智能尋跡避障小車系統(tǒng)硬件設計

智能尋跡小車設計與制作

（硬件電路設計）湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系主講：雷道仲要點電機控制電路設計尋跡電路設計避障電路設計顯示電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

根據(jù)系統(tǒng)設計方案可知，智能尋跡小車主要由以下幾個模塊電路構(gòu)成要點聲控電路設計報警電路設計LED彩燈控制電路設計系統(tǒng)整體電路設計系統(tǒng)整體原理介紹Proteus軟件使用介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系1.1電機控制電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系1.1.1

電機控制原理電路1.1電機控制原理電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系1.1.2

驅(qū)動芯片L293D工作原理1、引腳功能說明1.2L293D封裝及引腳排列引腳功能如下表所示：湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系1、引腳功能說明

引腳名稱

引腳功能2、7、10、15信號輸入引腳3、6、11、14信號輸出引腳4、5、12、13散熱器和接地1、9信號使能控制腳，輸入1，電機全速旋轉(zhuǎn)；0，停止16電源電壓8電機驅(qū)動電壓，用于調(diào)速表1—1L293D引腳功能說明湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系2、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖1.3L293D內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系3、邏輯圖1.4L293D邏輯圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4、真值表表1—2L293D真值表輸入輸出YAENHHHLHLXLZ5、

功能描述湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系L293D四倍高電流H橋驅(qū)動程序。L293是提供雙向驅(qū)動電流高達1A，電壓是從4.5V至36V的；L293D提供雙向驅(qū)動電流高達600毫安，電壓是從4.5V至36V的。兩個設備是專為驅(qū)動等感性負載繼電器，電磁閥，直流雙極步進和馬達，也可以給其他高電流/高電壓提供電源負載。兼容所有的TTL輸入。每個輸出都是推拉式驅(qū)動電路，與達林頓三極管和偽達林源。5、

功能描述湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

啟用1,2EN驅(qū)動器和3,4EN驅(qū)動器。當使能輸入為高電平時，相關聯(lián)的驅(qū)動器被啟用和他們的輸出處于活動狀態(tài)，并在其輸入端的同相。當使能輸入為低，這些驅(qū)動器被禁用其輸出關閉，在高阻抗狀態(tài)1,2EN為1和2的使能端（高電平使能）；3,4EN同理。用適當?shù)臄?shù)據(jù)輸入端，每對驅(qū)動程序的形式一個完整的H橋可逆驅(qū)動器適用于電磁閥或電機應用。1.1.3直流電機H橋驅(qū)動電路

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本設計中直流電機H橋驅(qū)動電路由上述所介紹的驅(qū)動芯片L293D完成，在L293D內(nèi)部形成一個H橋型的驅(qū)動驅(qū)動電路，類似如圖1.5所示。1.1.3直流電機H橋驅(qū)動電路

湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系1.5H橋驅(qū)動電機電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

從圖中可以看出，其形狀類似于字母“H”，而作為負載的直流電機是像“橋”一樣架在上面的，所以稱之為“H橋驅(qū)動”。4個開關所在位置就稱為“橋臂”。

從電路中不難看出，假設開關A、D接通，電機為正向轉(zhuǎn)動，則開關B、C接通時，直流電機將反向轉(zhuǎn)動。從而實現(xiàn)了電機的正反向驅(qū)動。借助這4個開關還可以產(chǎn)生電機的另外2個工作狀態(tài)：1.1.3直流電機H橋驅(qū)動電路

湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系（1）剎車——將B、D開關（或A、C）接通，則電機慣性轉(zhuǎn)動產(chǎn)生的電勢將被短路，形成阻礙運動的反電勢，形成“剎車”作用。（2）惰行——4個開關全部斷開，則電機慣性所產(chǎn)生的電勢將無法形成電路，從而也就不會產(chǎn)生阻礙運動的反電勢，電機將慣性轉(zhuǎn)動較長時間。1.1.3直流電機H橋驅(qū)動電路

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細分下來，晶體管有雙極性和MOS管之分，而集成電路（例如L293D）只是將它們集成而已，其實質(zhì)還是這兩種晶體管，只是為了設計、使用方便、可靠而做成了一塊電路。

實際使用的時候，用分立元件制作H橋是很麻煩的，現(xiàn)在市面上有很多封裝好的H橋集成電路，接上電源、電機和控制信號就可以使用了，在額定的電壓和電流內(nèi)使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。1.1.3直流電機H橋驅(qū)動電路

2.1尋跡電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系2.1.1尋跡電路原理圖2.1尋跡電路原理圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系本車紅外對管設計是紅外發(fā)射管一直發(fā)射信號，接收管時刻準備接收信號。兩對對著地的紅外管發(fā)射紅外信號，信號在白色的地面上反射回接收管，通過接收管把信號送回單片機進行處理，完成相應的動作。假如在黑色的地面上，信號被地面吸收，就無信號返回，單片機檢測到無信號，根據(jù)程序也會做出相應的動作。

2.1.2尋跡電路原理3.1避障電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系3.1.1避障原理圖3.1避障電路原理圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

避障電路由單片機、比較芯片L393、紅外發(fā)射對管等元器件構(gòu)成。電路工作過程如下：首先，比較芯片的2腳為比較基準電壓輸入，該引腳通過電源串聯(lián)分壓，取得一個大約2.5V基準電壓作為比較電壓。比較芯片的3腳為比較電壓的輸入端，該電壓取之反饋回來的紅外信號。當小車前進過程中，前方無障礙，則紅外

3.1.2避障電路原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

接收管的阻值會很大，從而輸出一個高電平（約5V）給比較芯片的3腳，這樣經(jīng)過比較芯片的比較，在比較芯片的2腳輸出一個高電平給單片機P3.7引腳。單片機根據(jù)接收到的電平就可以判別前方有無障礙。當前方有障礙時V2的阻值會很小，輸出低電平給比較芯片的3腳，比較芯片從而輸出低電平給單片機P3.7。

3.1.2避障電路原理4.1顯示電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4.1.1數(shù)碼管內(nèi)部結(jié)構(gòu)及封裝圖（a）引腳分布圖（b）共陰數(shù)碼管

（c）共陽數(shù)碼管圖4.1八段數(shù)碼管顯示塊湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系LED顯示器又稱為數(shù)碼管，它主要由8段發(fā)光二極管組成，如圖4.1（a）所示。圖4.1（a）中，a～g為數(shù)字或字符顯示段，h段為小數(shù)點顯示，通過a～g為7個發(fā)光段的不同組合，可以顯示0～9和A～F共16個數(shù)字和字母。例如，當a、b、g、e、d段亮時，顯示數(shù)字“2”，當a、f、e、g段亮時，則顯示字母“F”。

4.1.2數(shù)碼管顯示工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系LED可以分為共陰極和共陽極兩種結(jié)構(gòu)，如圖4.1（b）和（c）所示。其中圖（b）為共陰極結(jié)構(gòu)。即把8個發(fā)光二極管陰極連在一起。這時如果需要點亮a～g中的任何一盞燈，則只需要在相應端輸入高電平即可；輸入低電平則截止。比如我們現(xiàn)在要顯示數(shù)字“3”，則只要在對應的a、b、c、d、g段送入高電平，在其他端送入低電平即可，點亮為“3”。圖（c）為共陽極結(jié)構(gòu)。其顯示端輸入低電平有效，高電平截止。

4.1.2數(shù)碼管顯示工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

表4-1列出了共陽極與共陰極LED顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應關。

顯示字符共陰極段碼共陽極段碼顯示字符共陰極段碼共陽極段碼03FHC087FH80H106HF996FH90H25BHA4A77H88H34FHB0B7CH83H466H99HC39HC656DH92HD5EHA1H67DH82HE79H86H707HF8F71H8EH表4-1

顯示器顯示數(shù)字、字母與顯示代碼之間的對應關系湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4.1.3數(shù)碼管顯示方式

點亮LED顯示器有兩種方式：一是靜態(tài)顯示；二是動態(tài)顯示。（本設計采用靜態(tài)顯示。）所謂靜態(tài)顯示，就是當顯示器顯示某一個字符時，相應的發(fā)光二極管恒定地導通或截止。如圖4.2所示為4位靜態(tài)LED顯示器電路。該電路每一位可單獨顯示。只要在要顯示的那位的段選線上保持段選碼電平，該位就能保持顯示相應的顯示字符。這種電路的優(yōu)點是：在同一瞬間可以顯示不同的字符；但缺點就是占用端口資源較多。從圖4.2可以看出，湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4.1.3數(shù)碼管顯示方式

每位LED顯示器需單獨占用8根端口線。因而，在數(shù)據(jù)較多時往往不采用此種設計，而是采用動態(tài)顯示方式。

所謂動態(tài)顯示，就是將要顯示的多位LED顯示器采用一個8位的段選端口，然后采用動態(tài)掃描方式一位一位地輪流點亮各位顯示器。如圖4.3所示為4位LED動態(tài)顯示電路。湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4.1.3數(shù)碼管顯示方式圖4.24位靜態(tài)LED顯示器電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系4.1.3數(shù)碼管顯示方式圖4.34位動態(tài)LED顯示器電路5.1聲控電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系5.1.1聲控電路圖圖5.1聲控電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

聲控電路由晶體三極管V3(S8050)、電阻R3、R4、R5、R6、C1及話筒構(gòu)成，其中R3、R4、R6及三極管V3組成分壓式共射放大電路。具體工作過程如下：當平時沒有聲音對準話筒時，晶體三極管的基極電壓（UBQ）由電源經(jīng)電阻R3、R4串聯(lián)分壓，由于R3的阻值遠小于R4的阻值，因此，三極管的基極獲得一個比較小的電壓（約0.6V），故基本處于臨界截止狀態(tài)，因此在三極管的5.1.2聲控電路工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

集電極輸出一個高電平送給單片機的P0.4端口；當由聲音對準話筒時，該聲音轉(zhuǎn)換成電信經(jīng)C1耦合到放大電路基極，使晶體三極管處于放大狀態(tài)，此時V3的集電極由于三極管的導通作用被嵌位成低電平傳給單片機的P0.4端口。單片機根據(jù)采集到高、低電平來判斷需不需要作出相應處理。例如：有聲音時可以使小車后退，沒聲音時，小車前進。這個可以根據(jù)實際需求設計。5.1.2聲控電路工作原理6.1報警電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系6.1.1報警電路圖圖6.1報警電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系報警電路由晶體三極管V1(S8550)、電阻R2以及蜂鳴器SB1組成。當電路平時不需要發(fā)聲報警時，單片機的P0.6端口輸出一個高電平，使晶體三極管截止，蜂鳴器因此不發(fā)聲。當需要發(fā)聲報警時，便編程控制從P0.6輸出一定頻率的方波或矩形波，使V1在導通與截止兩種狀態(tài)切換，從而蜂鳴器發(fā)出不同的聲音。6.1.2報警電路工作原理7.1LED彩燈電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系7.1.1LED彩燈電路圖圖7.1LED彩燈控制電路湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

LED彩燈控制電路由發(fā)光二極管D1—D8以及限流電阻R16、R18、R19、R20、R22、R23、R24、R26組成。其中八只發(fā)光二極管的陽極經(jīng)限流電阻接電源、陰極接單片機的P1口的八個端口。從彩燈連接方式可知，要使發(fā)光二極管點亮則只需要使單片機的P1口輸出低電平即可，反之，如果要使燈熄滅，則P1端口輸出高電平即可。設計者可以根據(jù)任務需求編程進行控制。7.1.2彩燈電路工作原理8.1232串行下載電路設計湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系8.1.1232串行下載電路圖圖8.1232串行下載電路圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

在單片機與PC機通信時，接口電路必須要進行電平轉(zhuǎn)換，因為PC機采用的是RS232標準，而單片機采用的是TTL標準，這是其一。第二是單片機與單片機之間的串行通信如果采用直接傳輸信息，其傳輸距離一般不超過1.5m，若要實現(xiàn)更遠距離的通信，則接口電路也必須要進行電平轉(zhuǎn)換。

8.1.2RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系RS232標準是1969年由美國電子工業(yè)協(xié)會（EIA）聯(lián)合貝爾系統(tǒng)、調(diào)制解調(diào)器廠家及計算機終端生產(chǎn)廠家共同制定的用于串行通訊的標準。它的邏輯“1”電平是-5V－-15V，邏輯“0”電平是+5V－+15V。TTL（Tansistor-TransistorLogic），是指三極管－三極管邏輯電路。它規(guī)定：邏輯“0”：<0.4V；邏輯“1”：+3V～+5V。

因此，RS-232不能和TTL電平直接相連，使用時必須進行電平轉(zhuǎn)換，否則將使TTL電路燒壞，為了讓單片機與PC機能相互通信，必須讓這兩種電平相互轉(zhuǎn)換。

8.1.2RS232電平與TTL電平轉(zhuǎn)換湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系8.1.3MAX232芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖8.2MAX232C芯片的結(jié)構(gòu)原理圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系MAX232芯片是Maxim公司生產(chǎn)的、包含兩路接收器和驅(qū)動器的RS-232電平轉(zhuǎn)換芯片，適用于各種232通信接口。MAX232芯片內(nèi)部有一個電源電壓變換器，可以把輸入的+5V電源電壓變換成RS-232C輸出電平所需的±10V電壓。所以，采用此芯片接口的串行通信系統(tǒng)只需單一的+5V電源就可以了。對于沒有±12V電源的場合，其適用性更強。加之其價格適中，硬件接口簡單，所以被廣泛采用。8.1.3MAX232芯片工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

圖8.2中上半部分電容C1、C2、C3、C4及V、V是電源變換部分。在實際應用中，器件對電源噪聲很敏感。因此，VCzC需要對地加去耦電容C5，其值為0.1F。電容C1、C2、C3、C4都選用鉭電解電容，電容值為1.0F（耐壓值高于16V），可以提高抗干擾能力。連接時電容必須盡量靠近器件，注意極性。8.1.3MAX232芯片工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

下半部分為發(fā)送和接收部分。實際應用中，T1IN、T2IN和R1OUT、R2OUT可分別連接TTL/CMOS電平的51單片機的串行發(fā)送端TXD和接收端RXD；T1OUT、T2OUT和R1IN、R2IN分別連接至RS-232電平的PC串行接收端和發(fā)送端。從計算機串行口輸出的數(shù)據(jù)經(jīng)MAX232C電平轉(zhuǎn)換后送給單片機STC89C52，8.1.3MAX232芯片工作原理湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系9.1系統(tǒng)整體電路圖9.1智能尋跡小車原理圖湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

智能循跡機器人采用現(xiàn)在較為流行的8位單片機——STC89C52作為系統(tǒng)大腦。40腳的DIP封裝使它擁有32個完全IO（GPIO-通用輸入輸出）端口，通過對這些端口加以信號輸入電路，控制電路，執(zhí)行電路共同完成循跡機器人。P0.0，P0.1,P0.2,P0.3分別通過L293D電機驅(qū)動來驅(qū)動電機1和電機2。由電機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)來完成機器人的前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，遇障礙物繞行，避懸崖等基本動作。10.1系統(tǒng)整體電路原理介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

在機器人前進時如果前方有障礙物，由紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外信號被反射給紅外接收管，紅外接管將此信號經(jīng)過P3.7傳送入STC89C52中，主芯片通過內(nèi)部的代碼進行機器人的繞障礙物操作，同時主芯片將P3.7的信號狀態(tài)通過P2.5的LED指示燈顯示出來。機器人行走時會通過P3.5與P3.6的紅外接收探頭來進行檢測。當走到懸崖處時，P3.5或P3.6將收到一個電平信號，此電平信號將通過相應端口傳送入主芯片中，主芯片通過內(nèi)部代碼完成機器人的避懸崖操作。10.1系統(tǒng)整體電路原理介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

同時P3.5與P3.6的信號狀態(tài)將通過P2.6/P2.7顯示出來。在機器人的左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，后退的過程，可以通過觀看以P2.0/P0.7為指示燈的運行狀態(tài)。P0.4為機器人的聲控檢測端口，在運行為前進狀態(tài)時，可以通過聲控(如拍手聲)來控制它的運行與停止。P0.6為機器人的聲音輸出端。在機器人遇到障礙物時。進行繞障礙物與避懸崖時可以通過此端口控制蜂鳴器發(fā)出警報聲。當為白天或黑夜時可以通過P0.5端口中的光敏電阻來進行判斷，以方便完成機器人夜間自動照明功能。10.1系統(tǒng)整體電路原理介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系

兩個按鍵以查詢/中斷兩種不同方式來展現(xiàn)按鍵操作。你可以按下S1鍵來進行機器的停止。再按下S2鍵來進行機器人的運行。這個按鍵信息分別被P3.2，P3.4接收到。IR1為紅外遙控接收器，這就為機器人進行遠程遙控創(chuàng)造了可能。這個紅外遙控接收頭接收到紅外信號時將信號進過P3.3送入到主芯片，主芯片對其進行解密后以不同的方式對機器人進行控制。同時將用戶的按鍵信息通過P2端口上的LED數(shù)碼管顯示出來。10.1系統(tǒng)整體電路原理介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系P3.0、P3.1中COM端口的加入，讓你完全可以用電腦對其進行控制。你可以通過對串口發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)會被顯示到LED數(shù)碼管中，并讓機器人執(zhí)行相應的功能。電腦的串口軟件要求波特率為9600.8位數(shù)據(jù)位，這時你就可以快樂的用電腦來對它進行你的完全控制了。10.1系統(tǒng)整體電路原理介紹湖南信息職業(yè)技術學院信息工程系從“教學在線”下載七個壓縮包，解壓到任意文件夾內(nèi)雙擊ISIS

7啟動軟件。11.1Proteus軟件使用介紹

軟件安裝與啟動軟件界面預覽原理圖編輯區(qū)工具類別區(qū)對象列表區(qū)選擇元件Proteus提供很多元件。要使用元件，必須先把元件選取到對象選擇區(qū)。單擊Component

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