【某智能运输小车的控制系统硬件设计案例概述综述3600字】

某智能运输小车的控制系统硬件设计案例概述目录TOC\o"1-3"\h\u14716某智能运输小车的控制系统硬件设计案例概述 1181251.1硬件选型 1221141.1.1主控制器选型 1218211.1.2电机选型 349411.1.3电机驱动选型 579101.1.4摄像头选型 724741.2电路设计 9173781.2.1电路设计软件 9317781.2.2电路接线 91.1硬件选型1.1.1主控制器选型Arduino是一款于2005年由欧洲研究人员开发的灵活开放，功能便捷的电子平台。其硬件经过十几年的发展，出现了ArduinoUno、ArduinoNano、Arduinomega等不同型号的开发板。一般来说，ArduinoUno是最常用的一款开发板，其性价比最高。而Arduinomega开发板虽然相对较贵，但它的尺寸是Uno的两倍，有更多的引脚用来控制外部设备和传感器，还具有更多的串行接口进行串行通讯，功能更为全面，因此选用Arduinomega系列的开发板作为主控制器。图1.1Arduinouno开发板图1.2Arduinomega开发板本设计采用Arduinomega2560作为主控芯片。它是基于ATmega2560的电路板，具有256KB的Flash存储器、8KB的SRAM和4KB的EEPROM。Arduinomega2560电路板具有开发简单、适用于开源项目、可扩展性好等特点，一般用于较复杂的开发项目。它具有54个数字输入/输出端口，15个模拟输入输出口，4个UART串行接口、16MHz的晶振。还有1个USB口可直接外接电源为Arduino供电。这款开发板的性能和配置已足够作为本课题的智能小车的控制芯片，本设计的主控制器选择Arduinomega2560。图1.3Arduinomega2560引脚图如图1.3，mega2560有15个数字I/O口可作为PWM引脚，分别为2-13、44-46号引脚，提供8位PWM信号。6个外部中断I/O口为2、3、18、19、20、21号引脚，中断号分别为0、1、5、4、3、2。中断方式可以为上升沿、下降沿同时触发中断引脚。引脚0（RX0）和引脚1（TX0）为串口0、引脚19（RX1）和18（TX1）为串口1、引脚17（RX2）和16（TX2）为串口2、引脚15（RX3）和14（TX3）为串口3构成4个串口信号，其中串口0与处理器核心ATmega2560内部的TTL芯片相连接，为TTL芯片提供串口接收信号。50、51、52、53号引脚为4个SPI信号接口。A0-A15引脚是16个模拟输入口，最大输入电压一般为5V。Arduinomega2560电路板有3种常用的供电方式，可以使用USB接口为开发板供电，但所接电源的电压必须是稳定的+5V直流电压。使用USB数据线连接电脑和开发板的USB端口为开发板供电，同时也可以将控制程序烧录入开发板。但智能小车运动时，就无法使用这种供电方法。第二种方法为使用的VIN引脚为Arduino供电。这种方法所接电源的电压要求为7-12V的直流电压。当电源电压低于7V时，会导致开发板工作不稳定；高于12V则会有很大的隐患，可能直接烧毁电路板。第三种方法是Arduino电路板上的电源接口直接接上直流电源。本设计就采用这种方法为Arduino供电。使用的直流电源电压一般为9-12V。图1.4为所采用的直流电源，它是一个可充电的锂电池，体积小，重量轻，使用方便，放在小车上产生的负载很小，不会影响小车的运动。图1.49V直流电源1.1.2电机选型电机是驱动小车轮子转动的部件，电机决定着轮子的转速，对小车的运动有重要的影响。目前市场上的电机种类很多，如普通电机、直流减速电机、步进电机，这些电机都可以作为各种机构的动力源，产生扭矩。普通直流电机只有两个引脚，接上电池的正负极后电机就会转动。它没有配置减速器，因此转动起来速度很快，而扭矩又很小，所以不适合用在智能小车上。图1.5普通直流电机步进电机可以将脉冲电信号转换为角位移或线位移。步进电机根据驱动器接收到的脉冲信号的个数转动一定的角度，转动的角度是由脉冲的个数决定的，一个脉冲信号驱动步进电机转动一个固定的角度，这个角度称为“步距角”。因此可以通过输出脉冲的个数控制步进电机的角位移，脉冲频率决定转速，从而实现精准定位，一般用于精度要求较高的智能机器人上。其价格也相对较贵，因此不采用步进电机。图1.6步进电机直流减速电机所配的减速箱可以降低电机的转速，同时还能增大扭矩，因此是大多数智能小车的动力标配。直流减速电机一般与L298N电机驱动搭配使用，，采用Arduino进行PWM调速控制，可以更方便地对小车的整体速度进行控制。因此考虑采用直流减速电机为智能小车提供驱动力。本设计选用JH37-520直流减速电机。其重量为145g左右，直径为37mm,总长73mm,输出轴直径为6mm。选择的电机参数：减速比为1比60、额定电压12V，空载电流4-10mA,堵转电流为1.4A，输出功率为1.3W。电机尾部还带有编码器，每圈输出22个脉冲信号，可以实现测速功能。减速箱是全金属制作，齿轮不容易发生磨损，稳定性较好。通过改变驱动电压脉冲宽度的方式，即PWM控制技术，产生占空比不同的方波来控制输出频率，能够改变直流电机的转速。图1.7为JH37-520直流减速电机实物图。图1.7JH37-520电机1.1.3电机驱动选型当Arduino直接与电机相连时，开发板I/O口输出的电流和电压很小，并不足以带动电机转动。电机驱动作为单片机与电机的中间部件，结合单片机可实现对电机转速的精确控制，控制电机的转速、启动和停止。L298N芯片是一款可以驱动直流电机和步进电机的电机驱动器。一个L298N电机驱动可以同时控制两个直流减速电机，通过主控芯片的I/O口输入设定电平的高低，来控制电机正反转，简单方便，稳定性高。还可以通过改变高低电平的占空比来控制电机的速度。L298N电机驱动引脚电平对应的逻辑功能表如表1.1所示，IN1、IN2控制电机1，IN3、IN4控制电机2。表1.1电机驱动控制信号对应电机状态表直流电机IN1IN2IN3IN4旋转方式电机11/PWM0--正转（调速） -01/PWM--反转（调速） -00--待机-11--急停电机2--1/PWM0正转（调速）01/PWM反转（调速）00待机11急停由于麦克纳姆轮的特殊性，智能小车需要4个直流减速电机单独驱动麦轮转动，因此本设计采用两路L298N芯片，可以驱动4个直流减速电机。使用两路L298N芯片，具有驱动能力强、抗干扰能力强等优点，内置7805稳压芯片给单片机提供5V逻辑电压，使用大容量滤波电容，续流保护二极管，提高了可靠性。驱动部分端口的电压范围为5-24V，驱动最大电流为2A，当驱动电压为7-12V时，可以使能板载的5V逻辑供电，此时接口的+5V供电不要输入电压，但可以引出5V电压供外部使用。当驱动电压为12-24V，必须要在5V输出端口外部接入5V电压对L298N内部逻辑电路供电。两路L298N电机驱动使用4路的H桥驱动，可分别从IN1-IN8输入电平信号驱动OUT1-OUT4电机进行正反转，将PWM控制加载到ENA、ENB、ENC、END实现每一路电机的调速。两路L298N芯片实物如图1.8所示。图1.8两路L298N芯片1.1.4摄像头选型在生活中，摄像头几乎随处可见，被人们广泛应用于监控、通信、会议等方面。摄像头实际上就是可以将光信号转化为电信号的装置。这种信号的转变是通过摄像头里的感光元件完成的。图像透过镜头照在感光芯片上，感光芯片根据感受的光的波长、频率和强度等信息，转化成计算机可以识别的数字信号，经过计算机的处理，所有产生的数字信号结合在一起，就构成了一副完整的图片。openMV是一款小巧精致、功耗较低、低成本的摄像头，入门简单，可用作智能小车的图像识别模块。它的控制芯片实际上是一个单片机，通过其串口与主控制器连接实现单片机之间的通信，可以应用openMV摄像头可以实现颜色识别、形状识别、人脸识别等功能。OpenMV有自己的集成开发环境，即openMVIDE软件,采用MicroPython作为开发语言，简单简洁，功能强大，适合初学者进行开发。openMVIDE软件界面如图1.9所示。借助Python的图像识别库函数可以实现各种图像识别。图1.9openMVIDE使用界面本设计选用openMVM7作为智能小车的摄像头模块，将openMVM7摄像头装在小车前端，对前方道路进行图像采集，将采集的图像信息通过串口发送到主控制器。在小车行驶时，对小球进行识别，在图像中确定小球的位置，将坐标信息发送给Arduino,控制小车移动到相应的位置，并使用机械手将小球夹起。OpenMVM7实物如图1.10。1.10openMVM7实物图1.2电路设计1.2.1电路设计软件本设计采用的电路设计软件是AltiumDesigner,它是在Protel的基础上开发的一个电路设计软件，可以说是Protel的升级版，功能更加强大，使用方便易上手，是绘制电路原理图和PCB的专业软件，是目前国内设计人员常用的PCB设计软件。但缺点是软件的封装库和元件库并不完善，在进行绘制时，需要自己新建封装和元件。本设计主要采用AltiumDesigner来绘制智能小车的电路接线图。1.2.2电路接线本设计的电路部分结构较为简单。Arduinomega2560作为控制核心，控制着智能小车所有模块。Arduino电路板的数字I/O端口通过杜邦线与L298N电机驱动上的控制信号输入端IN1-IN8连接，分别控制4个直流减速电机的正反转；PWM输出口与电机驱动的ENA、ENB、ENC、END连接，可以实现对4个电机的调速。Arduino还有2个PWM输出口用于与两个舵机的PWM引脚相连，控制舵机的转动角度，使机械手能完成抬放和爪部开合等动作。串口3与openMVM7摄像头的串行口相连，实现Arduino与openMV的通讯。Arduinomega2560引脚与各模块引脚的对应关系如下表:表1.2Arduino与电机驱动引脚对应表Mega2560引脚所接引脚23、25电机驱动IN1、IN227、29IN3、IN433、35IN5、IN637、39IN7、IN82、3、4、5ENA、ENB、ENC、END6舵机1PWM口D17舵机2PWM口D214(TX3)、15（RX3）摄像头P4口（TX）、P5口(RX)使用AltiumDesigner软件绘制Arduino芯片的电路接线图所图1.11所示。图1.11Arduino接线图如图1.12，为了方便接线，采用定制的PCB板焊接上元器件分