【《某智能避障小车的硬件系统设计案例》2600字】

某智能避障小车的硬件系统设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u13346某智能避障小车的硬件系统设计案例 1229511课题来源 13962硬件设计设计 1256462.1智能小车的避障模块选型 15842.2电机驱动模块 459342.3电源 518712.4GPS模块 5299862.5蓝牙模块 6207232.6电子罗盘模块GY-273 7281152.7MCU微控制器模块 91课题来源任务书2硬件设计设计2.1智能小车的避障模块选型避障模块就是小车的眼睛，只有这样小车才能采集前方的数据进行分析。查阅众多的资料，目前的避障主要是以测距模块和摄像头采集数据进行图像识别这两种方式实现。本次选择使用测距模块来实现避障功能。测距模块的主要功能是测量模块位置距离障碍物的距离，再根据距离大小来躲避前方的障碍物。根据所查阅的信息，方案有以下三种：方案一、红外传感测距模块由原理图2-1可知，该模块主要由LM393比较器和一个红外对管组成。其工作原理：红外对管的发射管发射出红外线，若前方存在物体，物体会把红外线反射回去，红外对管的接收管接收到红外线时，红外对管导通，比较器LM393直接与GND相连，此时D0输出低电平；若红外对管前方不存在物体，红外线就不会被物体反射，红外线对管中的接收管将不会收到发射出去的红外线，使得接收管不导通，导致LM393比较器的正极端口的电压要大于负极端口的电压，D0引脚输出为1。使用时，只需读取D0引脚输出的电平，来判断前方是否存在物体，阻碍智能小车前行。图2-1红外避障模块原理图介绍完原理，接下来说明一下模块的电气参数：VCC可接3.3V或者5V的电源；GND接电源的接地端口；D0端口为数字量输出；检测范围为2-30cm，可调节电位器从而改变检测范围；检测角度约为35度。优点：使用方便，占用的IO少。缺点：调整检测距离需要调节滑动变阻器；易受管线影响；并且阻挡物体不能为黑色，否则红外线会被吸收，导致模块误判为前方无物体。实物如下图2-2：图2-2红外避障模块实物图介绍完芯片及原理后，再讲解一下模块的一些参数：VCC可接3.3V/5V的电源正极;GND接电源的接地端口;SCL可接主控芯片的I2C通信的时钟线;SDA可接主控芯片的I2C通信的数据线;INT为中断输出引脚；XSH为片选使能引脚。优点：面积小、测量的精度为正负3%、多种测量模式以及可设置IIC从机的通信地址设置和中断输出。缺点：性价比低、最远距离2M、强光环境下最远距离会缩短。实物图，如下图2-4。方案二、超声波测距模块由图超声波模块原理图图2-3可知，该模块由8位单片机STC11、运算放大器TL074、电平转化芯片MAX232等组成。图2-3超声波模块原理图由于该模块涉及到STC11的内部程序，在此就不说具体原理及实现。接下来说一下引脚功能，实物图如下图2-4，模块VCC引脚可接5V或者3.3V（电源电压不同，测量的距离也不同）；Trig引脚为触发控制信号的输入；Echo引脚为回响信号的输出。优点：可控性强、性价比高、测距精度可达3mm、可测范围广(2cm-450cm);缺点：感应角不大于15度、检测面积大于0.5平方米。图2-4超声波模块实物图经过仔细的思索和对比，最后决定使用HC-SR04+作为智能小车的“眼睛”。2.2电机驱动模块本系统选择使用电机驱动模块—L298N，模块采用ST公司研发的电机驱动芯片L298N，该芯片可同时驱动两路3伏至30伏的直流电机，并且芯片内部蕴含降压，可直接为MCU提供5V的电源，并且3.3VMCU的控制，可以方便的控制直流电机的速度与方向，也可以控制两相的步进电机，驱动的电流高达2A，是智能小车电机驱动的首选。实物图如下图2-5：图2-5模块实物图L298N引脚说明图如下图2-6，输出A和输出B接电机的正负两极。通道使能A引脚和通道使能B引脚接高电平有效，可接PWM进行对电机调速。5V供电降低VCC电压输出5V，可为MCU供电。逻辑输入负责根据MCU的IO输出，控制电机正转、反转、停止。12V供电为电源VCC引脚，输入电压为7V至35V。图2-6L298N电机驱动模块引脚说明2.3电源电源采用3节18650锂电池，本该选择一个电源模块去降压，为MCU供电，但因为L298N电机驱动模块自带5V降压，因而直接采用3节18650锂电池。电源满电使用万用表测量为为10.8V，满足L298的电源输入。2.4GPS模块GPS模块采用具有强大性能、体积小的NEO-7N模组，模块集成了放大电路，提升了无源陶瓷天线搜索卫星的速度。同时自带EEPROM,可以通过模块的USB接口进行设置GPS模块的各种参数，并保存与EEPROM，掉电不会消失。使用时需注意，信号灯常亮，表示还未实现定位；信号灯闪烁，表示已经定位成功模块。说明图，如下图2-7。图2-7GPS模块说明图GPS模块接线说明，如表2-1。简单介绍GPS的一些主要参数：GPS模块的串口通信波特率默认为9600。引脚VCC、GND、TXD、RXD必须接，PPS可以选择不接。定位所需时间由短到长：3m的SMA有源天线、有源的陶瓷天线、无源的天线。并且GPS定位时，需在室外空旷之地。本系统采用最快的SMA有源天线。表2-1GPS引脚说明表2.5蓝牙模块万物互联思想的提出，智能家居开始兴起。目前蓝牙主要分为两种，其中一种是经典蓝牙，另外一种就是为了智能家居研发的低功耗蓝牙BLE。经典蓝牙模块(BT)通常是指使用的蓝牙协议低于4.0的蓝牙模块，其优点是传输数据量大，相应的这就会出现功耗大的缺点，还有一缺点是通信距离短，一般为10M左右。低功耗蓝牙BLE则是指所使用的蓝牙协议高于4.0的蓝牙模块，其特点是低功耗，同样的为了控制功耗，传输数据量就比较小，但其传输距离大于经典蓝牙，大约为50米左右。本系统采用经典的蓝牙串口模HC-05，HC-05具有两种工作模式，其一是命令响应工作模式，该模式下可是使用AT指令对模块进行操作和配置。因该模式下使用的AT指令，又称AT模式。另一种模式为自动连接模式，当模块处于该模式下，将会依据实现的配置，进行数据的传输。HC-05实物图如下图2-8：图2-8HC-05蓝牙模块2.6电子罗盘模块GY-273本次系统中所使用的电子罗盘模块的核心是霍尼韦尔公司的HMC5883L芯片,HMC5883L是一种高度集成化，且具有多种数字接口的弱磁传感器类型的芯片。HMC5883L采用了美国霍尔尼尔公司的各向异性磁阻（AMR）技术，此项技术提高了HMC5883L的轴向的灵敏度和线性精度。其通常被应用于智能手表、手机、汽车的导航系统等。模块实物图，如图2-9。图2-9磁力计模块HMC5883HMC5883L是通过采集周围的磁场矢量，通过算法计算出与磁北的角度，而磁北极与真正的北极只相差11度左右。磁北与真北的区别，如图2-10。图2-10磁北与真北的区别图2.7MCU微控制器模块根据以上模块的选择，蓝牙模块和GPS个需要一个USART，L298N需要至少8个GPIO脚，超声波模块需要2个GPIO，SG90舵机需要一个PWM，再根据最小系统价格，本系统选择MCU的型号为STM32F103C8T6。STM芯片选型手册如下图2-11。图2-11STM32F1系芯片选型图STM32F103C8T6最小系统板原理图如下图2-12，简单介绍一下途中电路图，电源模块部分：负责将5V电源降压为3.3V给芯片供电；复位电路部分：采用按键，按下时，RES