【《基于单片机的四足爬行机器人控制系统的硬件设计选型案例》3900字】

基于单片机的四足爬行机器人控制系统的硬件设计选型案例目录TOC\o"1-3"\h\u14918基于单片机的四足爬行机器人控制系统的硬件设计选型案例 1144691.1驱动舵机的选择 1253171.2单片机型号的选择 143181.3电源的选择 1272201.4主控芯片的选择 1132521.5WIFI模块的选择 256751.6ESP8266的功能与基本参数 2128591.6.1ESP8266芯片引脚 3219971.6.2ESESP8266的三种工作模式 5322911.6.3硬件电路设计 568671.7充电模块tp4056 6223341.8自锁开关 7131161.9ESP-12E电机驱动扩展板 7208471.10硬件设计的软件介绍 91.1驱动舵机的选择舵机，又名伺服电机，它主要包括机壳、电路板、马达、减速齿轮和电位器。转向多应用于连续变角和可维持控制系统中，通常用于机器人的连接关节处的控制，由于舵机转角范围一般在0~180度之间，可通过电路控制来实现机器人各关节运动的控制以完成运动。1.2单片机型号的选择单片机属32位处理器，单核处理器ESP8266，运⾏频率为80MHz。该单片机有WIFI模块支持SPI、I2C、UART多种协议。该单片机引脚较多，能对同一个引脚进行多种功能分配，并且它有价格低廉、性能好、使用效率高的诸多优点，并且它能够满足设计中所需要的各项工作要求一切选用ESP8266为主控芯片对我机进行控制。1.3电源的选择由于ESP8266所能承受数字引脚输入电压最高不能大于3.3V模拟引脚可读电压0-1V以内，故不选用五号电池，为了达到其能同时达到被usb供电和出门随身携带的目的，便携式电源。所有采用锂电池供电方式，电池功率大、供电平稳。电路采用内部电压转换和降压处理的方法.REF_Ref14546\r\h1.4主控芯片的选择Esp8266（NodeMCU）是一款集成了WIFI功能的MCU开发板，可以直接连接WIFI。其发展环境多元化，是目前最为流行的物联网芯片。是一个成本较低的无线设备，它适用于TCP，IP，和微控制器。其工作电压在3V-3.6V之间，其先进的前面的速度处理和存储能力的必要条件。它能方便地与其它电子设备相连，仅需要最微小的调节，而又能放大以适用于其它部件。本装置占用空间少，便于与有效电路板适配，是一种能较好满足四足机器人设计所需的芯片。1.5WIFI模块的选择WIFI模块芯片选用ESP8266模块,ESP8266模块是乐鑫公司生产的一款物联网芯片，为超低功耗UART-WIFI模块，专门为移动设备和物联网应用而开发，可以把用户物理设备接入WIFI无线网络，在互联网或者局域网中进行通讯，从而达到联网的目的，具有性能稳定、价格低廉等特点。该芯片至今已经推出了许多不同的型号，鉴于本次的设计的电路功能不是很复杂，只需要选用早期的ESP8266芯片型号即可实现，故选用ESP8266的WIFI模块。1.6ESP8266的功能与基本参数ESP8266是由EspressifSystems（中国上海）推出的高性能无线SoC,它将控制器，存储单元及Wi-Fi控制模块、数据的信号接收器、发生器等硬件整合在一块小成本智能芯片上，以小成本实现功能强大。ESP8266集成了一个TensilicaL10632位MCU（微控制器单元），具有超低功耗16位RSIC（精简指令集），RTOS（实时操作系统）可以达到最高的160MHz时钟速率，启用和功能Wi-Fi堆栈，大约80%的处理能力仍可供用户应用程序编程和开发，从而以最低的成本提供最大的效用。另外，还将标准数字外围接口、天线开关、平衡变压器电感、功放、低噪声接收放大器、滤波器以及电源管理模块等均集成于小封装内部。本实用新型体积缩小，方便后续安装。其引脚图及实物图见附图.图1.1图1.21.6.1ESP8266芯片引脚图1.3表1.1各引脚功能叙述序号Pin脚名称类型功能说明1RETI外部重置信号（低高频有效）复位模组2ADCIA/D转换管脚，输入电压范围0-1V，取值范围：0-10243ENI/O芯片使能端，高电平：有效，芯片正常工作：低电平：芯片关闭，电流很小4IO16I/O深度睡眠唤醒5IO14I/OGPIO14;HSPI_CLK6IO12I/OGPIO12;HSPI_MISO7IO13I/OGPIO13;HSPI_MOSI;UART0_CTS8VCCP模块电源；3.3V9CS0I/OGPIO11;SD_CMD;SPI;CS010MISOI/OGPIO7;SD_D0;SPI;MISO11IO9I/OGPIO9;SD_D2;PIHD;HSPIHD12IO10I/OGPIO10;SD_D3;SPIWP;HSPIWP113SCLKI/OGPIO6;SD;SPI_CLK14GNDPGND15IO15I/OGPIO15;TDO;HDPICS;UART0_RTS16IO2I/OGPIO2;UART1_TXD17IO0I/OGPIO0;SPI_CS218IO4I/OGPIO419IO5I/OGPIO520RXDI/OGPIO3;可用作烧制Flash时UARTRx21TXDI/OGPIO1;可用作烧制Flash时UARTTx22MOSII/OGPIO8;SD_D1;SPI_MOSI1表1.2引脚接口说明接口名称管脚功能说明HSPI接口IO12(MISO)，IO13(MOSI)，IO14(CLK)，IO15(CS)可外接4SPIFlash，显示屏和MCU等PWM接口IO12(R)，IO15(G)，IO13(B)demo中提供4路PWM（用户可以自行扩展至8路），可用来控制彩灯，蜂鸣器，继电器及电机等IR接口IO14(IR_T)，IO5(R)IRRemoteControl4接口由软件实现，接口使用NEC编码及调制解调，采用38KHZ的调制载波ACD接口TOUT可用于检测VDD3P3（Pin3，Pin4）电源电压和TOUT（Pin6）的输入电压（二者不可同时使用）可用于传感器等应用12C接口IO14（SCL），IO2(SDA)可外接传感器和显示屏等UART接口UART0;TXD(U0TXD)，RDX(U0RXD)，IO15(RST)，IO13(CTS)UART1:IO2(TXD)可外接UART接口的设备。下载：U0TXD+U0RXD或者GPIO2+U0RXT通信（UART0）：U0TXD，U0RXT，MTDO(U0RXT)UARTO在ESP8266EX上电默认会输出一些打印资料，对此敏感的应用，可以使用UART的内部引脚交换功能12S接口12S输入；IO12(12SI_DATA);IO13(12SI_BCK);IO14(12SI_WS);主要用于音频采集，处理和传输12S输出;IO15(12SO_BCK);IO3(12SO_DATA);IO2(12SO_WS)1.6.2ESESP8266的三种工作模式在ESESP8266模块中，存在如下3种工作方式:分别为STA模式、AP模式和STA+AP模式P8266工作模式。STA模式:STA模式以模块网络连接为主，即将ESP8266模块接入由接入点设置的Wi-Fi网络中。Station模式能够更容易地对Wi-Fi连接进行管理，当连接缺失时ESP8266会自动重连最终所用访问点，保证其可以再次使用，在物联网的联网系统中该模式使用最多。AP模式：接入点就是为其他装置提供Wi-Fi网络接入，并与有线网络相连。ESP8266也能提供相似的特性，只不过它并不具备与有线网络相连的接口，这一操作方式叫做软接入点。可同时连接AP的最大站数可设置为0~8。常用的AP模式可被认为在ESP8266接入STA模式的Wi-Fi前的中间环节。在SSID与网络密码无法事先得知的情况下,ESP8266会先激活AP模式，使我们用笔记本电脑或者手机与之相连，从而实现无线网络控制以及各个模块之间的通信STA+AP模式ESP8266模块可以作为一个独立设备运行，所以我们能够把它们接入Wi-Fi网络中。它还可以作为一个软接入点建立自己的Wi-Fi网络，当ESP8266模块作为软接入点运行时，我们可以将其他工作站连接到ESP8266模块。REF_Ref14745\r\h1.6.3硬件电路设计ESP8266电路本论文所设计之系统以ESP8266为控制器，可透过板上的GPIO与UART来接受传感器的资料，既可用作接入点（AP）又可用作站点（STA）。因此，在作为AP的时候，可以通过发送指令设置所连接Wi-Fi的名称与密码、输入云服务器IP地址、端口号等信息。这将使其接入Wi-Fi网络并且基于其在STA中被用作预定义参数来建立云服务器。在采集温度、湿度、光照强度、CO2浓度等信息后，将数据以OneNET指定格式进行上传。实际应用时，将ESP8266模块上电，引脚GPIO0接地，用串口刻录并编写引脚控制程序。CH340芯片实现了普通串口与USB之间的切换。以RXD,TXD为串口输入与串口输出，UD+和UD-对应USB数据线。由于在ESP8266模块中集成了上拉电阻，因此在电路中不涉及I2C上拉电阻。ESP8266整体设计电路见下图。图1.31.7充电模块tp4056TP4056是一种锂离子或者锂聚合物电池而设计的线性充电器电路，利用芯片内部的功率晶体管对电池进行恒流和恒压充电。通过外阻编程即可设定充电电流，不间断充电电流上限为1A,无需增加电流阻断二极管及电流检测电阻。TP4056含有两个漏极开路输出，充电状态指示端（CHRG）及电池故障（STDBY）状态指示输出端。芯片内功率管理电路在芯片结温高于145°C后，充电电流会自动减小，该功能能让用户将芯片功率处理能力发挥到极致，不需要担心芯片温度过高，会对芯片或外部元器件造成损害。TP4056引脚图及引脚功能图1.4TEMP(引脚1):用于检测电池温度的输入端。PROG(引脚2):恒流充电电流设定及充电电流监控端。GND(引脚3):电源接地VCC(引脚4)正输入端的输入电压。BAT(引脚5):电池的连接端。STDBY(引脚6):电池充电后指示端。CHRG(引脚7):充电状态指示端，用于漏极开路输出。CE(引脚8):芯片的始能输入端。1.8自锁开关自锁开关为常用的具有机械锁定功能，在自锁开关首次被按下后，该开关被接通并保持接通，即开关处于自锁状态，二次按动自锁开关后，开关切断，同时开关按钮弹起使开关进入切断状态。图1.5自锁开关实物1.9ESP-12E电机驱动扩展板叠插ESP12EDevKit的实物效果图图1.6ESP-12E的PCB板视图图1.7ESP8266参数说明电源输入：电机电源（VM）：4.5V-36V，可以单独供电。控制电源（VIN）：4.5V-9v（10VMAX），可单独供电；模块提供短路子（短路VM和VIN），可以方便地使用一路电源（必须4.5V-9V）同时完成电机的驱动与控制。逻辑工作电流Iss：≤60mA（Vi-L），≤22mA（Vi-H）;驱动部分工作电流1o:1.2A:最大耗散功率：4W（T-90℃）控制信号输入电平：高电平：1.3V<vTm≤VTN.低电平:-0.3VVIL≤1.5V工作温度：-25℃-41250ESPI2EDevKit控制端口：D1，D3(A电机)。D1.D4(B电机)模块重量:20g驱动形式：双路大功率H桥驱动各位置区域功能说明图1.81.10硬件设计的软件介绍此次利用solidworks软件设计机器人硬件需要的框架3D建模打印，利用solidworks制图具有如下优势1、全Windows界面、操作简单2、清楚、直观、整洁“全动感”用户界面(1）“全动感”用户界面使得设计过程非常简单：动态控件采用了不同的色彩和说明，以提醒设计师注意目前的运行情况，从而能够清晰地显示出自己目前在进行哪些工作(2）标注使设计师能够将有关具体功能的参数标记到图形区域中；鼠标确认以及丰富的右键菜单使设计部件极为简单；创建特征的时候，不管鼠标的位置是什么，都能很快确定特征建立3、灵活的草图绘制和检查功能(1）草图绘制状态和特征定义中状态之间存在明显区别，这使得设计师能够很容易地确定它们的运行状态；单击-单击式或单击-拖动式；单击及单击绘图与AutoCAD软件很相似(2）在草图绘制过程中进行动态反馈与推理可自动加入几何约束使得绘图变得十分清晰与方便；用不同颜色表现草图的各种状态；勤查草图的合理性4、强大的特征建立能力和零件与装配的控制功能(1）强大特征的实体建模功能。组件设计采用拉伸、旋转、薄壁功能、高级壳体、特征阵列及钻孔操作来实现零件的设计(2）采用零部件及装配配置，既可使用已有的设计构建企业产