CN203595940U

CN203595940U - 一种智能避障小车电路

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Publication number: CN203595940U
Application number: CN201320831312.8U
Authority: CN
Inventors: 余春艳; 杨晶菁; 苏明汨; 苏金池; 李龙; 彭泰山; 林桂泉
Original assignee: Fuzhou University
Current assignee: Fuzhou University
Priority date: 2013-12-17
Filing date: 2013-12-17
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2023-12-17

Abstract

本实用新型涉及一种智能避障小车电路。包括微控制器电路及与该微控制器电路连接的电源电路、红外检测电路和电机驱动电路；所述微控制器电路包括微控制器芯片及与该微控制器芯片连接的晶振、复位电路、指示电路和接口电路；所述电源电路包括电池及与该电池连接的电压检测电路、稳压电路和电源指示灯电路；所述红外检测电路包括与所述微控制器电路连接的红外传感器发射电路和红外传感器接收电路；所述电机驱动电路包括编码器二倍频电路及与之连接的直流电机和辨向电路，所述直流电机还连接有电机芯片电路。本实用新型电路体积小、功能完整、稳定可靠、扩展方便，采用本实用新型电路可实现智能小车在复杂环境中快速稳定行走并灵活避障。

Description

一种智能避障小车电路

技术领域

本实用新型涉及本实用新型属于移动智能机器人领域，特别涉及一种基于AVR单片的智能避障小车电路。

背景技术

随着自动控制、传感器、机械、计算机和信息技术的发展，智能移动机器人技术水平迅速提高，其中最常见的是智能避障轮式小车。

智能避障轮式小车主要包含微控制器、传感器和机电运动部件。目前的硬件电路方案多采用嵌入式微控制器、调制的一体化红外接收头和分立元件H桥电机驱动电路。采用该方案的缺点是：1、嵌入式微控制器对开发者技术要求高，开发周期长、价格高、资源浪费多；2、调制的一体化红外接收头需要增益控制、带通滤波、调制、解码、输出驱动等电路，电路较复杂；3、分立元件H桥电机驱动电路元件较多、集成度差、在电路板上占的面积大、对焊接技术要求高、可靠性低、调试复杂。

本实用新型采用AVR ATmega128作为智能避障小车的微控制器，开发周期短、满足功能需求、价格便宜、所有接口预留方便扩展；采用非调制的红外接收管电路侦测周围环境，采样精度高、反应速度快、电路简单；采用专用电机驱动芯片和编码器相关电路实现对直流电机的正反转、制动、调速等闭环控制。采用本实用新型电路的智能避障小车可以完成在复杂环境中的高速直线行走、精确角度转弯、及时发现障碍物并灵活避障。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种可以完成在复杂环境中的高速直线行走、精确角度转弯、及时发现障碍物并灵活避障的基于AVR单片机的智能避障小车电路。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：一种智能避障小车电路，其特征在于：包括微控制器电路及与该微控制器电路连接的电源电路、红外检测电路和电机驱动电路；

所述微控制器电路包括微控制器芯片及与该微控制器芯片连接的晶振、复位电路、指示电路和接口电路；

所述电源电路包括电池及与该电池连接的电压检测电路、稳压电路和电源指示灯电路；所述电源检测电路和稳压电路分别连接至微控制器电路；

所述红外检测电路包括与所述微控制器电路连接的红外传感器发射电路和红外传感器接收电路；

所述电机驱动电路包括编码器二倍频电路及与之连接的直流电机和辨向电路，所述直流电机还连接有电机芯片电路；所述电机芯片电路、编码器二倍频电路和辨向电路分别连接至微控制器电路。

在本实用新型实施例中，所述微控制器芯片为AVR ATmega128，所述晶振为16MHz晶体谐振器和32MHz晶体时钟振荡器，所述接口电路包括红外检测接口、电机驱动芯片接口、编码器二倍频接口、电机辨向接口、电池电压检测接口、陀螺仪接口和通用总线接口。

在本实用新型实施例中，所述稳压电路的稳压芯片为正向低压降稳压器AMS1117。

在本实用新型实施例中，所述红外检测电路共有六路，各路开关管均为NPN型晶体管3904，红外发射管均为大功率红外发射器SFH4550，红外接收管均为硅NPN型光电晶体管。

在本实用新型实施例中，所述电机芯片电路的电机驱动芯片为DMOS 全桥式电动机驱动器A3950；所述编码器二倍频电路包括相互连接的编码器和二倍频电路，所述编码器为IE2-512，所述二倍频电路的二倍频芯片为二输入异或门74AHC1G86；所述辨向电路的辨向芯片为D触发器CD4013B。

在本实用新型实施例中，所述辨向芯片第3、5引脚分别连接所述编码器的两个输出通道，所述辨向芯片第1、2引脚分别连接至接口电路。

相较于现有技术，本实用新型具有以下有益效果：微处理器通过电压检测接口检测电池电压，当电压值低于参考值时，通过指示电路发出光电指示，微控制器通过红外检测接口控制红外发射管的启动和关闭，同时采样红外接收管的电压值，根据电压值的大小计算周边障碍物的距离，微控制器通过电机驱动芯片接口控制直流电机的正反转和制动，同时实现PWM（脉宽调制）调速，微控制器通过编码器二倍频接口获得直流电机的转速，通过电机辨向接口获得电机正反转信息，微控制器根据各接口获得的信息分析计算并控制智能避障小车的姿态，实现在复杂环境中的高速直线行走、精确角度转弯、及时发现障碍物并灵活避障。

附图说明

图1是本实用新型总体结构框图。

图2是本实用新型电源电路图。

图3是本实用新型微控制器资源分配图。

图4是本实用新型微控制器晶振、复位、指示电路图。

图5是本实用新型红外检测电路电路。

图6是本实用新型电机控制芯片电路图。

图7是本实用新型编码器二倍频电路。

图8是本实用新型电机辩向电路。

具体实施方式

下面结合附图1-8，对本实用新型的技术方案进行具体说明。

本实用新型的一种智能避障小车电路，其特征在于：包括微控制器电路及与该微控制器电路连接的电源电路、红外检测电路和电机驱动电路；

所述微控制器芯片为AVR ATmega128，所述晶振为16MHz晶体谐振器和32MHz晶体时钟振荡器，所述接口电路包括红外检测接口、电机驱动芯片接口、编码器二倍频接口、电机辨向接口、电池电压检测接口、陀螺仪接口和通用总线接口。

在本实用新型实施例中，所述红外检测接口为AVR ATmega128的第46-51和56-61引脚，所述电机驱动芯片接口为AVR ATmega128 的第14、17、35-37和39-41引脚，所述编码器二倍频接口为AVR ATmega128的第8、31引脚，所述电机辨向接口为AVR ATmega128的第6、7、25、26、38、42引脚，所述电池电压检测接口为AVR ATmega128的第55引脚，所述陀螺仪接口为AVR ATmega128的第54引脚。

所述稳压电路的稳压芯片为正向低压降稳压器AMS1117。

所述红外检测电路共有六路，各路开关管均为NPN型晶体管3904，红外发射管均为大功率红外发射器SFH4550，红外接收管均为硅NPN型光电晶体管，即TPS601A或TPS601F。

所述电机芯片电路的电机驱动芯片为DMOS 全桥式电动机驱动器A3950；所述编码器二倍频电路包括相互连接的编码器和二倍频电路，所述编码器为IE2-512，所述二倍频电路的二倍频芯片为二输入异或门74AHC1G86；所述辨向电路的辨向芯片为D触发器CD4013B。

所述辨向芯片第3、5引脚分别连接所述编码器的两个输出通道，所述辨向芯片第1、2引脚分别连接至接口电路。

为让本领域人员更好的理解本实用新型，以下对本实用新型进行具体讲述。

如图1所示，整个电路的核心是微控制器AVR ATmega128芯片，PC机通过ISP下载口，将编译好的HEX文件下载到微控制器中，微处理器通过调试串口连接PC机串口进行调试，预留了串行USART、I2C、SPI等接口可供陀螺仪、无线模块等功能扩展，电源模块为系统的各个模块供电，其中电池为电机驱动芯片电路提供7.4V电压，同时通过稳压电路稳压至5V供给其他电路，微处理器通过模\数转换器ADC采样电池电压，智能避障小车行走时利用六组红外传感器侦测周边环境，微处理器控制六组红外传感器发射电路轮流启动，同时通过模\数转换器ADC采样轮流采样与障碍物距离的相关电压值，微处理器根据采样值判断周边障碍物的位置，无障碍物时根据电机编码器相关电路对电机转速进行闭环控制，保持原方向行进；有障碍物时根据障碍物的具体情况，结合编码器反馈信息，依照事先设定的算法进行避障。

如图2所示，整个电源模块由7.4V电池BATT2供电，由于这个系统由多个不同的模块组合而成，不同的模块需要的电源电压不同，故需要对源电源引出的电压进行不同的降压处理，以得到各自符合要求的电源电压，以供不同模块使用，从BATT2引出BBAT_IN到SW1开关，通过开关进行控制，开关输出端VBATT，VBATT仍是7.4V，在VBATT端接有一个大电容，有储能的作用，以维持电源电压的稳定；还接有一个指示灯，用于指示电源供电与否，之间串联一个限流电阻对LED灯进行保护，从BATT引出一个输出到单片机，作为单片机的电源供电。通过两个电阻分压来实现，使输出电压为3.7V，在电源输出端还并联一个电容进行滤波防干扰，AMS1117是一个正向低电压稳压器，内部集成过热保护和限流电路，是VBATT输出通过线性稳压芯片AMS1117输出5V的稳定电压，这个电压值可以根据两个电阻来计算，故在电路中要选择合适的电阻，这里选择的是R1 = 100欧姆，R2 = 300欧姆；Vout = 1.25V * (1+R2/R1)；由此计算公式可得出5V的输出电压，然后在电压的输出端并联两个一大一小的电容，电容的作用是滤波，并联两个一大一小的电容目的是为了扩大滤波的范围，因为不同容值的电容对不同频率的干扰信号敏感，两个电容的并联可以扩大滤波的范围，最后是电源分别引到不同的模块进行供电，在VDD5V和各个不同的模块之间都串联一个磁珠，并联两个一大一小的电容，电容的作用同上述的一致，电容的作用是同交流阻直流，电容会把一部分的交流信号短路到地下去，防止其干扰下一个模块。

如图3所示，MCU选用ATmega128芯片，其中pin46、pin47、pin48、pin49、pin50、pin51是红外输出PWM信号；pin45是MCU的spi的CE信号，pin35是左电机方向控制信号，pin36是左电机模式控制信号，pin37是左电机睡眠信号，pin38是左电机辨向电路复位控制信号，pin39是右电机方向控制信号，pin40是右电机模式控制信号，pin41是右电机睡眠信号，pin42是右电机辨向电路复位控制信号，pin2是MCU的PDI信号，pin3是MCU的PDO信号，pin6、pin7是右电机辨向电路反馈信号（10 正；01 反），pin8是右电机倍频电路反馈信号，pin9是MCU的spi中断信号，pin33、pin34、pin43、pin18是led灯控制信号，pin19是蜂鸣器信号，pin10是MCU的SPI的CS信号，pin11是MCU的SPI的SCK信号，pin12是MCU的SPI的MOSI信号，pin13是MCU的SPI的MISO信号，pin14是左电机PWM信号，pin17是右电机PWM信号，pin25、pin26是左电机辨向电路反馈信号（10 正；01 反），pin27是MCU的RXD1信号，pin28是MCU的TXD1信号，pin31是左电机的倍频电路反馈信号，pin56、pin61是红外电路反馈信号，pin55是A_BAT_DET 信号，pin54是MCU_ADC信号，pin20是MCU复位信号，pin23、pin24是MCU的XTAL信号。

如图4所示，其中的4个状态指示灯LED2，LED3，LED4，LED5连接到ATmega128的PG0-3，图4中的复位电路包括一个电容一个电阻以及一个开关二极管D1，ISP插座的第1、3、4、5引脚分别连接到ATmega128的第3、11、1、20引脚，第2引脚与VDD5V_MCU相连，第6引脚接地；图4中的JTAG插座的第2引脚与VDD5V_MCU相连，第8引脚接地，第1、3、5、6、7引脚分别连接到ATmega128的第57、55、56、20、54引脚，图4中的UART插座第1引脚与VDD5V_MCU相连，第4引脚接地，第2、3引脚连接ATmega128的27、28引脚，图4中的陀螺仪接口插座的第1引脚与VDD5V_MCU相连，第2引脚接地，第3引脚连接ATmega128的54引脚，并且所有插座电路中的VDD5V_MCU与地之间都有一个104电容。

如图5所示，其中R17为1K限流电阻，Q4为三极管2N3904，作为开关使用，IR_LED1 SFH4550为红外发射二极管；R13为330欧姆的限流电阻，起到保护红外发射管的作用，R14为10K的电阻，具有两个作用，一是作为限流电阻保护红外接收管，二是将其所在线路上的电流变化转化为电压变化，可以作为反馈信号使用。

如图6所示，图中的A3950是电机驱动芯片，其中信号MOTOL_DR为方向控制为电机的正转和反转，信号MOTOL_PWM为A3950的使能控制信号，为1（高电平）时芯片控制正反转工作信号MOTOL_MODE为1时刹车状态慢衰减模式，为0时快速衰变同步整流模式，信号MOTOL_SLEEP休眠状态，为1时芯片进入休眠模式MOTOL_A和MOTOL_B 为输出信号，接入到电机的信号输入端，用于控制电机的正反转等，J7是电机插座，其中由A3950输出的MOTOL_A和MOTOL_B信号接入到电机输入，控制电机的正转和反转；电机模块和红外模块一样，有自己的电源供电模块，需要磁珠，电容等构成一个防止互相干扰的模块进行电源接入的防干扰处理；74AHC1G86所在电路是二倍频电路，由一个异或门构成，根据异或门的工作原理，信号A和信号B输入之后异或门后输出的时钟脉冲表现为时钟频率是输入信号的两倍，二倍频电路的功能是提高电机输出信号的频率，以提高测速的精度。

如图7所示，其中MOTOL_CHA连接到左电机的编码器输出信号1，MOTOL_CHB连接到左电机的编码器输出信号2，VDO_L:连接到左电机的VDO_L信号，MOTOL_CLK：连接到MCU的左电机的倍频电路反馈信号pin31。

如图8所示，,其中MOTOL_CHA连接到左电机的编码器输出信号（2），MOTOL_CHB连接到左电机的编码器输出信号（1），MOTOL_CHA#:连接到MCU的左电机辨向电路反馈信号pin25,MOTOL_CHB#连接到MCU的左电机辨向电路反馈信号pin26,MOTOL_CHRESET#连接到MCU的左电机辨向电路复位控制信号。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种智能避障小车电路，其特征在于：包括微控制器电路及与该微控制器电路连接的电源电路、红外检测电路和电机驱动电路；

2.根据权利要求1所述的一种智能避障小车电路，其特征在于：所述微控制器芯片为AVR ATmega128，所述晶振为16MHz晶体谐振器和32MHz晶体时钟振荡器，所述接口电路包括红外检测接口、电机驱动芯片接口、编码器二倍频接口、电机辨向接口、电池电压检测接口、陀螺仪接口和通用总线接口。

3.根据权利要求1所述的一种智能避障小车电路，其特征在于：所述稳压电路的稳压芯片为正向低压降稳压器AMS1117。

4.根据权利要求1所述的一种智能避障小车电路，其特征在于：所述红外检测电路共有六路，各路开关管均为NPN型晶体管3904，红外发射管均为大功率红外发射器SFH4550，红外接收管均为硅NPN型光电晶体管。

5.根据权利要求1所述的一种智能避障小车电路，其特征在于：所述电机芯片电路的电机驱动芯片为DMOS 全桥式电动机驱动器A3950；所述编码器二倍频电路包括相互连接的编码器和二倍频电路，所述编码器为IE2-512，所述二倍频电路的二倍频芯片为二输入异或门74AHC1G86；所述辨向电路的辨向芯片为D触发器CD4013B。

6.根据权利要求5所述的一种智能避障小车电路，其特征在于：所述辨向芯片第3、5引脚分别连接所述编码器的两个输出通道，所述辨向芯片第1、2引脚分别连接至接口电路。