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如何做外贸品牌网站,长沙的互联网网站公司,中企动力科技股份有限公司扬州分公司,深圳创业印章2 拖地机器人系统的总体方案设计 本文使用ATmega2560作为控制板的核心芯片#xff0c;并使用RS232串口通讯电路与电脑进行通讯#xff0c;将数据和程序通过电脑传输到芯片中。驱动板是由L298N和ULN2003芯片为主的电路组合而成#xff0c;再增加电量监控和显示的相关电路并使用RS232串口通讯电路与电脑进行通讯将数据和程序通过电脑传输到芯片中。驱动板是由L298N和ULN2003芯片为主的电路组合而成再增加电量监控和显示的相关电路最终实现避障行进抹布的运动和电量显示的功能系统的整体框架如图2-1所示。图2.1 系统整体框架图2.1 控制板的方案设计控制板的核心芯片需要具备强大的计算能力可以完成多项任务的同时工作任务包括传感器的数据分析和逻辑判断从而完成对电机驱动芯片的控制使拖地机器人进行避障行进电量的监控和显示抹布转动电机的驱动芯片控制等。控制芯片在进行工作任务之前需要对芯片进行程序的输入和工作仿真因此控制板还需要能够与电脑进行通讯的电路。由于此拖地机器人需要用到的电机数量比较多因此需要12V的电压驱动而大多数控制芯片的输入电压是5V或者3.3V因此还需要降压芯片。鉴于以上要求本文选用以ATmega2560芯片为核心的Arduino Mega 2560它的优点如下1Arduino Mega 2560集成了RS232串口通讯电路拥有非常多的数字I/O口和模拟I/O口为以后功能的扩展开发提供了可行性2Arduino自带1.1V的参考电压可以直接用来做电量监控而不需要设计多余的芯片电路3Arduino的最大优点是自带非常丰富的库函数编程时不需要进行复杂的底层代码设计使编程的难度大大降低。2.2 驱动板的方案设计由于驱动电机需要比较大的电流而Arduino的输出电流只有几十毫安远远不足以驱动电机所以需要电机驱动芯片来协助。Arduino是一块已经整合完成的控制板因此需要另外做一块驱动板驱动板主要包括以下电路1L298N电机驱动模块拖地机器人在进行拖地工作时需要做避障行进L298N是一块普遍使用的电机驱动芯片它可以控制两个直流减速电机可以帮助Arduino对两个电机的转速分别进行调整控制机器人的直行和转弯[11]。2ULN2003电机驱动模块当拖地机器人工作时抹布是在底面做履带式运动所以驱动抹布转动轴需要比较大的力。步进电机在低速时具有比较大的扭矩因此我们就使用步进电机来驱动抹布转动轴。虽然步进电机也可以用L298N来驱动但对于抹布转动轴电机来说并不需要复杂的速度变化因此选用由七个达林顿管组成的ULN2003最为合适它既能驱动步进电机且芯片价格较低可以节约成本。3电量监控电路Arduino Mega 2560内部自带1.1V参考电压可以用来监控电源电压但是Arduino允许输入的电压只有5V[12]对于本设计来说无法将电源电压直接接入Arduino的模拟I/O口因此需要将电源电压用电阻分压到5V以下。4LCD1602显示屏模块拖地机器人需要将电量情况反映给使用者查看所以使用一块LCD1602显示屏来显示剩余电量。由于LCD1602显示屏有16个接口如果直接接入Arduino就会占用太多I/O口所以在LCD1602显示屏和Arduino之间使用了一块PCF8574T芯片使显示屏可以通过IIC通讯方式与Arduino连接这种通讯方式只占用4个I/O口不会浪费接口资源[13]。5HC-SR04超声波传感器拖地机器人如果想要完成避障行进工作就必须要有传感器将沿途的障碍物反映给控制芯片因此本设计采用了HC-SR04超声波传感器。此传感器通过两个I/O口与Arduino进行通讯将电源电路设计在驱动板中。6LM2596S降压芯片不论是各种芯片还是传感器它们的供电电压都是5V因此需要一块稳定的降压芯片将12V电压转换为5V。2.3 本章小结本章主要是对拖地机器人的电路进行一个总体方案的概述根据设计要求罗列了各个电路的设计并对电路的总体结构和设计思路进行了说明。3 拖地机器人系统的相关元器件3.1 控制板的元器件本设计中需要通过主控芯片控制的元器件有传感器电机显示屏和串口通讯等模块因此控制芯片需要拥有较多的I/O口且需要强大的控制能力才能对如此多的工作量进行同时控制。为了选择合适的控制芯片本小组在设计初期对Intel公司的8051系列单片机、ATMEL公司的AVR系列单片机和ST公司的STM系列单片机进行了比较。虽然8051单片机具有操作简单且容易上手适合新手使用但存在着运行速度较慢的缺点不适合本设计STM系列单片机以STM32为代表是单片机中性能较高的产品它接口丰富且运算速度较快但在实际操作时需要对控制对象进行复杂的底层设计因此需要花费较多时间才能熟练掌握对于时间紧迫的毕业设计来说不太适合以AVR系列单片机为基础的Arduino具有丰富的库函数编程时不需要进行繁琐的底层设计只需对函数进行调用即可对编程设计的同学给予了很大的方便且系列产品中也有接口丰富的产品具有开发简单易于上手功能强大运算速度快的优点使我们最终选择了此系列产品作为本次设计的控制板[14]。Arduino Mega 2560控制板是一块灵活便捷便于上手的开源开发板具有54路数字接口和16路模拟接口其中16路数字接口可以作为PWM输出除此之外还有4路UART接口一个16MHz晶振器一个USB口和复位按钮。虽然本设计使用的是现成的开发板但对于控制芯片和最小系统的搭建都经过了研究和对比最终才采用此款开发板接下来将对控制板的芯片和电路组成进行说明。3.1.1 控制芯片ATmega系列是一种基于AVR的低功耗8位CMOS微控制器是ATMEL公司生产的AVR单片机系列高档型号。该系列单片机集成度较高使用它可以减少外围电路它具有比传统单片机更强大的CPU具有本设计需要的大多数功能因此选用此系列单片机作为本次设计的控制核心芯片[15]。本设计需要用到多个传感器并且还要控制多个电机驱动模块和显示屏模块需要多个I/O接口。ATmega2560作为该系列产品中的一款较为强大的芯片具有接口众多且控制功能强大的优点它不仅可以满足目前的设计要求还能为后续的扩展设计提供便利。ATmega2560主要有以下特点1具有多达54路数字I/O接口和16个模拟I/O接口适合需要大量I/O接口的设计2具有8位中央处理单元频率为16MHz能够快速响应中断并进行处理3采用5V供电电压具有上电复位和可编程欠压检测4具有256k字节的闪存可储存程序其中8kb用于bootloader可选Boot代码区具有独立锁定位可做到真正的读写同时操作它还有8kb的SRAM和4kb的EEPROM,并具有64kb的可选外部储存空间5提供14路8位PWM输出6具有AREF模拟输出参考电压可实现精确度较高的电压监控7内置4路UART可以与外部进行串口通信除此之外还有TWI接口可兼容IIC总线。芯片选用100引脚的贴片封装管脚图如图3.1所示。图3.1 ATmega2560引脚图4 电路设计拖地机器人的系统主要分为两部分第一部分是控制部分该部分以ATmega2560为核心围绕它设计最小系统电路并根据本设计添加需要的功能。第二部分是驱动板部分该部分集成了电机驱动元器件和显示屏电路。4.1 控制板的电路设计4.1.1 控制芯片最小系统电路设计本文中使用的核心控制芯片是ATmega2560它具有控制功能强大I/O接口多的特点且容易开发非常适合本设计。ATmega2560作为本设计的核心控制芯片整个电路都是围绕其搭建。首要任务是使芯片能够工作因此先对其的最小系统电路进行搭建设计。将电源接口与5V电源进行连接并连接去耦电容接地稳定电源电压减少电源杂波对芯片的影响。将每个接地端都共同接地。AREF作为基准电压外部输入引脚将其串联滤波电容并接地。XTAL1和XTAL2用来提供外部振荡源给片内的时钟电路[23]将在下文进行具体说明。控制芯片的最小系统如图4.1所示。图4.1 ATmega2560最小系统5 电路板实物测试和仿真以Altium Designer 18设计的电路原理图为基础完成的电路板焊接完成后需要进行实物测试。由于此次设计是在家中完成与小组其他成员各自在不同的地方因此当电路板测试完成后无法马上进行所有器件的整合测试。鉴于这些原因本次设计除了进行实物测试之外还需要进行仿真测试确保结构设计的同学在进行组装调试的时候不会出现电路设计和软件设计上的问题。5.1 电路板的实物测试鉴定一块电路板的好坏就是对其电子元器件进行通路测试和功能测试确保其能完成设计的功能。由于此块电路板是手工焊接完成的而且有贴片封装的元器件焊接完成后需要对引脚进行检查确保引脚不会连在一起。对引脚检查完毕后将万用表的量程调到蜂鸣档即如图5.1所示档位两个表笔碰到一起时万用表会发出“哔”的连续蜂鸣声当表笔检测的电路是通路时万用表也会发出蜂鸣声而电路为断路时万用表则不会发出声音根据此原理使用此档位对电路板中的各个元器件进行通路的测试。对通路的检查完毕之后将万用表调至电压端由于此电路的供电电池为12V锂电池因此将万用表调至20V的档位即可使用此档位对电路板的输出电压端进行测试检测其是否能输出原理图所设计的输出电压。测试结果如图5.2图5.3和图5.4所示5V电压的输出端检测出4.92V电压4V电压输出端检测出3.74V电压12V电压输出端检测出11.32V电压由于电池不是满电状态且万用表存在的误差也会影响测试的结果经多次测试认为电路的输出电压符合原理图的设计。图5.1 蜂鸣档图5.2 输出5V电压的接口测试图5.3 输出4V电压的接口测试文章底部可以获取博主的联系方式获取源码、查看详细的视频演示或者了解其他版本的信息。所有项目都经过了严格的测试和完善。对于本系统我们提供全方位的支持包括修改时间和标题以及完整的安装、部署、运行和调试服务确保系统能在你的电脑上顺利运行。