【文章內容簡介】 尾部的電位器 旋鈕進行調節(jié)。 本設計由于不需要距離的具體數(shù)值，只需要有一個臨界距離，在這個距離范圍內檢測到是一個電平值，在這個距離范圍以外檢測到的是另一個電平值，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， 該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點 ，所以被設計選擇 E18D80NK 紅外避障傳感器來實現(xiàn)智能小車對障礙物和景點的檢測 。 圖 傳感器內部原理圖 ① 電氣特性 圖 E18D80NK 紅外避障傳感器 的實物圖。 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 的智能小車的設計 14 b. 工作電壓： 5VDC； c. 工作電流： 1015mA； d. 驅動電流： 100mA； e. 感應距離： 3~80cm。 ② 注意事項 a. 在接線的時候，請避免出現(xiàn)電源和地接錯的現(xiàn)象； b. 信號輸出端請加上拉電阻。 碰撞開關傳感器 (1)工作原理 碰撞開關實質上就是一個點觸式開關，使其在碰撞前一直處于斷開狀態(tài)，由于接上拉電阻，斷開時處于高電平“ 1”，碰撞時，開關閉合，就與地接通了，呈現(xiàn)低電平“ 0”。在 本設計中是用它來觸碰景點，碰撞時開關閉合，得到一個“ 0”信號，從而使得主控板發(fā)出控制信號使小車返回和語音播報。在本設計中，觸碰開關也作為一種傳感器來使用。實物圖如圖 。 圖 碰撞開關傳感器 (2)接法 觸碰開關的一端接 5V 電源和一個 1k 上拉電阻，再引出條信號線，保證開關斷開時一直維持在高電平，在另一端接地，保證開關接觸時為低電平。 (3)注意事項 碰撞傳感器在使用過程中要注意不要讓碰撞開關因受力過大而變形（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，甚至輸出錯誤結果。 電壓比較器 (1)工作原理 電壓比較器簡稱比較器，其基本功能是對兩個輸入電壓進行比較，并根據(jù)比較結果輸出高電平或低電平電壓，據(jù)此來判斷輸入信號的大小和極性。 電壓比較器可以看作是放大倍數(shù)接近 “ 無窮大 ” 的運算放大器 ， 當 “ +” 輸入端電壓高于 “ － ” 輸入端時 ， 電壓比較器輸出為高電平；當 “ +” 輸入端電壓低于 “ － ” 輸入端時，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)，所以其中的集成運放常工作在非線性區(qū) ， 從電路結構上看，運放常處于開環(huán)狀態(tài)，又是為了使比較器輸出狀態(tài)的轉換更加快速，以提高響應 速度，一般在電路中接入正反饋。 (2)LM339簡介 LM339集成塊內部裝有四個獨立的電壓比較器， 該電壓比較器的 特點是： ① 失調電壓小，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 對比較信號源的內阻限制較寬； ④ 共模范圍很大，為 0~()Vo ； ⑤ 差動輸入電壓范圍較大，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類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用 “ +” 表示，另一個稱為反相輸入端，用 “ ” 表示。用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當 “ +” 端電壓高于 “ ” 端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當 “ ” 端電壓高于“ +” 端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別大于 10mV 就能確保 輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)，因此，把 LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時輸出端到正電源一般須接一只電阻 (稱為上拉電阻，選 315K)。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。 在本次設計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，必須避免這種現(xiàn)象產(chǎn)生，所以不能將灰度傳感器檢測到的信號直接接到控制器的 IO 口上，需要穩(wěn)定的 電平值。而產(chǎn)生這個穩(wěn)定電平值的方法就是將灰度傳感器的信號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引腳圖見圖 。 圖 LM339引腳圖 (3)測量數(shù)據(jù) 當電壓比較器 5V 供電時，參考電壓端 INPUT接 2V 電壓， INPUT+接灰度傳感器的輸出端，測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 的智能小車的設計 16 電機驅動模塊 直流電機 (1)基本結構 直流電機的結構應由 定子和轉子 兩大部分組成 ， 直流電機運行時靜止不動的部分稱為 定子 ， 定子的主要作用是產(chǎn)生 磁場 ，由機座、主 磁極 、換向極、端蓋、軸承和 電刷 裝置等組成。運行時轉動的部分稱為 轉子 ，其主要作用是產(chǎn)生 電磁轉矩 和感應電動勢，是直流電機進行能量轉換的樞紐，所以通常又稱為 電樞 ，由轉軸、電樞鐵心、 電樞繞組 、 換向器 和風扇等組成。 (2)工作原理 直流電機里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉子上的線圈產(chǎn)生安培力，當轉子上的線圈與磁場平行時，再繼續(xù)轉受到的磁場方向將改變，因此此時轉子末端的電刷跟轉換片交替接觸，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， 所以電機能保持一個方向轉動。直流發(fā)電機的工作原理就是把電樞線圈中感應的交變電動勢，靠換向器配合電刷的換向作用，使之從電刷端引出時變?yōu)橹绷麟妱觿莸脑怼? (3)電機選型 由于本設計既需要較大的轉速，也需要較大的力矩，所以選用納英特科技的一款電機，轉速能達到 850rpm，力矩為 ，供電電壓為 16V。 由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動減速齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。 電機實物圖如圖 。 圖 直流減速電機 (4)性能參數(shù) ① 額定電壓： DC 16V； ② 額定空載電流： ? 420mA； ③ 額定 空載轉速 ： 850rpm； ④ 堵轉力矩： ； ⑤ 減速方式：齒輪變速； ⑥ 材料：金屬； ⑦ 重量： 156kg。 17 電機驅動 (1)H 橋驅動電路 圖 ，電路得名于 “ H 橋驅動電路 ” 是因為它的形狀酷似字母 H。 H 橋式電機驅動電路包括 4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。 要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。當 Q1管和 Q4管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q4回到電源負極，該流向的電流將驅動電機順時針轉動；當 Q2管和 Q3管導通時，電流就從電源正極經(jīng) Q3從左至右穿過電機，然后再經(jīng) Q2回到電源負極，該流向的電流將驅動電機 逆時針轉動。 圖 H 橋驅動電路 (2) 大功率 H 橋雙路電機驅動模塊 本次設計電機驅動使用的是大功率 H 橋雙路電機驅動模塊， 供電電壓為 3~36V，能承受大電流過載，最大電流可達 30A。采用完整的兩片半橋驅動芯片＋極低內阻的N 溝道 MOSFET 組成。完整的兩片半橋驅動芯片可靠的驅動方式，使 MOSFET 的開關損耗降至最低。提高電源利用率。 MOSFET 驅動芯片自帶硬件剎車功能和電能反饋功能。 MOSFET 采用 N 溝道 IRF3205 MOSFET，使用兩片專用半橋驅動芯片，對上管采用自舉電容，使上管有足夠的驅動電壓 ，可快速使 MOSFET 溝道打開，提高電機的加速曲率，同時也能迅速的為電機制動。這可以使的的小車能迅速啟動也能迅速殺車。本驅動器可以工作在 0％ 99％的 PWM 調制占空比，使電機可以得到足夠的驅動電壓。實物 如圖 。 注意： PWM 信號不能為 100%，在有負載的情況下不能直接接高電平或懸空 。 圖 電機 驅動實物圖 基于 STM32 的智能小車的設計 18 (3)電機與驅動連接 電機驅動上左側 MOTO MOTO2接電機，電源接 16V，地接負極；右側 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 電機與驅動接法 (4)控制方式 ① 電機正轉： DIR=1， PWM=PWM； ② 電機反轉： DIR=0， PWM=PWM； ③ 停車剎車： DIR=X， PWM=0。 電源 模塊 電源模塊，顧名思義就是給整個系統(tǒng)供電的，它是整個系統(tǒng)能量的來源，關系到整個小車是否穩(wěn)定 運行。 鋰鐵電池 (1)工作原理 電池充電時，正極材料中的鋰離子脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜進入到負極材料中；電池放電時，鋰離子又從負極中脫出來，經(jīng)過電解液，穿過隔膜回到正極材料中。 (2)特點 ① 能量密度高：標稱電壓為 ，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：磷酸鐵鋰正極材料具有良好的電化學性能，充放電平臺十分平穩(wěn)，充放電過程中結構穩(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℃ 時電池正常工作； ④ 高功率輸出：標準放電為 、可 3C 充放； ⑤ 長循環(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：整個生產(chǎn)過程清潔無毒，所有原料都無毒。 (3)電池選型 19 綜合考慮后選擇可充電鋰鐵電池，考慮到電機的瞬間加減速和反轉會產(chǎn)生很大的瞬間電流，本設計使用了兩塊鋰鐵電池，對電機和舵機分開供電，以防止加減速產(chǎn)生的瞬間大電流對舵機的影響。鋰鐵電池實物圖如圖 。 鋰 鐵電池實物圖 三端穩(wěn)壓器 (1)簡介 三端穩(wěn)壓器，主要有兩種，一種輸出電壓是固定的，稱為固定輸出三端穩(wěn)壓器，另一種輸出電壓是可調的，稱為可調輸出三端穩(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)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。 (2)LM2596穩(wěn)壓模塊 本 設計需要提供三種不同的電壓，舵機需要 的電壓 ， 電機驅動需要 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供電。綜合考慮， 最終選定為集成三端穩(wěn)壓芯片為LM2596的電源穩(wěn)壓模塊，如圖 本設計選用的 電源穩(wěn)壓模塊實物圖。 三端穩(wěn)壓模塊 ① 接法 IN+ 接 輸入正極 ， IN接 輸入負極 ； OUT+接 輸出正極 ， OUT輸出負極 。 ON/0FF(接 關斷電源輸出 )方便靈活擴展單片機控制 模塊的輸出狀態(tài) 。 ② 指標 輸入電壓范圍： 基于 STM32 的智能小車的設計 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 以內） 外觀尺寸：長 *寬 *高 ** 舵機模塊 舵機是一種位置（角度）伺服的驅動器，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、包括飛機模型、潛艇模型、遙控機器人中已經(jīng)使用得比較普遍。舵機是一種俗稱，其實是一種伺服馬達。 基本結構 舵機簡單的說就是 集成了直流電機、電機控制器和減速器等，并封裝在一個便于安裝的外殼里的伺服單元。能夠利用簡單的輸入信號比較精確的轉動給定角度的電機系統(tǒng)。 舵機安裝了一個電位器（或其它角度傳感器）檢測輸出軸轉動角度，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。這樣的直流電機控制方式叫閉環(huán)控制，所以舵機更準確的說是伺服馬達，英文 servo。 舵機的主體結構如圖 ，主要有幾個部分：外殼、減速齒輪組、電機、電位器、控制電路。 圖 舵 機的結構 工作原理 簡單的工作原理是控制電路接收信號 源的控制信號，并驅動電機轉動；齒輪組將電機的速度成大倍數(shù)縮小，并將電機的輸出扭矩放大響應倍數(shù)，然后輸出；電位器和齒輪組的末級一起轉動，測量舵機軸轉動角度；電路板檢測并根據(jù)電位器判斷舵機轉動角度，然后控制舵機轉動到目標角度或保持在目標角度， 如圖 。 21 圖 舵機工作原理簡圖 控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準信號，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，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片 決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為 0，電機停止轉動。 控制方案 (1)控制時序要求 舵機的控制一般需要一個 20ms 左右的時基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為~ 范圍內的角度控制脈沖部分。以 180度角度伺服為例，那么對應的控制關系如圖 。