机器人技术基础硬件部分课件

1、机器人技术基础中国矿业大学徐海学院主 讲：夏帅（硬件部分）课时安排 课程概述与引言 1课时1 车模介绍与组装 2课时2 硬件电路设计与制作 4课时3 电路连接与程序下载 2课时4车模现场测试与考核 1学时5第一讲：1学时中国矿业大学徐海学院课程概述与引言课程内容与目标循迹智能汽车的设计与制作电路设计软件调试硬件组装赛场实际测试20课时课程开设意义选拔参赛队员电子制作兴趣 实践动手能力得到锻炼 提高个人竞争力 飞思卡尔智能汽车竞赛 机器人大赛 电子设计大赛 兴趣是最好的老师将所学知识应用到电子制作中机器人技术基础应用型人才2022/8/107飞思卡尔智能车竞赛规则光电组竞赛规则变化第七届第八届第

2、九届2022/8/108摄像头组竞赛规则变化第七届第八届飞思卡尔智能车竞赛规则第九届2022/8/109电磁组竞赛规则变化飞思卡尔智能车竞赛规则第七届第八届第九届第二讲：2学时中国矿业大学徐海学院车模介绍与组装车 模 套 件万向轮主控板驱动轮车底板传感器车模组装一：万向轮的安装车模组装二：驱动轮的安装车模组装二：驱动轮的安装（续）请提前焊接电机连接线车模组装三：安装控制板车模组装四：安装传感器第三讲：4学时中国矿业大学徐海学院硬件电路设计与制作循迹智能汽车的硬件电路结构循迹智能汽车的硬件组成一、检测单元二、电机驱动三、电源管理四、控制电路五、按键控制与输出显示一、检测单元 “飞思卡尔”智能汽车

3、竞赛根据所采用的传感器不同，分为光电、摄像头和电磁三个组别。摄像头组光电组电磁组 车模通过感应由赛道中心电线产生的交变磁场进行路经检测的属于电磁组。 车模通过采集赛道图像（一维、二维）或者连续扫描赛道反射点的方式进行进行路经检测的属于摄像头组。 车模通过采集赛道上少数孤立点反射亮度进行路经检测的属于光电组。光电组路径检测传感器的分类：红外对管灰度传感器激光管检测原理：当发射管发出的光线照射在赛道的不同位置时，接收管的状态发生较大变化，通过相应的处理电路就可以获得此时的状态值，进行路径的判断。线阵CCD 光电传感器检测路面信息的原理是由发射管发射一定波长的光，经地面反射到接收管。由于在黑色和白色

4、上反射系数不同，在黑色上大部分光线被吸收，而白色上可以反射回大部分光线，所以接收到的反射光强是不一样，进而导致接收管的特性曲线发生变化程度不同，而从外部观测可以近似认为接收管两端输出电阻不同，进而经分压后的电压就不一样，就可以将黑白路面区分开来。红外对管电源地信号输出电源正灰度传感器输出值巡线传感器输出特性1. 贴近白色赛道，传感器输出电压达到最大值：约4.7V；2. 远离白色赛道，传感器输出电压达到最小值：约0.2V；3. 贴近黑色赛道，传感器输出电压：约为0.7V。 由于红外对管输出的是电压信号，为模拟量信号，因此必须经过相应的电路进行处理，可以采用的方法有两个： 外加硬件比较电路实现；

5、单片机AD采样，内部比较电路实现。硬件比较电路优点： (a) 直接向单片机提供数字量信号，抗干扰性能好！ (b) 单片机无需AD转换功能，编程简单。缺点： (a) 需要外加电路，增加了硬件设计的复杂程度； (b) 为适应不同赛道，需要手动调节电位器以满足要求。软件比较方式优点： (a) 传感器输出直接与单片机AD端口连接，无需外加电路； (b) 通过软件编程可自适应赛道的关照变化； (c) 减少了硬件直接的连线，提高系统的可靠性。缺点： (a) 要求单片机具备ADC资源； (b) 增加了软件编程的复杂程度。 实验室提供的传感器为红外对管光电传感器，采用软件编程实现数字化编码。激光管检测电路：

6、激光传感器由两部份构成，一部份为发射部份，一部分为接收部份。发射部份由一个振荡管发出300kHz 频率的振荡波后，激光管发光；接收部份由一个相匹配300kHz 的接收管接收返回的光强，经过电容滤波后直接接入单片机，由于激光传感器使用了调制处理，接收管只能接受相同频率的反射光，因而可以有效防止可见光对反射激光的影响。为了更好的接收反射回来的光，在接收管上套一个透镜，可以起到一定的滤光作用，使接收管接收的信号更加强，便于单片机对数据进行处理。 由于激光管成本高、对眼睛有伤害，第八届飞思卡尔智能车竞赛中已禁止使用激光管！光电组智能汽车对传感器需要考虑的三个问题：(1) 传感器的数量(2) 传感器的布

7、局方式(3) 传感器的布局间隔光电传感器的数量与布置方式 为保证循迹智能汽车能够按照赛道引导线运行，一般需要多个传感器同时检测赛道。 理论上讲，所用的传感器越多，对赛道的检测则越精确，控制越灵活，但是，当传感器数量增多时，占用的单片机管脚增多，处理电路也增多，消耗的电量也越多。 因此，从实际应用的角度考虑，需合理选择传感器的数量。 另外，传感器的不同排列方式也会对赛道的检测有不同的作用。“一”字形布局方式 “一”字形布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器在一条直线上，从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。“八”字形布局方式 “八”字形布局从横向来看与“一”字形布局类似，但它增

8、加了纵向的特性，从而具有了一定的前瞻性。“W”字形布局方式 为了能够提早地预测到弯道的出现，可以将左右两端的传感器进行适当前置，从而形成“W”形布局，此外，还可利用“W”形布局来检测赛道的弯曲程度。光电传感器的布局间隔 各个传感器的布局间隔对智能车的运行，是有一定影响的。传感器的间隔是否合适，对过弯的精确性以及防止飞车有很大的影响。 设定传感器间隔的原则是：既要满足一定的密度以保证走弯道时轨迹相对精确，又要尽可能拥有大的横向控制范围来防止飞车。若传感器间隔设置合适，当赛道有一点微小的变化时，小车的控制单元就能进行相应的反应（改变前轮转角），从而使得过弯道的轨迹与弯道大体重合，精确性好。 电磁组

9、传感器检测原理：20kHz、100mA交流电流引导线附件磁场分布曲线电磁组传感器检测原理：电磁传感器信号采集处理电路原理图 由于采集的是磁信号，因此电磁传感器受外界光线干扰小。二、电机驱动 智能汽车由直流电机提供动力，电机由车载直流电源供电，小车在运行过程中需要根据赛道设定合适的速度，即需要对电机速度进行控制。因此，一般需要通过电机驱动电路向电机提供可以调节输出电压的电源，以控制小车的速度。 电机驱动在车模中的位置？ 智能汽车由直流电机提供动力，电机由车载直流电源供电，小车在运行过程中需要根据赛道设定合适的速度，即需要对电机速度进行控制。为什么需要电机驱动？ 智能汽车由直流电机提供动力，电机由

10、车载直流电源供电，小车在运行过程中需要根据赛道设定合适的速度，即需要对电机速度进行控制。L298NM33886BTS7960/7970MOS-H桥+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4H桥式直流电机驱动电路原理图 H形驱动电路原理图PWM控制电机正转，车模前进！电机反转，车模后退！ L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。主要特点： 工作电压高，最高工作电压可达46V； 输出电流大，

11、瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A，额定功率25W。 内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载； 采用标准逻辑电平信号控制； 具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作； 可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。No.1：L298N1#电机2#电机1#电机电流检测2#电机电流检测供电电源：电池（+）供电电源：电池（地）1#电机控制端1#电机使能端2#电机控制端2#电机使能端参考逻辑电平IN1IN2ENA电机状态011逆时针101顺时针XX0停止L298N控

12、制功能表控制方式：IN1接正转PWM1，IN2接反转PWM2，EN控制启停；EN接一路PWM，IN1接方向控制端DIR，DIR经反向后接IN2。比较：第二种方式比第一种方式要节省单片机管脚，控制更方便！L298N硬件电路原理图No.2：M33886特性： 工作电压：5-40V 导通电阻： 120m 输入信号：TTL/CMOS PWM频率：=25V总结：智能车驱动电路设计 驱动电路的作用时将固定的电源电压变为可调的直流电源，输出给直流电机，达到控制小车运行速度的目的。 驱动电路基本上均采用H桥的电路结构形式，通过调节控制端PWM信号的占空比即可调节输出的直流电压，进而控制小车速度。 L298N电

13、路最简单，且成本最低，适合初学者使用，但是驱动功率比较小。 M33886开通电阻较大，应用时需特别注意发热的问题。 BTS7960为半桥结构，有电机正反转要求时需要两片。 分立元件的H桥电路输出功率最大，但电路复杂且成本较高，适合有一定硬件设计基础的同学选用！三、电源管理电路作用：为芯片及元件提供电压使其能正常稳定的工作！智能车的运行仅由一个电池提供电源！镍镉电池放电曲线！参数： 电压：1.26=7.2 V 容量：2000mAh传感器主控板舵机电机驱动 不同的电路需要不同的电压，而电源仅由一个7.2V电池供电，因此，电源管理电路需要将7.2V的电压变换为各种需要的电压等级！无线模块5V5V/3

14、.3V5V/6V电池直接供电3.3V摄像头5V/12V电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计。注意两点： 1. 与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在6-8V 左右，要考虑在电池损耗的情况下电压的降低。 2. 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。 现在各种新型的电源芯片层出不穷，可以根据自己的需求自行选择电源芯片。 应该主要注意稳压压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求。智能车电源设计要点No.1：三端稳压芯片三端稳压芯片使用方便，适合初学者入门用。但是，输出电压无法调节，且输出电流一般比较小！常用的稳压芯片由LM7

15、805，LM7806，LM2940，LM1117等。LM7805典型应用电路最大输出电流为1.5A输入电压：7.5V20V 当输入端电压降低至6V左右时，7805稳压效果变差！低压差稳压芯片LM2940 LM2940 系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器；输出电压有5V、8V、10V 多种； 最大输出电流1A； 输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V； 最大输入电压26V； 工作温度-40+125； 内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。LM2940-5.0V典型应用电路No.2：高性能稳压芯片三端稳压芯片可满足基本供电需求；只能实现降压稳压控制，无法

16、实现升压稳压控制；管脚一般为5个，价格比三端稳压芯片要高！开关电压调节器LM2596 LM2596 能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。 固定输出版本有 3.3V、5V、12V， 可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。LM2596-5.0典型电路LM2596-5.0典型电路LM2587-6V舵机电源LM2587-12V摄像头电源四、控制电路控制电路是智能车的核心，均采用数字处理器。控制电路设计内容： 控制芯片的选型； 最小系统电路设计； 传感器输入接口电路设计； 舵机控制、电机驱动PWM设计； 按键与显示电路设计。控制芯片选择选择要点： 选择自己熟悉的或是欲研究的

17、单片机型号； 充分考虑单片机内部资源和相关IO使用； 选择资料较多、容易买到的单片机。MCS -51系列单片机AVR mega系列单片机Freescale系列单片机常用的单片机系列：单片机最小系统： 指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。最小系统结构与单片机的类型有关。 最小系统一般应该包括：单片机、晶振电路、复位电路、电源。STC12C5A60S2本课程所用的单片机：STC12系列单片机 （1） 增强型8051 CPU，1时钟/机器，指令代码完全兼容传统8051。 （2） 工作电压范围： 5V单片机：3.4V5.5V，3V单片机：2.2V3.8V。 （3）工作频率范围：035MHZ，相当

18、于普通8051单片机的0420MHZ。 （4）用户程序空间：根据单片机型号配置不同的用户程序空间，有1KB、2KB、4KB、6KB、8KB、12KB等。STC系列单片机概述STC12系列单片机 （5）片内RAM：STC125410AD系列片上集成512字节RAM，而STC122052AD系列只有256字节RAM。 （6）通用I/O口：27、23或15个，可设置成四种模式：准双向口/弱上拉、推挽/强上拉、仅为输入/高阻、开漏输出，复位后为准双向口/弱上拉状态，开漏输出状态时每个I/O口的驱动能力均可达到20mA，但整个芯片的驱动能力最大不超过55mA。STC系列单片机概述STC12系列单片机 （

19、7）ISP（在系统编程）和IAP（在应用编程）功能：无需专用编程器/仿真器，可通过单片机串口直接下载用户程序，数秒即可完成一片。EEPROM功能 （8）看门狗功能 （9）内部集成MAX810专用复位电路，外部晶体20MHZ以下时，可省外部复位电路。 （10）时钟源：外部高精度晶体时钟，内部RC振荡器。用户在下载用户程序时，可选择使用RC振荡器，还是使用外部晶体时钟；内部RC振荡器的振荡频率为：5.2MHZ6.8MHZ。STC系列单片机概述STC12系列单片机 （11）16位定时器/计数器：T0、T1，STC125410AD系列可利用4个PCA模块实现4个16定时器，STC122052AD系列可

20、利用2个PCA模块实现2个16定时器。（12）Power Down模式的唤醒：由外部中断唤醒。（13）PWM/PCA（可编程计数器阵列）：STC125410AD系列有4路，STC122052AD系列有2路；PWM/PCA还可用作D/A，或用作定时器，或用作外部中断。（14）A/D转换：STC125410AD系列有8路10位A/D，STC122052AD系列有8路8位A/D。STC系列单片机概述STC12系列单片机 （15）SPI同步通信接口：主模式/从模式。 （16）工作温度范围：有075和-4085两种。 （17）封装：LQFP32，SOP32/28/20、SKDIP28，PDIP20，TSSOP20。LQFP32、SOP32有27个I/O口，SOP28、SKDIP28有23个I/O口，SOP20 、PDIP20，TSSOP20有15个I/O口。STC系列单片机概述传感器接口STC12C5A60S2电机驱动L298USB下载线接口电机接口电池接口及开关单片机冷启动功能按键第四讲：2学时中国矿业大学徐海学院电路连接与程序下载车模组装：连接导线传感器连接至控制板的ADC外接电源接口电机线连接至驱动接口注意连接线的对应硬件电路的连接1. 电机连接2. 传感器连接3. 电源左轮电机右轮电机右左传感器的连接线：OUTVCCGNDADC0智能小车程序调试流程Ste