【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 尾部的電位器 旋鈕進(jìn)行調(diào)節(jié)。 本設(shè)計(jì)由于不需要距離的具體數(shù)值，只需要有一個(gè)臨界距離，在這個(gè)距離范圍內(nèi)檢測(cè)到是一個(gè)電平值，在這個(gè)距離范圍以外檢測(cè)到的是另一個(gè)電平值，這樣也方便主控制器處理數(shù)據(jù)。 E18D80NK 紅外避障傳感器 完全符合上述要求，此外， 該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn) ，所以被設(shè)計(jì)選擇 E18D80NK 紅外避障傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)智能小車(chē)對(duì)障礙物和景點(diǎn)的檢測(cè) 。 圖 傳感器內(nèi)部原理圖 ① 電氣特性 圖 E18D80NK 紅外避障傳感器 的實(shí)物圖。 圖 E18D80NK 紅外避障傳感器 a. 傳感器外部接線，分別為紅色： VCC；黑色： GND；黃色： OUT； 基于 STM32 的智能小車(chē)的設(shè)計(jì) 14 b. 工作電壓： 5VDC； c. 工作電流： 1015mA； d. 驅(qū)動(dòng)電流： 100mA； e. 感應(yīng)距離： 3~80cm。 ② 注意事項(xiàng) a. 在接線的時(shí)候，請(qǐng)避免出現(xiàn)電源和地接錯(cuò)的現(xiàn)象； b. 信號(hào)輸出端請(qǐng)加上拉電阻。 碰撞開(kāi)關(guān)傳感器 (1)工作原理 碰撞開(kāi)關(guān)實(shí)質(zhì)上就是一個(gè)點(diǎn)觸式開(kāi)關(guān)，使其在碰撞前一直處于斷開(kāi)狀態(tài)，由于接上拉電阻，斷開(kāi)時(shí)處于高電平“ 1”，碰撞時(shí)，開(kāi)關(guān)閉合，就與地接通了，呈現(xiàn)低電平“ 0”。在 本設(shè)計(jì)中是用它來(lái)觸碰景點(diǎn)，碰撞時(shí)開(kāi)關(guān)閉合，得到一個(gè)“ 0”信號(hào)，從而使得主控板發(fā)出控制信號(hào)使小車(chē)返回和語(yǔ)音播報(bào)。在本設(shè)計(jì)中，觸碰開(kāi)關(guān)也作為一種傳感器來(lái)使用。實(shí)物圖如圖 。 圖 碰撞開(kāi)關(guān)傳感器 (2)接法 觸碰開(kāi)關(guān)的一端接 5V 電源和一個(gè) 1k 上拉電阻，再引出條信號(hào)線，保證開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)一直維持在高電平，在另一端接地，保證開(kāi)關(guān)接觸時(shí)為低電平。 (3)注意事項(xiàng) 碰撞傳感器在使用過(guò)程中要注意不要讓碰撞開(kāi)關(guān)因受力過(guò)大而變形（變形后傳感器可能不能回到原始狀態(tài)），變形后傳感器可能不能正常工作，甚至輸出錯(cuò)誤結(jié)果。 電壓比較器 (1)工作原理 電壓比較器簡(jiǎn)稱(chēng)比較器，其基本功能是對(duì)兩個(gè)輸入電壓進(jìn)行比較，并根據(jù)比較結(jié)果輸出高電平或低電平電壓，據(jù)此來(lái)判斷輸入信號(hào)的大小和極性。 電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近 “ 無(wú)窮大 ” 的運(yùn)算放大器 ， 當(dāng) “ +” 輸入端電壓高于 “ － ” 輸入端時(shí) ， 電壓比較器輸出為高電平；當(dāng) “ +” 輸入端電壓低于 “ － ” 輸入端時(shí)，電壓比較 15 器輸出為低電平 。 由于比較器的輸出只有低電平和高電平兩種狀態(tài)，所以其中的集成運(yùn)放常工作在非線性區(qū) ， 從電路結(jié)構(gòu)上看，運(yùn)放常處于開(kāi)環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換更加快速，以提高響應(yīng) 速度，一般在電路中接入正反饋。 (2)LM339簡(jiǎn)介 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器， 該電壓比較器的 特點(diǎn)是： ① 失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； ② 電源電壓范圍寬，單電源為 2~36V，雙電源電壓為 177。1V~177。18V；③ 對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； ④ 共模范圍很大，為 0~()Vo ； ⑤ 差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓； ⑥ 輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339類(lèi)似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱(chēng)為同相輸入端，用 “ +” 表示，另一個(gè)稱(chēng)為反相輸入端，用 “ ” 表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱(chēng)為門(mén)限電平，它可選擇 LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng) “ +” 端電壓高于 “ ” 端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng) “ ” 端電壓高于“ +” 端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保 輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。 LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻 (稱(chēng)為上拉電阻，選 315K)。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 在本次設(shè)計(jì)中用到的灰度傳感器，由于輸出電壓是模擬量，可能處于非穩(wěn)定狀態(tài)，造成誤檢測(cè)，必須避免這種現(xiàn)象產(chǎn)生，所以不能將灰度傳感器檢測(cè)到的信號(hào)直接接到控制器的 IO 口上，需要穩(wěn)定的 電平值。而產(chǎn)生這個(gè)穩(wěn)定電平值的方法就是將灰度傳感器的信號(hào)接到電壓比較器的輸入端，再給電壓比較器的參考輸入端加個(gè)參考電壓，從而在電壓比較器的輸出端就能得到穩(wěn)定的高低電平值。 LM339引腳圖見(jiàn)圖 。 圖 LM339引腳圖 (3)測(cè)量數(shù)據(jù) 當(dāng)電壓比較器 5V 供電時(shí)，參考電壓端 INPUT接 2V 電壓， INPUT+接灰度傳感器的輸出端，測(cè)量電壓比較器的輸出端，高電平電壓為 ，低電平電壓為 。 基于 STM32 的智能小車(chē)的設(shè)計(jì) 16 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 直流電機(jī) (1)基本結(jié)構(gòu) 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)應(yīng)由 定子和轉(zhuǎn)子 兩大部分組成 ， 直流電機(jī)運(yùn)行時(shí)靜止不動(dòng)的部分稱(chēng)為 定子 ， 定子的主要作用是產(chǎn)生 磁場(chǎng) ，由機(jī)座、主 磁極 、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的部分稱(chēng)為 轉(zhuǎn)子 ，其主要作用是產(chǎn)生 電磁轉(zhuǎn)矩 和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是直流電機(jī)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換的樞紐，所以通常又稱(chēng)為 電樞 ，由轉(zhuǎn)軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風(fēng)扇等組成。 (2)工作原理 直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過(guò)轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變， 所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。直流發(fā)電機(jī)的工作原理就是把電樞線圈中感應(yīng)的交變電動(dòng)勢(shì)，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時(shí)變?yōu)橹绷麟妱?dòng)勢(shì)的原理。 (3)電機(jī)選型 由于本設(shè)計(jì)既需要較大的轉(zhuǎn)速，也需要較大的力矩，所以選用納英特科技的一款電機(jī)，轉(zhuǎn)速能達(dá)到 850rpm，力矩為 ，供電電壓為 16V。 由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)減速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 電機(jī)實(shí)物圖如圖 。 圖 直流減速電機(jī) (4)性能參數(shù) ① 額定電壓： DC 16V； ② 額定空載電流： ? 420mA； ③ 額定 空載轉(zhuǎn)速 ： 850rpm； ④ 堵轉(zhuǎn)力矩： ； ⑤ 減速方式：齒輪變速； ⑥ 材料：金屬； ⑦ 重量： 156kg。 17 電機(jī)驅(qū)動(dòng) (1)H 橋驅(qū)動(dòng)電路 圖 ，電路得名于 “ H 橋驅(qū)動(dòng)電路 ” 是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜?H。 H 橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過(guò)電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須使對(duì)角線上的一對(duì)三極管導(dǎo)通。當(dāng) Q1管和 Q4管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng) Q1從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng) Q4回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)；當(dāng) Q2管和 Q3管導(dǎo)通時(shí)，電流就從電源正極經(jīng) Q3從左至右穿過(guò)電機(jī)，然后再經(jīng) Q2回到電源負(fù)極，該流向的電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī) 逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 H 橋驅(qū)動(dòng)電路 (2) 大功率 H 橋雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 本次設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用的是大功率 H 橋雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊， 供電電壓為 3~36V，能承受大電流過(guò)載，最大電流可達(dá) 30A。采用完整的兩片半橋驅(qū)動(dòng)芯片＋極低內(nèi)阻的N 溝道 MOSFET 組成。完整的兩片半橋驅(qū)動(dòng)芯片可靠的驅(qū)動(dòng)方式，使 MOSFET 的開(kāi)關(guān)損耗降至最低。提高電源利用率。 MOSFET 驅(qū)動(dòng)芯片自帶硬件剎車(chē)功能和電能反饋功能。 MOSFET 采用 N 溝道 IRF3205 MOSFET，使用兩片專(zhuān)用半橋驅(qū)動(dòng)芯片，對(duì)上管采用自舉電容，使上管有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓 ，可快速使 MOSFET 溝道打開(kāi)，提高電機(jī)的加速曲率，同時(shí)也能迅速的為電機(jī)制動(dòng)。這可以使的的小車(chē)能迅速啟動(dòng)也能迅速殺車(chē)。本驅(qū)動(dòng)器可以工作在 0％ 99％的 PWM 調(diào)制占空比，使電機(jī)可以得到足夠的驅(qū)動(dòng)電壓。實(shí)物 如圖 。 注意： PWM 信號(hào)不能為 100%，在有負(fù)載的情況下不能直接接高電平或懸空 。 圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)實(shí)物圖 基于 STM32 的智能小車(chē)的設(shè)計(jì) 18 (3)電機(jī)與驅(qū)動(dòng)連接 電機(jī)驅(qū)動(dòng)上左側(cè) MOTO MOTO2接電機(jī)，電源接 16V，地接負(fù)極；右側(cè) PWMPWM2接控制器產(chǎn)生的 PWM 端口， DIR DIR2接控制器的方向控制口， VCC 接 +5V，GND 接地線，具體接法如圖 。 圖 電機(jī)與驅(qū)動(dòng)接法 (4)控制方式 ① 電機(jī)正轉(zhuǎn)： DIR=1， PWM=PWM； ② 電機(jī)反轉(zhuǎn)： DIR=0， PWM=PWM； ③ 停車(chē)剎車(chē)： DIR=X， PWM=0。 電源 模塊 電源模塊，顧名思義就是給整個(gè)系統(tǒng)供電的，它是整個(gè)系統(tǒng)能量的來(lái)源，關(guān)系到整個(gè)小車(chē)是否穩(wěn)定 運(yùn)行。 鋰鐵電池 (1)工作原理 電池充電時(shí)，正極材料中的鋰離子脫出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，穿過(guò)隔膜進(jìn)入到負(fù)極材料中；電池放電時(shí)，鋰離子又從負(fù)極中脫出來(lái)，經(jīng)過(guò)電解液，穿過(guò)隔膜回到正極材料中。 (2)特點(diǎn) ① 能量密度高：標(biāo)稱(chēng)電壓為 ，能量密度是鉛酸電池的 4倍左右，體積小、重量輕； ② 安全性強(qiáng)：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學(xué)性能，充放電平臺(tái)十分平穩(wěn)，充放電過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，電池不燃燒、不爆炸、安全性好； ③ 高溫性 能好：外部溫度 55℃ 時(shí)電池正常工作； ④ 高功率輸出：標(biāo)準(zhǔn)放電為 、可 3C 充放； ⑤ 長(zhǎng)循環(huán)壽命：常溫 1C 充放電，單體經(jīng) 2020次循環(huán)后容量仍大于 80%； ⑥ 環(huán)保：整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程清潔無(wú)毒，所有原料都無(wú)毒。 (3)電池選型 19 綜合考慮后選擇可充電鋰鐵電池，考慮到電機(jī)的瞬間加減速和反轉(zhuǎn)會(huì)產(chǎn)生很大的瞬間電流，本設(shè)計(jì)使用了兩塊鋰鐵電池，對(duì)電機(jī)和舵機(jī)分開(kāi)供電，以防止加減速產(chǎn)生的瞬間大電流對(duì)舵機(jī)的影響。鋰鐵電池實(shí)物圖如圖 。 鋰 鐵電池實(shí)物圖 三端穩(wěn)壓器 (1)簡(jiǎn)介 三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱(chēng)為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調(diào)的，稱(chēng)為可調(diào)輸出三端穩(wěn)壓器，其基本原理相同，均采用 串聯(lián)型穩(wěn)壓電路 。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。 (2)LM2596穩(wěn)壓模塊 本 設(shè)計(jì)需要提供三種不同的電壓，舵機(jī)需要 的電壓 ， 電機(jī)驅(qū)動(dòng)需要 12V 的電壓，主控板和傳感器需要 5V 的電壓，而供電模塊只能提供 ，所以需要用穩(wěn)壓模塊得到這三種電壓給小車(chē)供電。綜合考慮， 最終選定為集成三端穩(wěn)壓芯片為L(zhǎng)M2596的電源穩(wěn)壓模塊，如圖 本設(shè)計(jì)選用的 電源穩(wěn)壓模塊實(shí)物圖。 三端穩(wěn)壓模塊 ① 接法 IN+ 接 輸入正極 ， IN接 輸入負(fù)極 ； OUT+接 輸出正極 ， OUT輸出負(fù)極 。 ON/0FF(接 關(guān)斷電源輸出 )方便靈活擴(kuò)展單片機(jī)控制 模塊的輸出狀態(tài) 。 ② 指標(biāo) 輸入電壓范圍： 基于 STM32 的智能小車(chē)的設(shè)計(jì) 20 輸出電壓范圍： 輸出最大電流： 3A 連續(xù)工作電流： 2A（輸出總功率 20W 以?xún)?nèi)） 外觀尺寸：長(zhǎng) *寬 *高 ** 舵機(jī)模塊 舵機(jī)是一種位置（角度）伺服的驅(qū)動(dòng)器，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。目前在高檔遙控玩具，如航模、包括飛機(jī)模型、潛艇模型、遙控機(jī)器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機(jī)是一種俗稱(chēng)，其實(shí)是一種伺服馬達(dá)。 基本結(jié)構(gòu) 舵機(jī)簡(jiǎn)單的說(shuō)就是 集成了直流電機(jī)、電機(jī)控制器和減速器等，并封裝在一個(gè)便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡(jiǎn)單的輸入信號(hào)比較精確的轉(zhuǎn)動(dòng)給定角度的電機(jī)系統(tǒng)。 舵機(jī)安裝了一個(gè)電位器（或其它角度傳感器）檢測(cè)輸出軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度，控制板根據(jù)電位器的信息能比較精確的控制和保持輸出軸的角度。這樣的直流電機(jī)控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機(jī)更準(zhǔn)確的說(shuō)是伺服馬達(dá)，英文 servo。 舵機(jī)的主體結(jié)構(gòu)如圖 ，主要有幾個(gè)部分：外殼、減速齒輪組、電機(jī)、電位器、控制電路。 圖 舵 機(jī)的結(jié)構(gòu) 工作原理 簡(jiǎn)單的工作原理是控制電路接收信號(hào) 源的控制信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)；齒輪組將電機(jī)的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機(jī)的輸出扭矩放大響應(yīng)倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級(jí)一起轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)量舵機(jī)軸轉(zhuǎn)動(dòng)角度；電路板檢測(cè)并根據(jù)電位器判斷舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，然后控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到目標(biāo)角度或保持在目標(biāo)角度， 如圖 。 21 圖 舵機(jī)工作原理簡(jiǎn)圖 控制信號(hào)由接收機(jī)的通道進(jìn)入信號(hào)調(diào)制芯片，獲得直流偏置電壓。它內(nèi)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準(zhǔn)信號(hào)，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 決定電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過(guò)級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。 控制方案 (1)控制時(shí)序要求 舵機(jī)的控制一般需要一個(gè) 20ms 左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為~ 范圍內(nèi)的角度控制脈沖部分。以 180度角度伺服為例，那么對(duì)應(yīng)的控制關(guān)系如圖 。