機器人技術電路設計圖集錦 —電路圖天天讀(51)

　　TOP1 危險品處理機器人控制電路設計

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201710/369444.htm

　　本文首先簡要介紹了危險品危險品處理機器人的作用，機械手的結構形式，著重從控制系統與硬體設計介紹了危險品處理機器人機械手控制系統的設計與實現。最後給出了測得的機械手的各項技術指標。危險品處理機器人是用於危險彈藥夾持、拔出、搬運和放置作業，並可攜帶和放置的裝置。該項目的完成將解決長期困擾我軍的事故炮彈、戰爭遺留彈等危險彈藥安全處理問題。機械手是危險品處理機器人操作過程中直接與彈藥接觸的重要部件，主要用於執行對危險彈藥的夾持、拆除、搬運和放置作業， 機械手工作的穩定性直接決定著彈藥處理的成功率，因此機械手的設計至關重要。

　　PWM 管腳：DSP 的每個事件管理器都有與比較單元相關的PWM 電路，能夠產生六路帶可編程死區和輸出極性的PWM 輸出，但是都是成對輸出的，對於本控制器需要的獨立的輸出，每個事件管理器只有3 路，一個DSP 有兩個事件管理器，可以獨立的輸出6 路PWM 波。液壓控制器需要6 路PWM 波驅動電業比例閥，而伺服電機控制器需要4 路0-5V 的加速器信號調節電機轉速，在設計電路時將這兩種電路設計在一起，並製成印刷電路板，焊板時按每板的功能焊接即可，液壓控制器需要輸出PWM 波形，晶片用LM393 做比較器，此時電阻R19 和電容C71 不焊即可，但要有R21 上拉電阻，R17 和R18 將2 腳電壓分在1.7V 左右比較合適。伺服控制器需要輸出0-5V 電壓晶片用LM2904 做運放用，焊電阻R19 和電容C17不用MOS 管、R21 和外接電源，也不用焊R17，直接將DSP 輸出0-3.3V 電壓放大到0-5V 輸出。PWM/電壓輸出電路圖見圖1：

　　

　　圖1 PWM/電壓輸出電路

　　I\O 口：DSP 的數字I/O 口模塊具有控制專用I/O 和復用引腳的功能，可以輸出輸入高低電平信號，根據其功能將其設計成開關量輸出，輸入，並用其控制繼電器，作為控的開關。開關量輸入只要用電阻分壓即可，開關量輸出使用光耦隔離，本設計用的光耦PC817，比較適合DSP 使用。當DSP 輸出高電平時繼電器吸合，CNETA1 和CNETA2 兩腳導通繼電器電路圖見圖2：

　　

　　圖2 繼電器電路圖

　　QEP 電路：DSP 的每個時間管理器都有一個正交編碼器脈衝（QEP）電路。當QEP電路被使能時可以對CAP1/QEP1 和CAP2/QEP2（對於EVA 模塊）引腳上的正交編碼輸入脈衝進行解碼和計數。正交編碼脈衝電路可用於連接光電編碼器以獲得旋轉機械的位置和速率。伺服電機控制器需要使用QEP 電路，由於一個伺服電機控制器需要控制4 臺伺服電機，所以碼盤信號使用74153 晶片選擇輸入，同時碼盤的每路信號都有正負兩根線通過運放放大後再到74153 選擇後輸入DSP，碼盤選擇電路見圖3：

　　

　　圖3 碼盤選擇電路

　　其中W/R/IOPC0 為使能信號，XINT1/IOPA2 和XINT2/ADCSOC/IOPDO 構成選擇信號，74153 通過選擇信號的選擇碼選擇一對信號從7 腳和9 腳輸出給DSP。其他硬體電路設計包括電源、串口、CAN 總線和DSP 外圍接線等都是典型的設計。整個機器人車設計經過安裝調試，機械手完全符合設計要求，達到如下技術指標：最大作業幅度約2.5m；最大作業深度：地下1m；最大作業幅度下夾持提升力≤80kg；最大夾持彈藥直徑160mm；目前國內還沒有這種專業的處理危險品的機器人批量生產，本產品的成功完成為將來的批量生產奠定了堅實的基礎，市場潛力巨大。

　　接力競賽機器人系統電路設計

　　接力機器人機械部分採用遙控汽車，造型時尚，色彩華麗，車上裝配的火炬有「2008奧運」標誌，內部七彩電子火焰舞動閃爍，令人賞心悅目。比賽開始，人工啟動第一輛機器人小車，車上火炬同時點亮，當遇到下一輛機器人小車時，下一輛機器人小車火炬自動點亮並啟動前進。為了渲染效果，在終點，還設計了豔麗鮮花構成的凱旋門，當機器人小車勝利到達終點凱旋門時，電路自動觸發燃放焰火，聲光相伴，具有很強的視覺衝擊力

　　電路原理：一片電機驅動電路L293D、一個紅外光電開關TCRT5000和一個電阻R2四樣東西就構成了具有循跡功能的最簡約的機器人。TCRT5000由一對相 「互隔開的紅外發射和接收二極體構成，TCRT5000朝下安裝在機器人小車底盤上。其中的發射二極體向地面發射紅外線，接收二極體接收從地面反射的紅外線。機器人使用了ATMAGE8單片機內部集成的模數轉換功能，不同顏色的地面反射紅外線的情況不同，因而接收二極體接收到的紅外線信號強度也就不同，通過ATMAGE8單片機進行模數轉換。

　　

　　不同的紅外線信號強度轉換成不同的數值。據此就能識別地面的線跡，程序再通過電機驅動電路L293D控制車輪運動實現自動循跡。幹簧管GHG是用來實現接力的，每輛車前端裝磁鐵，尾端裝幹簧管，後車靠近前車時，後車前端的磁鐵作用於前車後端的幹簧管，就傳遞了接力信號。紅外發射二極體D3和紅外接收二極體D4是用來配合機器人在完成接力後實現停車功能的。每輛車前端安裝紅外接收二極體D4，尾端安裝紅外發射二極體D3。當磁鐵作用於幹簧管，傳遞了接力信號後，前車通過後端的紅外發射二極體D3發射紅外線，後車通過前端的紅外接收二極體D4接收到紅外線後就停止前進。

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　　TOP2 循線機器人小車系統電路模塊設計

　　首先循線機器人小車可以通過捕獲紅外傳感器獲取的信號來引導小車沿著地面上的線條前進。從紅外傳感器獲取的信息經過信號放大，送入51單片機，單片機依據邏輯判斷決定小車左右兩側電機的轉速。單片機通過PWM技術來調控左右兩側直流減速電機的轉速，當左右兩側轉速相同時，小車進行直線行駛；當左側電機轉速大於右側電機轉速時，小車進行右轉彎，反之小車進行左轉彎。小車採用雙電源供電，即控制部分採用5V直流電供電，而電機部分採用12V直流電供電。因為考慮到電機功率不是很大，因此沒有採用光電隔離處理。

　　小車5V電源部分電路設計原理圖如下：

　　

　　在設計中我原規劃使小車即可以通過USB供電，又可以通過充電電池組供電，具體選擇哪種供電方式通過S1開關進行切換。由於USB供電電源是標準的5V 直流電源，因此就省去了穩壓電路。而在通過電池組供電的電路中，當S2開關閉合時，電池組提供的電壓經過U2的穩壓再介入系統當中。U2我才有的是 LM2940CT-5.0，它可以將輸出電壓穩定在5V輸出，輸出電流最大可以達到1.25A。在電路中加入D9的發光二極體用於指示是否通電，在D9前串入一個1K歐的電阻R1用於限流。

　　小車12V直流電源供電部分電路設計原理圖：

　　

　　這部分電路設計同5V電源部分，只是U5部分換成了LM2940CT-12的晶片，此晶片輸出電壓為12V。

　　下面介紹一下小車動力部分的電路設計原理圖：

　　

　　小車採用4輪驅動，左右各2個12V直流減速電機，通過L298N來進行驅動。L298N的輸入分別接STC89C52RC單片機的P1.4、 P1.5、 P1.6、P1.7口。當P1.4、P1.5同時為高電平或者低電平時電機B1、B3停轉，即小車左側車輪停轉；當P1.4輸出高電平，P1.5輸出低電平時，B1、B3正轉；當P1.4輸出低電平，P1.5輸出高電平時，B1、B3反轉；當P1.6、P1.7同時為高電平或者低電平時電機B2、B4停轉，即小車右側車輪停轉；當P1.6輸出高電平，P1.7輸出低電平時，B2、B4正轉；當P1.6輸出低電平，P1.7輸出高電平時，B2、B4反轉；各電機轉速的控制通過PWM技術實現。

　　小車的循線部分電路原理圖：

　　

　　小車採用紅外發射對管RPR-220來探測地面線條，RPR-220採集到的信號送LM393進行放大，然後送入單片機STC89C52RC的P1.2和P1.3口。原理圖中R13、R14是用於調諧紅外發射對管採集信號的靈敏度的。

　　最後是小車大腦部分的電路原理圖：

　　

　　

　　圖中繪製了STC89C52RC的復位電路和晶振部分電路

　　循線機器人小車比較簡單，不比雙足機器人有眾多活動部件的控制和設計，循線小車活動部件就只是驅動小車的車輪，控制左右車輪的轉速來控制小車前進方向是直行，還是左轉彎，或者右轉彎，因此可以看出整個控制系統簡單。通過簡單的循線機器人小車的設計，掌握對電機驅動、傳感器信號採集、電源供應、焊接技術、設備採購、系統總體規劃等部分有個感性的認識，因為這些部分是將來所有機器人設計中不可迴避的基本部分。

　　TOP3 智能滅火機器人硬體電路的設計

　　為實現機器人高速精確地按照規定路逕行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器埠數值，並在較短的時間內完成對各埠數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由於嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務並且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部採用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬條機器指令。本設計還設置了 4路PWM控制信號輸出埠，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出埠，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發光二極體等。為了給龐大和複雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。

　　電源是保證機器人穩定、可靠運行的關鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由於本機器人電機驅動和控制器採用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互幹擾，本機器人採用雙電源供電系統：電機電源採用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源採用8.4 V鋰電池，並提供電壓採樣埠，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。

　　

　　為獲得CPU各埠電路所需要的不同等級的電壓，本設計採用 1個LM317T三端穩壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調整器，並通過其附屬電路，得到精確穩定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；採用1個發光二極體LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關的狀態；為實時採樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設計中通過R1、 R2分壓，引出AD19埠作為電源採樣埠。

　　直流電機驅動電路設計

　　由於電機功率較大，並要求能實現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過 IR2104半橋驅動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號佔空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM 佔空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現控制電機轉動方向：當MSFET管1和4導通時，電機埠1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時，電機埠2為正、1為負，電機反轉。

　　

　　遠紅外火焰傳感器組電路設計

　　為能完成滅火任務，機器人必須能確定火焰的大致位置，並能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰傳感器組，前後每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個並聯並指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°範圍。如圖所示，14個埠通過 CD4051八路轉換開關連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中 SCK、MISO、MOSI為位選擇埠。此外，本設計還可以通過對14路讀取數據進行比較，從而確定其最大最小值及相應埠值，方便火源方位的確定。

　　

　　通過對遠紅外傳感器組的不同埠值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取埠2和埠4的值，並進行作差，埠2的值大於埠4（說明2更靠近火源），則執行左拐命令，使其差值在一定範圍內，然後執行直行命令趨近火源。

　　TOP4 配套Lego組合機器人的超聲波防撞電路設計

　　地面灰度傳感器電路設計

　　如圖所示，地面灰度傳感器通過發光二極體LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極體接收，當地面顏色為黑色時，反射的光線比較弱，則光敏三極體的基極電流越小，集電極電流也相應較小，1埠電壓值較高，其測量值較大；反之當地面為白色時，反射的光線較強，集電極電流越大，1埠電壓值較小，測量值也較小。

　　

　　本文研究並設計了基於ARM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人，具有以下5個創新點：（1）採用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；（2） 雙電源供電系統引入，使機器人的運行更加穩定可靠；（3） 採用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進；（4）通過合理選擇PSD測距傳感器的個數和安放位置，既滿足比賽要求，又能節約成本；（5）本文設計的遠紅外火焰傳感器組，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。實測證明，本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務，並且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。

　　機器人的超聲波防撞電路設計

　　這種探測器的依據是超聲波具有很強的方向性。發送的傳感器發出連續信號。在這個裝置之前約幾米的適當物體可以把相當強的信號反射回到接收傳感器。發送和接收傳感器只相隔大約50毫米，所以方向性強的超聲波保證從發射器到接收器之間的直接耦合波顯得微不足道。這個電路從RCX裝置獲得電源，它就和一種標準Lego探測器一樣連接到RCX裝置的一個輸入埠。並沒有特別支持採用RCX代碼或者 Mindstorms套件通常共用的其他程式語言的超聲波探測器。因此，可以利用軟體以標準有源探測器。例如Lego光探測器的相同基本方式操縱它。

　　圖中是超聲波探測器的整個電路圖。二極體列陣由D1至D6組成，而標準的橋式整流器則由D1至D4組成。這個整流器連同濾波電容C3產生7伏特電源。橋式整流器提供全波整流，所以電路怎樣連接RCX裝置都沒有關係。

　　

　　RCX裝置內部的上拉電阻通常使輸入端子處於高電位。D5和D6使IC1a的輸出把RCX埠輸入端拉低至0伏電壓。這個裝置怎樣連接RCX裝置也是沒有關係的。IC1a的輸出通過兩個二極體的任何一個連接埠的帶電輸入端。在輸入提供電源的時間內，兩個二極體的其中一個就會阻斷電源，因此只有極小電流流過兩個二極體。在這些時間內，lC1a的輸出連接電源，但R1卻阻止過量的輸出電流流入IC1a的輸出級。

　　IC1a是緩衝放大器，它是普通的電壓跟隨級。IC1b是直流放大器。它以同相模式操作，反饋電阻R2和R3把它的閉環電壓增益調整倒3．7。要注意，lC1採用的LM358N是用在沒有負電源的直流電路的。其他大多數運算放大器並不能提供這裡要求的很低輸出電壓，所以不建議使用代用器件。TR1放大接收傳感器Mic1的輸出。 TR1用簡單的共射極放大器，它提供超過40dB的電壓增益。C2將其輸出耦合到D7和D8組成的半波整流器電路。C1和 R4組成平滑濾波電路。發射器電路只是採用標準震蕩配置的555時基電路（IC2）。RCX裝置可以從每個輸入端提供的最大電源電流是相當有限的，所以 IC2最好採用低電源的 555。否則就會出現負載太大的風險以致獲得不合適的電源電壓。VR1是頻率控制器，通常調節它而使電路產生最佳性能。不過，如果需要降低靈敏度，可以故意使它偏離最佳頻率。

　　AT89S51 的編程方式可分為並行及串行模式。由於目前PC臺式及及筆記本已經逐漸取消並口，因此並口編程器已經逐漸被淘汰。採用USB接口的ISP編程器比較適合實驗之用。本書所附贈的電路就是以USB ISP串行模式來對AT89S51進行編程的，其電路如圖所示。圖為AT89S51 USB ISP編程器電路圖：

　　

　　USB編程器電路設計

　　CH341A是一個USB總線轉接晶片，通過USB總線提供異步串口、列印口、並口，以及常用的2線和4線等同步串行接口。CH341A採用 SOP－28無鉛封裝，具體功能由復位後的功能配置決定，同一引腳在不同功能下的定義可能不同。CH341晶片正常工作時需要外部向XI引腳提供 12MHz的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH341內置的反相器通過晶體穩頻振蕩產生，外圍電路只需在XI和XO引腳之間連接一個12MHz晶體，並為XI和XO引腳對地連接振蕩電容。CH341晶片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當使用5V工作電壓時，CH341晶片的VCC引腳輸入外部 5V電源，第9腳（V3引腳）應該外接容量為4700pF或者0.01uF的電源退耦電容。CH341 第10、11腳連接到USB數據總線。第13、14腳外接12MHz晶體，為晶片提供時鐘。第16、18、20、22腳分別接300Ω的限流電阻，作為 RST、SCK、MOSI、MISO信號輸入/輸出。在使用CH341A的USB轉ISP功能時，第23腳必須接地。第28為電源5V輸入，接退耦電容，可使讓晶片工作更穩定。

　　

　　圖3.12 USB編程器電路圖

　　在圖3.12裡，USB1為與電腦連接的USB插座。此USB插座共有4個腳，分別為+5V、D－、D+及GND。+5V及GND是本電路板的電源來源。R3為限流電阻，此電阻的取值需要根據實際情況確定。在使用此電阻時，應保證後端的CH341A及AT89S51晶片供電電壓大於4.5V。在保證接入的元件接線正確及電路整體消耗電流小於500mA的情況下，此電阻可以不接，直接用短線連接即可。CH341A晶片通過USB接口和USB連接線完成與電腦的數據傳輸。

　　TOP5 基於無線通信的嵌入式機器人控制系統電路設計

　　無線通信接口設計

　　系統採用迅通公司生產的PTR2000無線通信數據收發模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基於NORDIC公司生產的射頻器件nRF401開發，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb／s；②接收發射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求；④可直接接單片機串口模塊，控制簡單；⑤抗幹擾能力強；⑥功耗小，通信穩定。

　　

　　超聲波測距傳感器電路設計

　　兩路超聲波傳感器用以控制機器人避開障礙物，並預測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統由超聲波發射、超聲波接收和單片機控制等部分組成。發射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經功率放大器放大後，通過超聲波換能器發射超聲波。

　　圖5給出由數字集成電路構成的超聲波振蕩電路，振蕩器產生的高頻電壓信號通過電容C2隔除掉了信號中的直流量並給超聲波換能器 MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號，該信號通過反向器U1C變為標準方波信號，再經功率放大，C2隔除直流信號後加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發射。如果超聲波換能器長時間加直流電壓，會使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理。 U2A為 74ALS00與非門，control_port（控制埠）引腳為控制口，當control_port為高電平時，超聲波換能器發射超聲波信號。

　　

　　圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器採用MA40S2R，對換能器接收到的信號採用集成運算放大器LM324進行信號放大，經過三級放大後，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉換為TTL脈衝信號。INT_Port與單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號後，單片機立即進入中斷並對超聲波信號進行處理和判斷。

　　

　　根據競技機器人的功能要求進行總體設計，將各個功能進行模塊化，其控制系統硬體框圖如圖所示。中央處理器採用微控制器結構，用以控制外圍設備協調運行。舵機控制機器人的運動方向；驅動電機電動機採用輸出軸配有光電編碼器的小型直流電機驅動車輪旋轉。電磁鐵作為機械手夾緊的執行元件。設置了兩路超聲波傳感器、8路光電檢測輸入和8路開關量檢測接口。

　　TOP6 機器人接觸式物體探測技術電路設計

　　下圖中給出使用導電橡膠片的比較合理的接口電路。導電橡膠片和一個3.3k電阻串聯在地與電源正電壓之間形成了分壓器。當導電橡膠片受壓時，傳感器的輸出端的電壓就會變化。傳感器的輸出端就是壓電片和電阻之間的一點，此信號連接到比較器339的反向輸入端引腳上。當壓電片的電壓超過了比較器的參考電壓時，比較器輸出狀態改變，就表示碰撞發生了。這個比較器的輸出可以用來驅動一個控制馬達方向的繼電器上或者直接連接到一個微處理器或計算機埠上。

　　

　　多路碰撞開關

　　當有許多開關或者近距離探測設備布置在機器人的周圍時會怎樣呢？不得不把每個開關的輸出連接到電腦裡，但是那樣做浪費了很多外設埠。一個比較好的解決辦法是利用一個優先編碼器或者多路轉換器。這兩個方案允許在一條公共控制線路上連接多個開關。機器人的微處理器或計算機將查詢這條控制線，而不是每個開關或近距離探測設備。

　　使用優先編碼器電路設計

　　下圖中的電路使用了一塊74148優先編碼器集成塊。

　　

　　集成塊的輸入端就是那些開關的輸出。　當一個開關閉合，相應的二進位編碼就會出現在A-B-C輸出引腳處。對於優先編碼器，只有開關中最高的值才能在輸出端顯示出來。換句話說，如果開關4和7都閉合了，那麼輸出端只能反應引腳4閉合。

　　使用電阻分壓排電路設計

　　如果機器人的計算機或者微控制器中有模一數轉換器（ADC）或者可以添加一個，就能以另一種技術實現多路開關接口：電阻分壓排。概念十分簡單，像圖18 所示。每個開關通過一個電阻的一端接地，而+V電壓串接另一電阻到各開關上。多個開關則並行接入ADC的輸入端，如圖所示。這些電阻形成了一個分壓器。由於每個電阻值都不同，所以當某一開關閉合時，對應的電壓值都是獨一無二的。注意，由於電阻是並聯的，所以一次可能有多個開關閉合。從而得到一個中間值。要對連接每個開關的電阻值進行摸索實驗以獲得最大的靈活性。

　　

　　TOP7 智能跟隨紅外發送接收電路設計

　　系統的智能跟隨功能是通過紅外實現的，音樂機器人上的紅外接收器感知到紅外線時，會追蹤紅外發射源，感知不到時，會原地旋轉重新搜索紅外發射源，直至 重新 定位方向。紅外發射源是由10 個紅外發射管組成，將10 個紅外發射管均勻擺放在一個球體表面，使得紅外發射源可以向四面八方輻射紅外線，保證音樂機器人更加快速準確地尋找到紅外發射源。紅外發射管發射的載波頻 率為38 kHz 佔空比為50%的方波。紅外的發射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個普通I/O 引腳，控制紅外線的通斷，即接通4 ms，然後關斷11 ms，反覆進行接通與關斷。 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發射管。

　　紅外接收裝置採用2 個紅外接收器1838，分別安裝在音樂機器人的頭部和尾部。兩個接收器的輸出引腳分別連接單片機的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發射源的方位，從而驅動電機向外發射源的方向前進。

　　

　　圖4 智能跟隨紅外發送接收電路

　　拍手信號捕獲電路設計

　　電路利用麥克風採集聲音信號，然後利用LM324 對採集來的信號進行比例放大，放大的比例為100 倍，然後接過兩個1N5819 和一個104 獨石電容進行包絡線檢測，最後利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。機器人的移動採用驅動直流電機帶動輪子轉動實現，即控制直流電機的正反轉和速度，系統直流電機驅動晶片採用SGS 公司的L298N，內部有4 通道邏輯驅動電路。用三極體組成H 型平衡橋，驅動功率大，驅動能力強。同時H 型PWM 電路工作在電晶體的飽和狀態與截止狀態，具有非常高的效率。

　　

　　圖5 拍手信號捕獲電路

　　直流電機驅動電路設計

　　電機的轉速取決於3 個因素：負載、電壓和電流。對於一個給定的負載，可以通過脈衝寬度調製的方法來使電機保持穩定的速度。通過改變施加在直流電機上的脈衝寬度，可以增加或減小電機的轉速。調整脈衝寬度，即改變佔空比，調整電機的速度。驅動板採用6 個高速光耦6N137 實現驅動電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅動電路與邏輯電路之間的相互幹擾。驅動板的電路原理圖如圖6 所示。

　　

　　圖6 直流電機驅動電路

　　通過軟體編程可以自由改變單片機兩路PWM脈衝信號的佔空比，電機的A 端連接PWM 脈衝信號，電機的B 端連接單片機的一個I/O 引腳。當這個I/O 引腳置1 時，電流從電機的B 端流向電機的A 端;當這個I/O 引腳置0 時，電流從電機的A 端流向電機的B 端，這樣電機就可以改變電機旋轉方向，同時控制PWM 脈衝信號的佔空比值還可以改變電機旋轉速度，實現轉向和轉速的控制。

　　TOP8 吸塵機器人控制系統電路設計

　　紅外接近傳感器電路設計

　　反射式光電開關是由紅外LED光源和光敏二極體或光敏電晶體等光敏元件組成，當有障礙物阻攔時光線能夠反射回來，輸出為低電平信號；當沒有障礙物阻攔時，光線不能反射回來，輸出為高電平信號。吸塵機器人的近距離紅外接近傳感器由兩組相同的紅外發射、接收電路組成。每一組電路可分為高頻脈衝信號產生、紅外發射調節與控制、紅外發射驅動、紅外接收等幾個部分。通過38kHz晶振和非門電路得到一個38kHz的調製脈衝信號；利用三極體驅動紅外發射管（TSAL6200）的發射。發射管發出的紅外光經物體反射後被紅外接收模塊接收。通過接收頭（HS0038B）內部自帶的集成電路處理後返回一個數位訊號，輸入到微控制器的I／O口，如圖3所示。接收頭如果接收到38kHz的紅外脈衝就會返回輸出低電平，否則就會輸出高電平。通過對I／0口的檢測，便可以判斷物體的有無。

　　

　　兩種電機控制系統電路設計

　　在小功率系統中，直流電機線性特性良好，控制性能優越，適合於點位和速度控制。為了實現直流電機的正反轉運行，只需要改變電機電源電壓的極性。電壓極性的變化和運行時間的長短可以由處理器實現，而提供直流電機正常運行的電流則需要驅動電路。

　　H橋式驅動電路是比較常用的驅動電路。該設計兩個行走驅動電機採用分立器件功率場效應管和續流二極體搭建，成本低，便於散熱，如圖所示。

　　

　　用ARM7的P0．8和P0．9來控制電機，這兩個管腳都是PWM輸出管腳，可以控制電機的速度。該部分主要保證機器人能夠在平面內移動，同時輪上帶有編碼器，可以對行走的路程進行檢測。通過航位推算可以實現機器人的轉彎，假設機器人光電碼盤的分度數為N；控制器收到的脈衝數為m；輪子的直徑為D；兩個輪子之間的間距為W，則輪子前進的距離即可算得。

　　

　　清潔機器人作為服務機器人的一種，有著巨大的市場潛力和廣闊的應用前景。隨著傳感技術的發展和微處理器的不斷進步，價格也在不斷下降。在此研究和設計一個基於ARM7微處理器的清潔機器人控制系統，不僅滿足了實用性的要求，而且在不增加成本的基礎上為軟體提供了良好的硬體支持，為更好的算法和軟體升級提供良好的技術支持。若讀者對機器人技術感興趣，不妨多探討一下未來發展趨勢以及最新革新技術走勢等等。

　　TOP9 基於AT89C52自動追蹤紅外線源機器人電路設計

　　紅外線傳感器電路下見圖。在機器人左、中、右三個方向放置傳感器以檢測紅外線發射源的位置，當某個傳感器接收到紅外線源後輸出一個下降沿至74121的 4腳A2端，根下據圖中電容C4、C5、C6的參數，74121的6腳輸出一個保持時間大約為100ms的高電平，單片機以此高電平信號作為修正方向的依據。

　　

　　微處理器和電機驅動電路見下圖。單片機的P3．1、P3．2和P3．2分別與左、中、右三個方向傳感器的輸出相連，三個傳感器輸出共有8種組合，單片機根據不同的組合狀態修正機器人的前進方向，其修正方向和傳感器輸出組合的關係見方向修正真值下表。

　　

　　從真值表中可以清楚的看到當三個傳感器輸出都為0時，也就是真值表中的「000」狀態時單片機控制機器人順時針方向旋轉以尋找紅外線發射源；當輸入為 「001」狀態時單片機控制機器人向右前進；當輸入為「110」狀態時單片機控制機器人向左前進；當輸入為「111」狀態時單片機控制機器人向正前方前進；當輸入為「101」狀態時，代表機器人正前方的傳感器被障礙物阻擋，單片機控制機器人向左方向旋轉以避開障礙物，也意味著當有障礙物阻擋機器人前進時機器人可以自動繞開障礙物並重新尋找紅外線發射源。

　　基於STM32F107的搬運機器人電機控制電路設計

　　隨著人工成本的不斷升高，用機器人代替人力去做一些重複性的高強度的勞動是現代機器人研究的一個重要方向。搬運機器人在導航尋跡中，需要後輪驅動電機和前輪舵機的協調工作。搬運機器人電機驅動有其特殊的應用要求，對電機的動態性能要求較高，能在任意時刻到達控制需要的指定位置並且使舵機停止在任意角度；電機驅動的轉矩變化範圍大，既有空載平整路面行使的高速度、低轉矩工作環境，也有滿負載爬坡的運行工況，同時還要求保持較高的運行效率。根據以上的技術要求，本文選用了控制技術成熟，易於平滑調速的直流電機作為搬運機器人的執行飢構。

　　功率驅動電路設計

　　電機的供電電源是由24V的蓄電池提供，額定功率為240W，由4個75N75組成橋式電路來實現。75N75是MOSFET功率管，其最高耐壓75V，最高耐流75A，電機驅動電路如圖2所示。

　　

　　Q1、Q4和Q2、Q3分別組成兩個橋路，分別控制電機的正轉和反轉。高端驅動的MOS管導通時源極電壓和漏極電壓相同且都等於供電電樂VCC，所以要實現MOS管正常的驅動，柵極電壓要比VCC大，這就需要專門的升壓晶片IR2103。控制器產生的PWM信號輸入HIN引腳，控制器I／O口輸出的 EN1、EN2作為使能信號。輸出端HO就可得到比VCC要高的電壓，且高出的電壓值正好是充在電容兩端的電壓。二極體提高導通速度，使得75N75的導通電阻更小，降低了開關管的損失。同時IR2103的兩個輸出口HO、LO具有互鎖功能，防止由於軟體或硬體錯誤造成的電機上下橋臂直通造成短路。

　　過流保護電路設計

　　在電機控制系統中安裝過流保護有兩方面的意義：一是防止在電機正常運行時，電機出現超載或堵轉而使得電樞繞組電流過大損害電機甚至引發火災；另一方面是由於電機肩動時啟動電流很大，往往不能直接啟動，既需要等勵磁繞組逐漸建立磁場後再正常運行，又希望電機以儘量快的速度肩動起來。有了過流保護對電流進行斬波，可以使電機安全快速地啟動。過流保護原理圖如圖3所示。

　　

　　電機的相電流通過康銅絲轉換成電壓信號Vtext，經過運算放大器放大後的模擬量AD1送至控制器A／D轉換模塊，同時將經過電壓比較器比較後的數字量 EVA送至控制器的外部中斷口。針對搬運機器人的前輪轉向舵機和後輪驅動電機的控制要求，採用以Cortex-M3為內核的STM32F107作為主控制器，採用嵌入實時作業系統μC／OS-II，將程序分成啟動任務、電機轉速控制任務、舵機控制任務等相對獨立的多個任務，並設定了各任務的優先級。該系統能較好地實現搬運機器人的運動控制。

　　TOP10 智能小車機器人整體電路設計

　　語音輸入電路設計

　　小車的語音輸入電路如圖所示。其中，VM IC 提供傳聲器的電源，VSS是系統的模擬地，VCM 為參考電壓，1腳和2腳分別是傳聲器X1 的正極、負極的輸入引腳。當對著傳聲器講話時，1腳和2 腳將隨著傳聲器輸入的聲音產生變化的波形，並在SPCE061A 的兩個埠處形成兩路反相的波形，送到SPCE061A 控制器內部的運算放大器進行音頻放大，經過放大的音頻信號，通過ADC轉化器轉化為數字量，保存到相應的寄存器中，然後對這些數字音頻信號進行壓縮、辨識、播放等處理。

　　

　　語音輸出電路設計

　　小車的語音輸入電路如圖所示。其中，VDDH 為參考電壓，VSS是系統的模擬地。音頻信號由SPCE061A 的DAC引腳輸出送到電路的9端，通過音量電位器R9的調節端送到集成音頻功率放大器SPY0030， 經音頻放大後，音頻信號從SPY0030輸出經J2埠外接揚聲器播放聲音。

　　

　　光電檢測電路設計

　　小車的光電檢測電路採用E18-D80NK型號的光電傳感器，它集發射和接受於一體，紅外發射管向某一方向發射紅外線，遇到障礙物後紅外線被反射由接收管接受，從而判斷出小車的前方是否有障礙物，對障礙物的感應距離可以根據要求通過傳感器上的微調旋鈕進行調節。傳感器前端增加了透鏡，利用聚焦作用遠距離探測物體。傳感器內部集成了放大、比較、調製電路，使傳感器受可見光的影響較小，光電檢測電路的連接圖如圖4所示。

　　

　　驅動電路設計

　　小車的驅動電路是一個全橋驅動電路（ 圖5），Q1，Q2， Q3， Q4四個三極體組成4個橋臂，Q5 控制Q2和Q3的導通和關斷，Q6控制Q1 和Q4 的導通和關斷，驅動電路分別用於後輪動力驅動電路和前輪方向驅動電路。當1管腳為高電平，2管腳為低電平時時Q1 和Q4 導通，Q2和Q3截止，電動機帶動車輪運轉; 當1管腳為低電平，2管腳為高電平時時Q1和Q4截止，Q2和Q3導通，電動機帶動車輪反向運轉。

　　

　　智能小車系統整體設計

　　將語音輸入電路的1， 2 埠分別連接到SPCE061A控制器的M ICP， N ICN 管腳上; 將語音輸出電路的9埠連接SPCE061A的DAC1管腳; 後輪動力驅動電路的1， 2端連接到SPCE061A的IOB8， IOB9管腳，前輪方向驅動電路的1， 2端連接到SPCE061A 的IOB10， IOB11管腳; 光電檢測電路的OUT 端連接SPCE061A 的IOB12 管腳，智能小車的整體連接如圖6所示。

　　

　　智能小車的正確識別率在90% 以上，實驗過程中發現，影響小車正常辨識的因素主要包括周圍環境的噪聲、人與小車的距離等，這些需要在今後改進。這種語音控制的智能小車機器人將來不僅可以為人服務，稍加擴展，還可以在多種不適合人作業的場合替代人執行任務。因此這種語音控制小車機器人具有重要的學術研究價值。

　　TOP11帶PC機串口通訊的機器人控制系統電路設計

　　用AVRmega8515作一個帶PC機串口通訊的最小單片機機器人控制系統，電路圖見下圖。使用時用WINDOWS自帶的超級終端，把速率調整到9600，8個數據位．1個停止位，無奇偶效驗，無流量控制（握手協議Xon/Xoff）．接上串口線，按照屏幕提示輸入數據就可以直觀地控制3臺舵機的旋轉角度。

　　以下介紹一款24路機器人專用控制器。其主要是供不熟悉單片機的讀者來使用。該系統整體硬體基本和上述最小單片機控制系統一樣，還增加了一片採用I2C 總線通訊方式的24C256 EEPROM存儲器，用來記錄24路龐大的動作表，主控單片機也是AVRmega 8515．整個動作編程通過PC機串口終端仿真器來實現的。可同時控制24臺舵機，並且能分別對臺舵機進行速度控制，其中可以插入循環、延時指令。該控制器能讓製作者從繁瑣的單片機編程中解放出來，並且能讓有PC機編程能力的讀者進行二次開發。

　　

　　基於嵌入式的機器人系統電路模塊設計

　　機器人要實現的動作和功能較多，需要多個傳感器對外界進行檢測，並實時控制機器人的位置、動作和運行狀態。系統中的所有任務最終都掛在實時作業系統μC／0S一Ⅱ上運行，因此不僅要考慮微控制器的內部資源，還要看其可移植性和可擴展性。LPC2129是Philips公司生產的一款32位 arm7TDMI—S微處理器，嵌入256 KB高速Flash存儲器，它採用3級流水線技術，同時進行取指、解碼和執行，而且能夠並行處理指令，提高CPU的運行速度。由於它的尺寸非常小，功耗極低，抗幹擾能力強，適用於各種工業控制。2個32位定時計數器、6路PWM輸出和47個通用I／0口，所以特別適用於對環境要求較低的工業控制和小型智慧機器人系統。因此選用 LPC2129為主控制器，可以獲得設計結構簡單、性能穩定的智慧機器人控制系統。

　　無線通信接口設計

　　系統採用迅通公司生產的PTR2000無線通信數據收發模塊。電路接口如圖2所示。該模塊基於NORDIC公司生產的射頻器件nRF401開發，其特點是：①有兩個頻道可供選擇，工作速率高達20 Kb／s；②接收發射合一，適合雙工和單工通信，因而通信方式比較靈活；③體積小，所需外圍元件少，接口電路簡單，因此特別適合機器人小型化要求；④可直接接單片機串口模塊，控制簡單；⑤抗幹擾能力強；⑥功耗小，通信穩定。

　　

　　超聲波測距傳感器電路設計

　　兩路超聲波傳感器用以控制機器人避開障礙物，並預測機器人相對目的地距離，起導航作用，其接收部分與微控制器的捕獲和定時管腳相連接。整個超聲波檢測系統由超聲波發射、超聲波接收和單片機控制等部分組成。發射部分由高頻振蕩器、功率放大器及超聲波換能器組成。經功率放大器放大後，通過超聲波換能器發射超聲波。

　　圖5給出由數字集成電路構成的超聲波振蕩電路，振蕩器產生的高頻電壓信號通過電容C2隔除掉了信號中的直流量並給超聲波換能器 MA40S2S。其工作過程：U1A和UlB產生與超聲波頻率相對應的高頻電壓信號，該信號通過反向器U1C變為標準方波信號，再經功率放大，C2隔除直流信號後加在超聲波換能器MA40S2S進行超聲波發射。如果超聲波換能器長時間加直流電壓，會使其特性明顯變差，因此一般對交流電壓進行隔除直流處理。 U2A為 74ALS00與非門，control_port（控制埠）引腳為控制口，當control_port為高電平時，超聲波換能器發射超聲波信號。

　　

　　圖6示出為超聲波接收電路。超聲波接收換能器採用MA40S2R，對換能器接收到的信號採用集成運算放大器LM324進行信號放大，經過三級放大後，通過電壓比較器LM339將正弦信號轉換為TTL脈衝信號。INT_Port與單片機中斷管腳相連，當接收到中斷信號後，單片機立即進入中斷並對超聲波信號進行處理和判斷。

　　

　　光電檢測模塊設計

　　設計光電檢測模塊，使機器人能夠檢測地面上的白色引導線。光電檢測電路主要包括發射部分和接收部分，其原理如圖3所示。發射部分的波形調製採用了頻率調製方法。由於發光二極體的響應速度快，其工作頻率可達幾兆赫茲或十幾兆赫茲，而檢測系統的調製頻率在幾十至幾百千赫茲範圍之內，因此能夠滿足要求。光源驅動主要負責將調製波形放大到足夠的功率去驅動光源發光。光源採用紅外發光二極體，工作頻率較高，適合波形為方波的調製光發射。

　　接收部分採用光敏二極體接收調製光線，將光信號轉變為電信號。這種電信號通常較微弱，需進行濾波和放大後才能進行處理。調製信號的放大採用交流放大形式，可以將調製光信號與背景光信號分離開來，為信號處理提供方便。調製信號處理部分對放大後的信號進行識別，判斷被檢測對象的特性。因此，該模塊的本質是將「交流」 的、有用的調製光信號從「直流」的、無用的背景光信號中分離出來，從而達到抗幹擾的目的。

　　更多機器人技術資料，電路圖及DIY設計，可參見本期Designs of week——當中國製造遇上機器人技術，設計思維請跟上！