機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)硬件部分課件

1、機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院主 講：夏帥（硬件部分）課時(shí)安排 課程概述與引言 1課時(shí)1 車模介紹與組裝 2課時(shí)2 硬件電路設(shè)計(jì)與制作 4課時(shí)3 電路連接與程序下載 2課時(shí)4車?，F(xiàn)場(chǎng)測(cè)試與考核 1學(xué)時(shí)5第一講：1學(xué)時(shí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院課程概述與引言課程內(nèi)容與目標(biāo)循跡智能汽車的設(shè)計(jì)與制作電路設(shè)計(jì)軟件調(diào)試硬件組裝賽場(chǎng)實(shí)際測(cè)試20課時(shí)課程開設(shè)意義選拔參賽隊(duì)員電子制作興趣 實(shí)踐動(dòng)手能力得到鍛煉 提高個(gè)人競(jìng)爭(zhēng)力 飛思卡爾智能汽車競(jìng)賽 機(jī)器人大賽 電子設(shè)計(jì)大賽 興趣是最好的老師將所學(xué)知識(shí)應(yīng)用到電子制作中機(jī)器人技術(shù)基礎(chǔ)應(yīng)用型人才2022/8/107飛思卡爾智能車競(jìng)賽規(guī)則光電組競(jìng)賽規(guī)則變化第七屆第八屆第

2、九屆2022/8/108攝像頭組競(jìng)賽規(guī)則變化第七屆第八屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽規(guī)則第九屆2022/8/109電磁組競(jìng)賽規(guī)則變化飛思卡爾智能車競(jìng)賽規(guī)則第七屆第八屆第九屆第二講：2學(xué)時(shí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院車模介紹與組裝車 模 套 件萬向輪主控板驅(qū)動(dòng)輪車底板傳感器車模組裝一：萬向輪的安裝車模組裝二：驅(qū)動(dòng)輪的安裝車模組裝二：驅(qū)動(dòng)輪的安裝（續(xù)）請(qǐng)?zhí)崆昂附与姍C(jī)連接線車模組裝三：安裝控制板車模組裝四：安裝傳感器第三講：4學(xué)時(shí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院硬件電路設(shè)計(jì)與制作循跡智能汽車的硬件電路結(jié)構(gòu)循跡智能汽車的硬件組成一、檢測(cè)單元二、電機(jī)驅(qū)動(dòng)三、電源管理四、控制電路五、按鍵控制與輸出顯示一、檢測(cè)單元 “飛思卡爾”智能汽車

3、競(jìng)賽根據(jù)所采用的傳感器不同，分為光電、攝像頭和電磁三個(gè)組別。攝像頭組光電組電磁組 車模通過感應(yīng)由賽道中心電線產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)的屬于電磁組。 車模通過采集賽道圖像（一維、二維）或者連續(xù)掃描賽道反射點(diǎn)的方式進(jìn)行進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)的屬于攝像頭組。 車模通過采集賽道上少數(shù)孤立點(diǎn)反射亮度進(jìn)行路經(jīng)檢測(cè)的屬于光電組。光電組路徑檢測(cè)傳感器的分類：紅外對(duì)管灰度傳感器激光管檢測(cè)原理：當(dāng)發(fā)射管發(fā)出的光線照射在賽道的不同位置時(shí)，接收管的狀態(tài)發(fā)生較大變化，通過相應(yīng)的處理電路就可以獲得此時(shí)的狀態(tài)值，進(jìn)行路徑的判斷。線陣CCD 光電傳感器檢測(cè)路面信息的原理是由發(fā)射管發(fā)射一定波長(zhǎng)的光，經(jīng)地面反射到接收管。由于在黑色和白色

4、上反射系數(shù)不同，在黑色上大部分光線被吸收，而白色上可以反射回大部分光線，所以接收到的反射光強(qiáng)是不一樣，進(jìn)而導(dǎo)致接收管的特性曲線發(fā)生變化程度不同，而從外部觀測(cè)可以近似認(rèn)為接收管兩端輸出電阻不同，進(jìn)而經(jīng)分壓后的電壓就不一樣，就可以將黑白路面區(qū)分開來。紅外對(duì)管電源地信號(hào)輸出電源正灰度傳感器輸出值巡線傳感器輸出特性1. 貼近白色賽道，傳感器輸出電壓達(dá)到最大值：約4.7V；2. 遠(yuǎn)離白色賽道，傳感器輸出電壓達(dá)到最小值：約0.2V；3. 貼近黑色賽道，傳感器輸出電壓：約為0.7V。 由于紅外對(duì)管輸出的是電壓信號(hào)，為模擬量信號(hào)，因此必須經(jīng)過相應(yīng)的電路進(jìn)行處理，可以采用的方法有兩個(gè)： 外加硬件比較電路實(shí)現(xiàn)；

5、單片機(jī)AD采樣，內(nèi)部比較電路實(shí)現(xiàn)。硬件比較電路優(yōu)點(diǎn)： (a) 直接向單片機(jī)提供數(shù)字量信號(hào)，抗干擾性能好！ (b) 單片機(jī)無需AD轉(zhuǎn)換功能，編程簡(jiǎn)單。缺點(diǎn)： (a) 需要外加電路，增加了硬件設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度； (b) 為適應(yīng)不同賽道，需要手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器以滿足要求。軟件比較方式優(yōu)點(diǎn)： (a) 傳感器輸出直接與單片機(jī)AD端口連接，無需外加電路； (b) 通過軟件編程可自適應(yīng)賽道的關(guān)照變化； (c) 減少了硬件直接的連線，提高系統(tǒng)的可靠性。缺點(diǎn)： (a) 要求單片機(jī)具備ADC資源； (b) 增加了軟件編程的復(fù)雜程度。 實(shí)驗(yàn)室提供的傳感器為紅外對(duì)管光電傳感器，采用軟件編程實(shí)現(xiàn)數(shù)字化編碼。激光管檢測(cè)電路：

6、激光傳感器由兩部份構(gòu)成，一部份為發(fā)射部份，一部分為接收部份。發(fā)射部份由一個(gè)振蕩管發(fā)出300kHz 頻率的振蕩波后，激光管發(fā)光；接收部份由一個(gè)相匹配300kHz 的接收管接收返回的光強(qiáng)，經(jīng)過電容濾波后直接接入單片機(jī)，由于激光傳感器使用了調(diào)制處理，接收管只能接受相同頻率的反射光，因而可以有效防止可見光對(duì)反射激光的影響。為了更好的接收反射回來的光，在接收管上套一個(gè)透鏡，可以起到一定的濾光作用，使接收管接收的信號(hào)更加強(qiáng)，便于單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 由于激光管成本高、對(duì)眼睛有傷害，第八屆飛思卡爾智能車競(jìng)賽中已禁止使用激光管！光電組智能汽車對(duì)傳感器需要考慮的三個(gè)問題：(1) 傳感器的數(shù)量(2) 傳感器的布

7、局方式(3) 傳感器的布局間隔光電傳感器的數(shù)量與布置方式 為保證循跡智能汽車能夠按照賽道引導(dǎo)線運(yùn)行，一般需要多個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)賽道。 理論上講，所用的傳感器越多，對(duì)賽道的檢測(cè)則越精確，控制越靈活，但是，當(dāng)傳感器數(shù)量增多時(shí)，占用的單片機(jī)管腳增多，處理電路也增多，消耗的電量也越多。 因此，從實(shí)際應(yīng)用的角度考慮，需合理選擇傳感器的數(shù)量。 另外，傳感器的不同排列方式也會(huì)對(duì)賽道的檢測(cè)有不同的作用?！耙弧弊中尾季址绞?“一”字形布局是傳感器最常用的布局形式，即各個(gè)傳感器在一條直線上，從而保證縱向的一致性，使其控制策略主要集中在橫向上?！鞍恕弊中尾季址绞?“八”字形布局從橫向來看與“一”字形布局類似，但它增

8、加了縱向的特性，從而具有了一定的前瞻性?！癢”字形布局方式 為了能夠提早地預(yù)測(cè)到彎道的出現(xiàn)，可以將左右兩端的傳感器進(jìn)行適當(dāng)前置，從而形成“W”形布局，此外，還可利用“W”形布局來檢測(cè)賽道的彎曲程度。光電傳感器的布局間隔 各個(gè)傳感器的布局間隔對(duì)智能車的運(yùn)行，是有一定影響的。傳感器的間隔是否合適，對(duì)過彎的精確性以及防止飛車有很大的影響。 設(shè)定傳感器間隔的原則是：既要滿足一定的密度以保證走彎道時(shí)軌跡相對(duì)精確，又要盡可能擁有大的橫向控制范圍來防止飛車。若傳感器間隔設(shè)置合適，當(dāng)賽道有一點(diǎn)微小的變化時(shí)，小車的控制單元就能進(jìn)行相應(yīng)的反應(yīng)（改變前輪轉(zhuǎn)角），從而使得過彎道的軌跡與彎道大體重合，精確性好。 電磁組

9、傳感器檢測(cè)原理：20kHz、100mA交流電流引導(dǎo)線附件磁場(chǎng)分布曲線電磁組傳感器檢測(cè)原理：電磁傳感器信號(hào)采集處理電路原理圖 由于采集的是磁信號(hào)，因此電磁傳感器受外界光線干擾小。二、電機(jī)驅(qū)動(dòng) 智能汽車由直流電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)由車載直流電源供電，小車在運(yùn)行過程中需要根據(jù)賽道設(shè)定合適的速度，即需要對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。因此，一般需要通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路向電機(jī)提供可以調(diào)節(jié)輸出電壓的電源，以控制小車的速度。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)在車模中的位置？ 智能汽車由直流電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)由車載直流電源供電，小車在運(yùn)行過程中需要根據(jù)賽道設(shè)定合適的速度，即需要對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。為什么需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)？ 智能汽車由直流電機(jī)提供動(dòng)力，電機(jī)由

10、車載直流電源供電，小車在運(yùn)行過程中需要根據(jù)賽道設(shè)定合適的速度，即需要對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行控制。L298NM33886BTS7960/7970MOS-H橋+UsUg4M+-Ug3VD1VD2VD3VD4Ug1Ug2VT1VT2VT4VT312ABMVT1Ug1VT2Ug2VT3Ug3VT4Ug4H橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 H形驅(qū)動(dòng)電路原理圖PWM控制電機(jī)正轉(zhuǎn)，車模前進(jìn)！電機(jī)反轉(zhuǎn)，車模后退！ L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。該芯片可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。主要特點(diǎn)： 工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V； 輸出電流大，

11、瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A，額定功率25W。 內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載； 采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制； 具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作； 可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。No.1：L298N1#電機(jī)2#電機(jī)1#電機(jī)電流檢測(cè)2#電機(jī)電流檢測(cè)供電電源：電池（+）供電電源：電池（地）1#電機(jī)控制端1#電機(jī)使能端2#電機(jī)控制端2#電機(jī)使能端參考邏輯電平IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)011逆時(shí)針101順時(shí)針XX0停止L298N控

12、制功能表控制方式：IN1接正轉(zhuǎn)PWM1，IN2接反轉(zhuǎn)PWM2，EN控制啟停；EN接一路PWM，IN1接方向控制端DIR，DIR經(jīng)反向后接IN2。比較：第二種方式比第一種方式要節(jié)省單片機(jī)管腳，控制更方便！L298N硬件電路原理圖No.2：M33886特性： 工作電壓：5-40V 導(dǎo)通電阻： 120m 輸入信號(hào)：TTL/CMOS PWM頻率：=25V總結(jié)：智能車驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 驅(qū)動(dòng)電路的作用時(shí)將固定的電源電壓變?yōu)榭烧{(diào)的直流電源，輸出給直流電機(jī)，達(dá)到控制小車運(yùn)行速度的目的。 驅(qū)動(dòng)電路基本上均采用H橋的電路結(jié)構(gòu)形式，通過調(diào)節(jié)控制端PWM信號(hào)的占空比即可調(diào)節(jié)輸出的直流電壓，進(jìn)而控制小車速度。 L298N電

13、路最簡(jiǎn)單，且成本最低，適合初學(xué)者使用，但是驅(qū)動(dòng)功率比較小。 M33886開通電阻較大，應(yīng)用時(shí)需特別注意發(fā)熱的問題。 BTS7960為半橋結(jié)構(gòu)，有電機(jī)正反轉(zhuǎn)要求時(shí)需要兩片。 分立元件的H橋電路輸出功率最大，但電路復(fù)雜且成本較高，適合有一定硬件設(shè)計(jì)基礎(chǔ)的同學(xué)選用！三、電源管理電路作用：為芯片及元件提供電壓使其能正常穩(wěn)定的工作！智能車的運(yùn)行僅由一個(gè)電池提供電源！鎳鎘電池放電曲線！參數(shù)： 電壓：1.26=7.2 V 容量：2000mAh傳感器主控板舵機(jī)電機(jī)驅(qū)動(dòng) 不同的電路需要不同的電壓，而電源僅由一個(gè)7.2V電池供電，因此，電源管理電路需要將7.2V的電壓變換為各種需要的電壓等級(jí)！無線模塊5V5V/3

14、.3V5V/6V電池直接供電3.3V攝像頭5V/12V電源是整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定工作的前提，因此必須有一個(gè)合理的電源設(shè)計(jì)。注意兩點(diǎn)： 1. 與一般的穩(wěn)壓電源不同，小車的電池電壓一般在6-8V 左右，要考慮在電池?fù)p耗的情況下電壓的降低。 2. 單片機(jī)必須與大電流器件分開供電，避免大電流器件對(duì)單片機(jī)造成干擾，影響單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。 現(xiàn)在各種新型的電源芯片層出不窮，可以根據(jù)自己的需求自行選擇電源芯片。 應(yīng)該主要注意穩(wěn)壓壓差和最大輸出電流兩個(gè)指標(biāo)能否滿足設(shè)計(jì)要求。智能車電源設(shè)計(jì)要點(diǎn)No.1：三端穩(wěn)壓芯片三端穩(wěn)壓芯片使用方便，適合初學(xué)者入門用。但是，輸出電壓無法調(diào)節(jié)，且輸出電流一般比較??！常用的穩(wěn)壓芯片由LM7

15、805，LM7806，LM2940，LM1117等。LM7805典型應(yīng)用電路最大輸出電流為1.5A輸入電壓：7.5V20V 當(dāng)輸入端電壓降低至6V左右時(shí)，7805穩(wěn)壓效果變差！低壓差穩(wěn)壓芯片LM2940 LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器；輸出電壓有5V、8V、10V 多種； 最大輸出電流1A； 輸出電流1A 時(shí)，最小輸入輸出電壓差小于0.8V； 最大輸入電壓26V； 工作溫度-40+125； 內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路。LM2940-5.0V典型應(yīng)用電路No.2：高性能穩(wěn)壓芯片三端穩(wěn)壓芯片可滿足基本供電需求；只能實(shí)現(xiàn)降壓穩(wěn)壓控制，無法

16、實(shí)現(xiàn)升壓穩(wěn)壓控制；管腳一般為5個(gè)，價(jià)格比三端穩(wěn)壓芯片要高！開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器LM2596 LM2596 能夠輸出 3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。 固定輸出版本有 3.3V、5V、12V， 可調(diào)版本可以輸出小于 37V 的各種電壓。LM2596-5.0典型電路LM2596-5.0典型電路LM2587-6V舵機(jī)電源LM2587-12V攝像頭電源四、控制電路控制電路是智能車的核心，均采用數(shù)字處理器?？刂齐娐吩O(shè)計(jì)內(nèi)容： 控制芯片的選型； 最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)； 傳感器輸入接口電路設(shè)計(jì)； 舵機(jī)控制、電機(jī)驅(qū)動(dòng)PWM設(shè)計(jì)； 按鍵與顯示電路設(shè)計(jì)?？刂菩酒x擇選擇要點(diǎn)： 選擇自己熟悉的或是欲研究的

17、單片機(jī)型號(hào)； 充分考慮單片機(jī)內(nèi)部資源和相關(guān)IO使用； 選擇資料較多、容易買到的單片機(jī)。MCS -51系列單片機(jī)AVR mega系列單片機(jī)Freescale系列單片機(jī)常用的單片機(jī)系列：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)： 指用最少的元件組成的單片機(jī)可以工作的系統(tǒng)。最小系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與單片機(jī)的類型有關(guān)。 最小系統(tǒng)一般應(yīng)該包括：?jiǎn)纹瑱C(jī)、晶振電路、復(fù)位電路、電源。STC12C5A60S2本課程所用的單片機(jī)：STC12系列單片機(jī) （1） 增強(qiáng)型8051 CPU，1時(shí)鐘/機(jī)器，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051。 （2） 工作電壓范圍： 5V單片機(jī)：3.4V5.5V，3V單片機(jī)：2.2V3.8V。 （3）工作頻率范圍：035MHZ，相當(dāng)

18、于普通8051單片機(jī)的0420MHZ。 （4）用戶程序空間：根據(jù)單片機(jī)型號(hào)配置不同的用戶程序空間，有1KB、2KB、4KB、6KB、8KB、12KB等。STC系列單片機(jī)概述STC12系列單片機(jī) （5）片內(nèi)RAM：STC125410AD系列片上集成512字節(jié)RAM，而STC122052AD系列只有256字節(jié)RAM。 （6）通用I/O口：27、23或15個(gè)，可設(shè)置成四種模式：準(zhǔn)雙向口/弱上拉、推挽/強(qiáng)上拉、僅為輸入/高阻、開漏輸出，復(fù)位后為準(zhǔn)雙向口/弱上拉狀態(tài)，開漏輸出狀態(tài)時(shí)每個(gè)I/O口的驅(qū)動(dòng)能力均可達(dá)到20mA，但整個(gè)芯片的驅(qū)動(dòng)能力最大不超過55mA。STC系列單片機(jī)概述STC12系列單片機(jī) （

19、7）ISP（在系統(tǒng)編程）和IAP（在應(yīng)用編程）功能：無需專用編程器/仿真器，可通過單片機(jī)串口直接下載用戶程序，數(shù)秒即可完成一片。EEPROM功能 （8）看門狗功能 （9）內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路，外部晶體20MHZ以下時(shí)，可省外部復(fù)位電路。 （10）時(shí)鐘源：外部高精度晶體時(shí)鐘，內(nèi)部RC振蕩器。用戶在下載用戶程序時(shí)，可選擇使用RC振蕩器，還是使用外部晶體時(shí)鐘；內(nèi)部RC振蕩器的振蕩頻率為：5.2MHZ6.8MHZ。STC系列單片機(jī)概述STC12系列單片機(jī) （11）16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：T0、T1，STC125410AD系列可利用4個(gè)PCA模塊實(shí)現(xiàn)4個(gè)16定時(shí)器，STC122052AD系列可

20、利用2個(gè)PCA模塊實(shí)現(xiàn)2個(gè)16定時(shí)器。（12）Power Down模式的喚醒：由外部中斷喚醒。（13）PWM/PCA（可編程計(jì)數(shù)器陣列）：STC125410AD系列有4路，STC122052AD系列有2路；PWM/PCA還可用作D/A，或用作定時(shí)器，或用作外部中斷。（14）A/D轉(zhuǎn)換：STC125410AD系列有8路10位A/D，STC122052AD系列有8路8位A/D。STC系列單片機(jī)概述STC12系列單片機(jī) （15）SPI同步通信接口：主模式/從模式。 （16）工作溫度范圍：有075和-4085兩種。 （17）封裝：LQFP32，SOP32/28/20、SKDIP28，PDIP20，TSSOP20。LQFP32、SOP32有27個(gè)I/O口，SOP28、SKDIP28有23個(gè)I/O口，SOP20 、PDIP20，TSSOP20有15個(gè)I/O口。STC系列單片機(jī)概述傳感器接口STC12C5A60S2電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298USB下載線接口電機(jī)接口電池接口及開關(guān)單片機(jī)冷啟動(dòng)功能按鍵第四講：2學(xué)時(shí)中國(guó)礦業(yè)大學(xué)徐海學(xué)院電路連接與程序下載車模組裝：連接導(dǎo)線傳感器連接至控制板的ADC外接電源接口電機(jī)線連接至驅(qū)動(dòng)接口注意連接線的對(duì)應(yīng)硬件電路的連接1. 電機(jī)連接2. 傳感器連接3. 電源左輪電機(jī)右輪電機(jī)右左傳感器的連接線：OUTVCCGNDADC0智能小車程序調(diào)試流程Ste