【《基于Arduino IDE的四轮驱动爬壁机器人控制系统的硬件及电路设计案例》3800字】

基于ArduinoIDE的四轮驱动爬壁机器人控制系统的硬件及电路设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u31241基于ArduinoIDE的四轮驱动爬壁机器人控制系统的硬件及电路设计案例 1299751.1手柄部分主要硬件及电路设计 1233551.1.1摇杆部分 1145531.1.2供电部分 2281781.1.3通信硬件电路部分 4106541.1.4其他辅助电路部分 5217601.2.运动接收部分主要硬件电路设计 6106761.2.1供电部分 651801.2.2通信部分 949061.2.3电机驱动及电机部分 10126721.2.4其他辅助电路部分 111.1手柄部分主要硬件及电路设计1.1.1摇杆部分采用双轴摇杆，x轴y轴的数据输出就是模拟端口读出的电压值，它可以被视为一个按钮和电位计的组合，数据类型x，y为模拟输入量,在摇杆不工作或者置中时，摇杆输出的电压为2.5v,进行拨动时，电压在0v-5v内进行变化，arduinonano模拟量输入引脚的电压为0v-5v，其变化的整数范围为0-1023，可以满足使用，不用对其降压。因此VRX,VRY连接到模拟量针脚如图1.1.1.1图1.1.1.11.1.2供电部分图1.1.2.1中，Arduinonano可以采用9v的电池直接进行供电，但是因为要用的一个5v的电源为双轴摇杆供电，所以采用ams1117-5v的芯片，用来将电压转化为5v，为双轴摇杆供电.。此电路为固定电压输出，所以要连一个钽电容，电容不能大于22uF。降压后为双轴摇杆供电，采取这样的电路进行电源的转换，能够起到稳定电压，削弱电流的波动，可以非常好的保护元器件模块，对元器件的寿命影响非常的大，能大大提高元器件的寿命。图1.1.2.1VCC9V与Arduinonano相连接，Arduinonano的VIN口可以用7v-12v的外部电池进行供电，在VIN与GND之间加上电容，在断电和充电时，降低了负载的需求，使输入均匀化，也能够缓冲电压，对元器件的寿命有非常大的影响，提高了元器件的寿命，对元器件的寿命要求降低了。如图1.1.2.2。图1.1.2.2NRF24l01的信号传输跟电源的关系很大，要与数字集成供电分离开，并且要经过很好的滤波，要经过高质量电容去耦。最好采用一个大电容并联一个小电容的方法,否则容易造成丢包，甚至无法使用。大电容一般选择4.7uF的钽电容，小电容选择1000pF，如图4.2.3所示。图4.2.3因为要与数字集成供电分开，所以不选用Arduinonano上的1.3v引脚供电，利用4.2.1中的降压方式，再次进行降压选用的固定输出电压为1.3v，芯片类型AMS1117.1.3V。得到的1.3v电压用来给NRF24L01进行供电。这样的供电方式更有利于NRF24L01的工作，不易受电源的影响。如图4.2.4.图4.2.41.1.3通信硬件电路部分通信采用NRF24L01芯片进行通讯，芯片引脚VCC为电源输入，GND为电源地，CE为使能发射或者接收，CSN、SCK、MOSI、MISO为SPI引脚端，由图4.1.1知，D10、D11、D12、D13可以为Ardunionano的SPI的端口来使用，由于D10、D10、D12、D13这四个端口用来当作SPI引脚，所以就不能当作PWM引脚来继续使用了。图4.1.1Arduinonano与NRF24L01的引脚接线如图4.1.1知，NRF24L01通信模块的MOSI、MISO、SCK将与D11、D12、D13引脚分别连接，做SPI通信使用。引脚CSN和CE可以连接到Arduinonano板的任何数字引脚，它们用于将模块设置为待机或活动模式，以及用于在发送或命令模式之间切换。这里选择将Arduinonano板的D8引脚与NRF24L01通信模块的CE引脚连接，D7引脚与CSN引脚连接。如图4.1.2所示，为NRF24L01的引脚接线图示。图4.1.21.1.4其他辅助电路部分.电源转换完成以后，接上发光led灯，led灯工作电压工作范围在1.8V-2V,白光和蓝光的led灯光工作电压范围3v-1.7v左右，led正常工作的电流的范围在5mA-20mA内，选择发出蓝光的led灯，假设led直接串接在1.3v电路中，由1.3v供电，使用低电流低功率的供电，能有效的延长led灯的使用寿命，所以假设采用0.6mA的电流，3v电源供电，由U=RA可以大概估算出led灯的电阻，得出R=3V÷0.006mA=500Ω（3-1-4-1）通过计算得出led的电阻后，由于想要的出的电阻，电阻与led灯处于并联的关系，知道led的工作电阻、电压。可以利用公式;Ui=U×R知道，利用1.3v供电的时候，电阻Ui=0.3V、U=3.3V，算出Ri图1.1.4.1这两个led灯的作用是在进行通电之后经过降压处理，能指示NRF24L01通信芯片，双轴摇杆是否通电工作，如果已经通电，led灯将会发蓝色光。如果没有ledD1灯没有工作，那么可能是9v电压转5v电压降压出现故障，或者5v电压转1.3v电压降压电路出故障。如果ledD2正常工作，ledD1没有工作，可以确定9v电压转5v电压降压电路出现故障。两个led灯都正常工作时，说明各个元器件模块正常进行工作。1.2.运动接收部分主要硬件电路设计 1.2.1供电部分电源选择24v的锂电池，能够满足电机及各部分的元器件及模块的正常工作，运动接收部分需要进行供电的地方主要有Arduinonano模块、四个伺服直流电机驱动器、NRF24L01通信芯片，主要为这三个主体部分。首先四个直流伺服电机及驱动器供电，直流伺服电机通过直流伺服驱动器供电，供电的电压为18-60vDC，不用采取降压措施，直接为直流伺服驱动器进行供电。如图1.2.1.1，电源出来接开关，作用是在不使用时，进行断电操作，能够延长待机时间，节约能源，否则电路将会一直处于工作的状态。引出24v为直流伺服驱动器进行供电，如图1.2.1.2为电机接线示意图，电机的驱动模式选择速度控制模式的模拟电压输出控制，0-2.5v时电机反转，2.5v时电机不转，2.5v-5v电机正转。VDC接24v电源，进行供电。GND为电源地，进行接地。图1.2.1.1图1.2.1.2Arduinonano供电范围在7v-12v内，由于24v转9v降压容易造成元器件模块的发热，造成电能的大量损失，在电压转换的时候，电压的转换范围越大，损失的电能越大，这样造成及大的浪费，所以从电能消耗的角度来说，采取24v电压转12v电压的效果要比24v电压转9v电压的效果好，这样能更好的节约电能，也能缓解发热量大造成的系统影响。在24v电压转12v电压的转换电路中，采用的时现在转换效率极高的RA2412CS-2W芯片，该芯片VIN+引脚连接电源输入端，当CTRL悬空或者连接高阻值电阻时，RA2412CS-2W进行正常的工作，接到高电平（相对与接地来说）时，模块关闭，不进行工作。电源本身不稳定，再对24v直流驱动器进行供电时，会造成电源的波动，所以要进行并联电容进行输入电流的均匀化，延长转换电路的寿命。-VIN引脚进行接地，为电源地。+VO引脚输出电压，相对与0v输出，0v引脚接地。RA2412CS-2W芯片对输入电源有要求，电源阻抗过高或者电压源与产品之间的接线过长会造成芯片输出的不稳定，要在芯片的输入端（尽量要靠近芯片的输入引脚的位置）接入一个低ESR电容，能够有效的解决好这个问题，如图1.2.1.3所示为24v电压转12v电压的电路接线图。图1.2.1.3NRF24L01通信芯片的供电需要1.3v的电源供电，且要与数字集成供电进行分离开来，所以尽量不去接Arduinonano上的1.3v外供电源引脚。NRF24L01通信芯片对电源的要求很高，电源要经过很好的滤波。如图1.2.1.4，利用vbt1-s12-s1.3-smt降压芯片来进行降压，芯片的NC引脚与NONC都为悬空不接。电源的输入要进过过滤，要减少电流的波动，且缓解电路中的电磁干扰，才能进行使用，否则将造成芯片的温度升高，发热量增大，造成电能的大量损失，严重影响芯片的使用寿命。特别是当变频器输入直流电源接在vin引脚上时，建议在Vin和Gnd之间连接一个低ESR的电解电容。如果还需要额外的滤波，电容可以继续增加，可以采取大电容并联小电容的方法，也可以扩展到LC电路，串联一个电感线圈，达到额外的滤波效果，这里采用LC电路来进行滤波，串联一个电感，输出的电流需要进行滤波，可以接入一个电容来满足输出纹波要求。输出电压也可以像输入电压的接法一样，输出的电压接上电容可以达到额外的滤波效果，但是接上的电容不应超过10uF，也可以串联电感线圈，采用LC电路来达到同样的效果，这里采用串联电感线圈，如图1.2.1.4所示。图1.2.1.41.2.2通信部分运动接收部分的通信与手柄摇杆部分的电路一样，电源的接入同样进行滤波，采取大电容并联小电容的方法，大电容为高质量的钽电容，大电容一般选择4.7uF的钽电容，小电容选择1000pF，由两个电容并联而成，然后共地，这样能最大化的去耦，而且由于两个电容并联，一般要求相差至少两个数量级别以上，以获得更大的滤波范围，选择4.7uF大电容与1000pF小电容并联，级别达到了两个级别以上。如图1.2.2.1所示，图1.2.2.1Arduinonano的D3、D5、D6、D9、D10可以做PWM端口使用，D10因为已经做SPI使用，所以排除D10，NRF24L01通信模块的MOSI、MISO、SCK将与D11、D12、D13引脚分别进行连接。1.2.3电机驱动及电机部分直流伺服电机的供电由直流伺服驱动器其完成，控制也由直流伺服驱动器完成，驱动器的控制模式选择的是速度控制模式中的外部模拟量输入进行控制，所以直流伺服驱动器的AI接口与Arduinonano的PWM引脚相连接。信号地要与电源地共地连接。1.2.4其他辅助电路部分跟手柄部分一样，电源转换完成以后，接上发光led灯，白光和蓝光的led灯光工作电压范围3v-1.7v左右，led正常工作的电流的范围在5mA-20mA内，假设led直接串接在1.3v电路中，由1.3v供电，使用低电流低功率的供电，能有效的延长led灯的使用寿命，所以假设采用0.6mA的电流，3v电源供电，由U=RA可以大概估算出led灯的电阻，R=3V÷0.006mA=500Ω（1.2.4.1）通过计算得出led的电阻后，由于想要的出的电阻，电阻与led灯处于并联的关系，知道led的工作电阻、电压。可以利用公式Ui=U×Ri÷R可以知道，利用1.3v供电的时候，电阻Ui=0.3V、U=3.3V，算出选择1500欧姆的电阻。接线图如图1.2.4.1所