,复励式直流电机,永磁式直流电机,异步电机,同步电机,步进电机,舵机,直流电机特点,启动转矩非常大；当点击负荷增大时，转速则会降低，而输出旋转力将随之增大。这种增大的旋转力具有促使直流电机恢复到原来转速的功能；输出转矩与流过电机的电流成正比；换向器容易受损，电机寿命比较短。,直流电机的选择,电机输入电压电机的转速电机的转矩电机输入电流相关物理参数,直流电机的控制,转动方向的控制：直流电机的引出端有正负之分，当输入电源电压和电机标定极性相一致时，电机正转；与标定极性相反时，电机反转。正转和反转是因为通过电机电枢中电流方向相反的缘故。所以，只要将电源施加在电机上的极性加以改变，就能达到改变电机转动方向的目的。,转动方向控制,使用单刀双掷开关控制电机的转动方向,转动方向控制,2.改变流过电机的电流方向,直流电机的控制,转动速度的控制：直流电机的速度控制是改变施加在电机上的直流电压。电压越高，转速越快，转矩越大；而电压越低，转速越慢，转矩也越小。,转动速度的控制,1.滑动变阻器调速：,转动速度的控制,2.PWM调速：,直流电机的保护,驱动芯片的自我保护过电流检测保护使用芯片的检测引脚使用电流传感器干簧管线圈保护过流自恢复元件,直流电机的精确控制,直流电机虽然强劲有力，使用方便，但控制精度较差，为此有的直流电机在其内部装有测速电机或数字码盘。测速电机或数字光栅和电机同轴，电机每转一圈给出很多脉冲信号，可以精确知道电机转动的角度值和转动方向。测速电机给出的是模拟信号，经放大和A/D转换后送MCU处理。数字光栅输出数字信号有MCU直接处理，控制要简单得多。,直流电机控制芯片,L293B：2组H桥、4.536V、1A、过热自动关断,直流电机控制芯片,L298N双通道集成驱动电机芯片646V，2A，过热自动关断、电流反馈检测,直流电机控制芯片,LMD18200单电机驱动芯片55V，3A，过热自动关断、电流反馈检测,直流电机控制芯片,2998双H桥集成芯片50V，2A，过热自动关断，电流反馈检测,电机驱动保护电路,使用电阻检测H桥过电流保护电路,电机驱动保护电路,使用电流传感器CS-200的过流检测电路,电机驱动保护电路,干簧管开关过电流保护,步进电机,步进电机是一种交流电机，在机器人系统中，它是可以使用的最精确的电机。步进电机的速度是由驱动脉冲频率决定，而每次转动都有一个精确的转角，所以控制精度很高。步进电机的功率较小，负载能力低，控制相对复杂。步进电机常用在载荷不大、定位精确的机器人部件（如手臂动作，腰和头的扭动等）中使用。,步进电机的特点,易于启动、停止、正反转变化和变速响应性好脉冲数字控制转动角度精确，无累积误差和MCU之间有很好的兼容性无换向器，可靠性高，寿命长停止驱动可保持一定转矩驱动能力弱，能源利用率低超负荷运行容易失步,步进电机的结构,步进电机的转子是永磁体，而定子是励磁线圈。定子通过电流产生磁场与转子永磁体磁场相互作用，同性相斥，异性相吸，使得转子旋转。步进电机定子有很多绕组，转子也是由大量永磁体组成的。步进电机转动一周所需要的行进次数称为步数，每步转动的角度成为步进角。,步进电机工作原理,单三拍:(逆时针)(顺时针),双三拍:(逆)(顺),三相六拍:(逆)(顺),步进电机控制时序,单三拍,双三拍,三相六拍,步进电机驱动芯片,1.单极性步进电机驱动:ULN2003和ULN2004500mA、50V,步进电机驱动芯片,2.UDN2540和UDN2544步进电机驱动芯片50V、Ip-p=2.5A、1.8A,步进电机驱动芯片,3.2803步进电机驱动芯片：350mA、95V,步进电机驱动,4.UCN5804单极性：35V、1A，单、双、半拍,步进电机驱动芯片,RD-021M8：1040V、1.5A,步进电机驱动,RD-023ms：1840V，3A,舵机,舵机是为航模设计的，可以精确控制飞机、车船模型的舵面，为其提供动力与运动的设备。在机器人中，可以利用舵机提供和保持更为精确的角度控制。舵机的本质是一个带有闭环控制的直流伺服电机，舵机由3个部分构成小型直流电机：提供原动力。多级减速齿轮：减速比达180：1，使输出转矩放大180倍。和输出轴联动的电位器：将输出转轴的角度位置转化为电信号。3根线：电源正极、负极和角度控制信号线。,舵机,舵机的输入信号是周期为20ms，脉宽为02.5ms的脉冲位置调制（PPM）。舵机的控制电路是将PPM解调后与电位器的反馈电压相比较，如有差异，直流电机则对转角进行调整，直到两者电压完全一样。此时，电机准确停止在给定的位置上。实际上，舵机是一种角度位置伺服机构。,舵机主要参数,转角范围：一般为,也可以找到的。输出力矩：舵机驱动能力，速度：舵机转动所需要的时间。电源：工作电压和工作电流。齿轮材料：对于输出力矩特别大的舵机，常标有黄铜、铝齿轮字样。物理参数：长、宽、高尺寸和重量。,舵机的控制,舵机与直流电机的区别,PWM的周期可在一定范围内选择；而PPM只能是固定的20ms。PWM的周期内的脉宽比可以从0100%；而PPM的脉宽只能在20ms周期中的02.5ms之间的部分对信息编码，对应的舵机角度在0180度之间变化。为保持直流电机某一转动速度，PWM必须保持脉冲宽度的调制比不变；为保持舵机在某一角度不变，必须保持输入舵机的控制信号PPM脉冲的位置调制值不变。,5/25/2020,85,机器人传感器,传感器,传感器可将物理或化学的非电量信号转化为便于检测和传输的物理量。常见的有温度、湿度、位移、形状、颜色、压力、流量、重量、声音以及振动等物理量。这些非电量信号经传感器转化为电压、电流、频率、电容及电感等电信号。常见的传感器有：光敏器件、热敏器件、磁敏器件、力敏器件、湿度器件及声敏器件等。,传感器分类,