包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論

1、包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論1.概述包裹采集機器人的基本組成部分包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.主控處理器選型目前可采用的主控處理器主要有: 單片機 (80C51，C8051F，PIC，） DSP （TI公司的TMS320C2000系列） 嵌入式處理器（ARM7：S3C44B0X，） FPGA （Altera公司的 EP1C3，EP1C6，）可用于擴展處理器外圍邏輯的器件： CPLD （Altera公司的MAX7000A系列，MAX II系列，）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.1 單片機主控處理器優(yōu)點：使用簡單價格便宜，外圍電路簡單缺點：功能相對簡單大多數(shù)情

2、況下需要仿真器和編程器可選型號：80C51系列C8051F系列PIC系列AVR系列包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.2 DSP主控處理器TI公司用于電機控制等領(lǐng)域的DSP有如下優(yōu)點：專為電機控制設(shè)計，具有許多電機控制所需要的片上外設(shè)，如PWM發(fā)生器，正交編碼器外圍電路簡單（片上集成Flash和SRAM）開發(fā)較容易價格適中DSP的缺點：需要仿真器可選型號：TMS320LF2407TMS320LF2812包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.3 嵌入式主控處理器嵌入式處理器目前應(yīng)用很廣，其優(yōu)點有：性能較強，有豐富的片上外設(shè)，大多數(shù)處理器帶有PWM模塊可以移植操作系統(tǒng)（uClinux

3、，Linux等），為使用USB攝像頭等提供了可行方案有豐富的開發(fā)資料可以參考不需要仿真器嵌入式處理器的缺點：外圍電路復(fù)雜，多數(shù)情況下需要擴展Flash和SDRAM如果采用現(xiàn)成的開發(fā)板成本較高基于操作系統(tǒng)環(huán)境，移植USB攝像頭等難度較大包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.3 嵌入式主控處理器可選型號：ARM7 系列：三星公司的S3C44B0X （片上外設(shè)豐富，有PWM發(fā)生器，需要外擴Flash和SDRAM，有移植好的uClinux，不需要仿真器）飛利浦公司的LPC213X系列（更像一塊高性能的單片機，片上外設(shè)豐富，有PWM發(fā)生器，片上集成Flash和SRAM，外圍電路簡單，不需要仿真器。

4、個人比較推薦）ARM9 系列：三星公司的S3C2410 （功能相當強大，系統(tǒng)復(fù)雜，有移植好的Linux，為使用USB攝像頭等提供了可能，價格不菲）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.4 FPGA主控處理器FPGA（現(xiàn)場可編程門陣列）是一種可編程器件，其優(yōu)點有：器件可編程，可以根據(jù)自己需要添加各種外設(shè)，使得開發(fā)具有極大靈活性在Altera公司的FPGA上可以使用NIOSII處理器軟核，使得FPGA變成一片32位的嵌入式處理器，極大的方便了開發(fā)使用NIOSII處理器軟核可在線調(diào)試，不需要仿真器外圍電路極其簡單價格適中FPGA的缺點：不同于一般的MCU，開發(fā)過程中會使用到硬件描述語言，對沒有

5、基礎(chǔ)的同學來說起步相對較難可選型號：Altera公司的Cyclone系列FPGA，如EP1C3，EP1C6包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論2.5 CPLD用于外擴邏輯CPLD也是一種硬件可編程器件，其工作原理和FPGA基本一樣，但CPLD門數(shù)較小，價格便宜，其用途有：擴展主控處理器沒有的外設(shè)功能，如正交編碼單元，PWM發(fā)生器等實現(xiàn)主控處理器與外設(shè)的時序轉(zhuǎn)換實現(xiàn)各種數(shù)字邏輯，簡化外圍電路設(shè)計可選型號：Altera公司的MAX7000S系列（EPM7064,EPM7128)Altera公司的MAX3000A系列（EPM3064，EPM3128）Altera公司的MAXII系列（EPM240

6、，EPM570）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3. 常用傳感器介紹在機器人中，傳感器占有重要位置。在包裹采集機器人里，傳感器可以完成尋線，視覺，測距，辨識目標等功能。常用的傳感器有：紅外傳感器超聲波傳感器光敏傳感器CCD包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.1 紅外傳感器紅外傳感器由紅外發(fā)射二極管和紅外接收三極管構(gòu)成。通常使用的紅外光波長是940nm。 紅外發(fā)射二極管 紅外接收三極管包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.1 紅外傳感器為了提高抗干擾能力，發(fā)射管發(fā)射的紅外光通常被調(diào)制到38KHz的頻率。為了提高紅外靈敏度和作用范圍，通常調(diào)制波的占空比較小但幅值很大。包裹采集

7、機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.1 紅外傳感器紅外接收管通常分為分離式紅外三極管和一體化紅外接收管。紅外三極管集、射級加一電壓，當接收到紅外光時集射級電流較大，當沒有紅外光時集射級電流較小。使用較為麻煩，需要自己用鎖相環(huán)對38KHz紅外光進行鎖相檢測。一體化紅外接收管如圖所示。當接收管接受到38KHz紅外光時輸出高電平或脈沖，否則輸出低電平。使用簡單，但體積略大。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.1 紅外傳感器紅外線發(fā)射與接收的方式有兩種，其一是直射式，其二是反射式。直射式指發(fā)光管和接收管相對安放在發(fā)射與受控物的兩端，中間相距一定距離?？捎糜谔綔y目標物和電機測速。反射式指發(fā)光管和

8、接收管并列一起，平時接收管始終無光照，只在發(fā)光管發(fā)出的紅外光遇到反射物或反光物質(zhì)時，接收管收到反射回來的紅外線才工作?？捎糜趯ぞ€，探測目標物等。常用型號HS0038A,HS0038B。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.2 超聲波傳感器超聲波傳感器由超聲波發(fā)生器和超聲波接收器組成。 超聲波發(fā)生器 超聲波接收器包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.2 超聲波傳感器實際應(yīng)用中，采用的超聲波頻率通常為40KHz，即加在超聲波發(fā)生器兩端的方波電壓頻率為40KHz。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.2 超聲波傳感器超聲波接收器是一種無源器件，它能將接收到的超聲波能量轉(zhuǎn)化成電壓信號

9、輸出。此輸出電壓幅值較小，需要經(jīng)過放大并通過鎖相環(huán)識別才能成為MCU能處理的邏輯信號。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.2 超聲波傳感器超聲波傳感器主要用于探測前方物體和測距。超聲波發(fā)生器發(fā)出的超聲波碰到前方障礙物后被反射回來并被超聲波接收器接收。通過計算發(fā)出超聲波與接受到超聲波的時間差可以計算出前方障礙物的距離。和紅外傳感器相比，超聲波傳感器在測距和探測障礙物方面精準度和作用范圍都好很多。通常超聲波測距距離可達510米，精度可達米。超聲波在空氣中的傳播速度與聲速相同，與溫度有關(guān)。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.3 光敏傳感器常用的光敏傳感器包括：光敏電阻光敏二極管光敏三

10、極管光敏傳感器可以用在可見光反射尋物，電機測速等方面。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.3 光敏傳感器光敏電阻是一種阻值隨光照強度變化而變化的電阻。其優(yōu)點包括靈敏度高，光譜特性好，體積小，重量輕和成本低等。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.3 光敏傳感器 光敏二極管和一般的二極管相似。但光敏二極管一般工作在反偏狀態(tài)下。無光照時光敏二極管的反向電流很小，當有光照時反向電流增加。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.3 光敏傳感器 光敏三極管和紅外接收管相似。它除了把光信號轉(zhuǎn)換成電流信號外，同時又將電流信號加以放大。因此光敏三極管的光電流比相同管型的二極管光電流大很多。包

11、裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.4 CCD/CMOS攝像頭典型的USB攝像頭組成框圖左：CMOS 傳感器右：CCD 傳感器包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論3.4 CCD/CMOS攝像頭 方案一：在uClinux/Linux下移植USB攝像頭驅(qū)動 方案二：采用現(xiàn)成的USB攝像頭，不用其接口芯片，而直接用MCU控制感光傳感器，得到需要的視頻信號。（例如采用CMOS傳感為HY7131R/鎂光 MI360的攝像頭） 方案三：采用手機攝像頭。（例如采用OV9650的攝像頭）注意： 如果采用方案二、三，最重要的是能否找到對應(yīng)芯片的datasheet包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論

12、4. 電機及驅(qū)動包裹采集機器人中可能用到的電機包括：直流電機有刷直流電機無刷直流電機步進電機伺服電機（舵機）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機 直流電機主要包括有刷直流電機和無刷直流電機。這里主要討論有刷直流電機（下簡稱直流電機）。 直流電機的參數(shù)主要有： 功率W 輸出力矩 N 最高轉(zhuǎn)速rpm 電壓V 電流I包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機直流電機的工作特性:轉(zhuǎn)速 n=n0 keI (n0是空載轉(zhuǎn)速，ke是轉(zhuǎn)速常數(shù)，I是電流）輸出轉(zhuǎn)矩 T=kmI (km 是轉(zhuǎn)矩常數(shù)，I是電流）電機電動勢 Eken電流 I（UE）/r0 (U 是加在電機兩端的電壓，

13、r0是電機繞組的內(nèi)阻）直流電機的工作特性曲線包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機 直流電機多采用PWM（脈寬調(diào)制）方式進行控制。其加在電機兩端的電壓為PWM波：占空比: 電機兩端電壓的直流分量: 由此可見,電機電壓的平均值與PWM波的占空比成正比，可以通過調(diào)節(jié)占空比實現(xiàn)直流電機的調(diào)速。通常情況下，PWM波的頻率為幾十KHz。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機直流電機的PWM調(diào)速通常由H橋?qū)崿F(xiàn)。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機常用H橋芯片：L298N（電流2A）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機電機通常采用碼

14、盤反饋速度和轉(zhuǎn)向：光學式碼盤： 碼盤 發(fā)射端：紅外發(fā)射器或可見光源 接收端：紅外接收器或光敏器件正交編碼脈沖：可以提高轉(zhuǎn)速檢測精度和測定轉(zhuǎn)向。包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.1 直流電機直流電機控制系統(tǒng)：包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論4.2 步進電機 步進電機是一種用電脈沖信號進行控制，并將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)角位移或線位移的控制電機。其特點有： 可以根據(jù)控制轉(zhuǎn)過精確的角度 無需反饋，是一個半閉環(huán)系統(tǒng) 步距誤差不會積累 停止時有自鎖功能 多數(shù)情況下需要使用步進電機專用驅(qū)動器包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論5. 機器人的供電系統(tǒng) 包裹采集機器人可采用的供電方式主要是

15、電池供電。常用的電池類型有： 堿性電池 鎳氫電池 鋰電池 電池選取的主要參數(shù)： 電池組電壓 （ie:12V） 電池組的容量 （ie:2200mAH） 電池組的最大輸出電流 （ie：10A）包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論5.1 降壓的實現(xiàn)措施 通常情況下，機器人使用的電池為十幾伏，而很多芯片的供電電壓為5V，甚至。因此需要采用降壓電路來得到需要的電壓。降壓電路分為兩類： 線性降壓電路 優(yōu)點：簡單，可靠性較高 缺點：效率低，器件發(fā)熱厲害 開關(guān)型降壓電路 優(yōu)點：效率高，器件發(fā)熱量小 缺點：電路較為復(fù)雜包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論5.1 降壓的實現(xiàn)措施采用LM2576得到5V電壓的開關(guān)式降壓電路包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論5.1 降壓的實現(xiàn)措施采用TPS767D318得到和電壓的線性降壓電路包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論5.2 獲得負電壓的措施 機器人一般采用單電源正電壓供電方式，而一些模擬器件如運放等可能需要正、負雙電源供電，這樣就需要將正電壓轉(zhuǎn)換成負電壓。電壓極性轉(zhuǎn)化常用BuckBoost型開關(guān)變換電路實現(xiàn)。采用LM2576得到12V電壓的典型電路包裹采集機器人對抗賽電路技術(shù)應(yīng)用實現(xiàn)討論6. 參考資料TMS320LF240 xDSP C語言開發(fā)應(yīng)用劉和平等編著 北京航空航天大學出版社SOPC設(shè)計基礎(chǔ)與實踐