移动机器人感测系统电路设计

　　超声波传感器是移动机器人避障、测距常用传感器之一。传感器安装在机器人上时距离地面不能太近，太近容易产生干扰信号， 而且容易将可以翻越的障碍物当成无法逾越的障碍物。 传感器两探头间的距离不能太远也不能太近，太远测量误差过大， 太近串扰信号过强。

　　机器人硬件系统主要包括：ARM处理器、单片机、外围接口电路、机器人底盘以及电源等，其中ARM处理器是上层的核心，51单片机是下层的核心。硬件结构框图如图1所示。

　　图1　硬件结构框图

　　移动机器人采用H桥控制方案，整体控制方案如图2所示。

　　图2　H桥控制方案

　　电机共有4路PWM输出分别作为左右轮的驱动，而通过2路PWM输出可控制一个电机，两个电机以并联方式连接。

　　当L298N芯片使能信号ENABLE为高时，输出才随输入变化，否则为高阻态，所以焊接时，ENABLE引脚及电源引脚VS均接电源VCC。

　　具体驱动过程为：通过编程由控制芯片经PWM发出驱动信号，PWM输出作为L298N的输入，经L298N转换输出控制信号使电机转动，从而实现电动机的驱动。

　　PWM输出信号的高低则可以控制直流电机转速。当占空比加大时，转速升高；占空比减小时，转速降低；当PWM信号输出占空比为0时可控制电机的停止。

　　当左轮停止，右轮转时，小车左转；当右轮停止，左轮转动时，小车右转。而2路PWM输出的正负顺序转换则可控制电机的正反转，进而控制小车的前进和后退。

　　系统软件结构如图3所示。

　　图3　系统软件结构

　　超声波发射模块设计

　　外加信号频率等于两压电晶片的固有振动频率时， 将会发生共振， 课题中采用的超声波传感器中心频率为40kHz， 因此在超声波发射电路中， 通过软件编程方式， 对单片机I/O口置高和置低， 产生40kHz脉冲信号， 输出到发射电路中。 由于AT89S51单片机I/O口使用时能提供20mA灌电流能力， 而吸电流能力较小， 所以用74HC04来提高其输出电流的能力， 保证40kHz的脉冲信号有一定的功率。 超声波发射模块原理图如图4所示。

　　图4 超声波发射模块原理图

　　超声波接收模块设计

　　如图5所示， 超声波接收处理电路采用集成电路CX20106. CX20106接收到与其中心频率相符的信号时， 7脚就输出低电平。 7脚输出的脉冲下降沿和红外传感器测距信号相与后接单片机中断口。

　　图5 超声波接收电路原理图

　　反射式红外传感器检测系统设计

　　红外测距电路如图6所示， LM567可以构成低频振荡器作为红外传感系统的编码电路， 即利用其内部的压控振荡器来产生低频信号， 由于R25=10.9kΩ， C25=2200pF， 根据公式f0 =1/1.1RC，5脚输出频率38.91kHz的脉冲信号。 此脉冲信号使三极管T1（8050）工作于开关状态， 驱动红外发光二极管发出的红外脉冲。 采用这种方法省去了信号发生电路， 简化了线路和调试工作， 又防止了周围环境变化和元件参数变化对收发频率造成的差异， 实现了红外线发射与接收工作频率的同步自动跟踪， 使电路的稳定性和抗干扰能力大大加强。

　　图6 反射式红外传感器测距原理图

　　编辑点评：文章利用超声波传感器与红外传感器各自的优点，设计了基于超声波传感器和红外传感器的移动机器人感测系统。该系统采用红外传感器补偿了超声波传感器的检测盲区，使移动机器人具有更大的感测范围。
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