移動機器人感測系統電路設計 —電路圖天天讀（236）

　　超聲波傳感器是移動機器人避障、測距常用傳感器之一。傳感器安裝在機器人上時距離地面不能太近，太近容易產生干擾信號， 而且容易將可以翻越的障礙物當成無法逾越的障礙物。 傳感器兩探頭間的距離不能太遠也不能太近，太遠測量誤差過大， 太近串擾信號過強。

　　機器人硬件系統主要包括：ARM處理器、單片機、外圍接口電路、機器人底盤以及電源等，其中ARM處理器是上層的核心，51單片機是下層的核心。硬件結構框圖如圖1所示。

　　圖1　硬件結構框圖

　　移動機器人采用H橋控制方案，整體控制方案如圖2所示。

　　圖2　H橋控制方案

　　電機共有4路PWM輸出分別作為左右輪的驅動，而通過2路PWM輸出可控制一個電機，兩個電機以并聯方式連接。

　　當L298N芯片使能信號ENABLE為高時，輸出才隨輸入變化，否則為高阻態，所以焊接時，ENABLE引腳及電源引腳VS均接電源VCC。

　　具體驅動過程為：通過編程由控制芯片經PWM發出驅動信號，PWM輸出作為L298N的輸入，經L298N轉換輸出控制信號使電機轉動，從而實現電動機的驅動。

　　PWM輸出信號的高低則可以控制直流電機轉速。當占空比加大時，轉速升高；占空比減小時，轉速降低；當PWM信號輸出占空比為0時可控制電機的停止。

　　當左輪停止，右輪轉時，小車左轉；當右輪停止，左輪轉動時，小車右轉。而2路PWM輸出的正負順序轉換則可控制電機的正反轉，進而控制小車的前進和后退。

　　系統軟件結構如圖3所示。

　　圖3　系統軟件結構

　　超聲波發射模塊設計

　　外加信號頻率等于兩壓電晶片的固有振動頻率時， 將會發生共振， 課題中采用的超聲波傳感器中心頻率為40kHz， 因此在超聲波發射電路中， 通過軟件編程方式， 對單片機I/O口置高和置低， 產生40kHz脈沖信號， 輸出到發射電路中。 由于AT89S51單片機I/O口使用時能提供20mA灌電流能力， 而吸電流能力較小， 所以用74HC04來提高其輸出電流的能力， 保證40kHz的脈沖信號有一定的功率。 超聲波發射模塊原理圖如圖4所示。

　　圖4 超聲波發射模塊原理圖

　　超聲波接收模塊設計

　　如圖5所示， 超聲波接收處理電路采用集成電路CX20106. CX20106接收到與其中心頻率相符的信號時， 7腳就輸出低電平。 7腳輸出的脈沖下降沿和紅外傳感器測距信號相與后接單片機中斷口。

　　圖5 超聲波接收電路原理圖

　　反射式紅外傳感器檢測系統設計

　　紅外測距電路如圖6所示， LM567可以構成低頻振蕩器作為紅外傳感系統的編碼電路， 即利用其內部的壓控振蕩器來產生低頻信號， 由于R25=10.9kΩ， C25=2200pF， 根據公式f0 =1/1.1RC，5腳輸出頻率38.91kHz的脈沖信號。 此脈沖信號使三極管T1（8050）工作于開關狀態， 驅動紅外發光二極管發出的紅外脈沖。 采用這種方法省去了信號發生電路， 簡化了線路和調試工作， 又防止了周圍環境變化和元件參數變化對收發頻率造成的差異， 實現了紅外線發射與接收工作頻率的同步自動跟蹤， 使電路的穩定性和抗干擾能力大大加強。

　　圖6 反射式紅外傳感器測距原理圖

　　編輯點評：文章利用超聲波傳感器與紅外傳感器各自的優點，設計了基于超聲波傳感器和紅外傳感器的移動機器人感測系統。該系統采用紅外傳感器補償了超聲波傳感器的檢測盲區，使移動機器人具有更大的感測范圍。
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