机器人技术电路设计图集锦

ash ROM），用以存储更多的数据和命令。

　　电源是保证机器人稳定、可靠运行的关键部件，它直接影响着机器人性能的好坏。由于本机器人电机驱动和控制器采用两种不同等级电压的电源，为避免2个电源相互干扰，本机器人采用双电源供电系统：电机电源采用高放电倍率聚合物锂电池，容量为2 500 MAH，工作电压为24 V，能提供40 A的稳定供电电流，是普通电池的10倍；控制器电源采用8.4 V锂电池，并提供电压采样端口，以供电池检测，电路图如图2所示。

　　为获得CPU各端口电路所需要的不同等级的电压，本设计采用 1个LM317T三端稳压器和2个AMS1117低压差线性电压调整器，并通过其附属电路，得到精确稳定的5 V、3.3 V、1.8 V 三种电压；采用1个发光二极管LD1和限流电阻R5作为电源指示灯，以显示电源开关的状态；为实时采样电源电压，防止锂电池过放或过充，设计中通过R1、 R2分压，引出AD19端口作为电源采样端口。

　　直流电机驱动电路设计

　　由于电机功率较大，并要求能实现双向、可调速运行，本文设计了半桥式电力MOSFET管，成功实现了对电机的控制。如图3所示，2路PWM信号通过 IR2104半桥驱动器（half-bridge driver）和相应保护电路连接至型号为IRF2807 的MOSFET管，控制电源与电动机连接线路的通与断，达到控制电机速度的目的。当PWM信号占空比较大时，线路导通时间长，电机速度大；相反，当PWM 占空比较小时，线路导通时间短，电机速度小。4个MOSFET管在不同时刻导通组合，实现控制电机转动方向：当MSFET管1和4导通时，电机端口1为正、2为负，电机正转；当MOSFET管2和3导通时，电机端口2为正、1为负，电机反转。

　　远红外火焰传感器组电路设计

　　为能完成灭火任务，机器人必须能确定火焰的大致位置，并能对火焰是否被扑灭做出判断。本文设计了由28个红外接收管组成的2个远红外火焰传感器组，前后每个方位各有14个红外接收管组成，每2个并联并指相同一个方向，2个传感器组共指向14个方向，可以覆盖360°范围。如图所示，14个端口通过 CD4051八路转换开关连接至ATMEGA8—16PC单片机，其中 SCK、MISO、MOSI为位选择端口。此外，本设计还可以通过对14路读取数据进行比较，从而确定其最大最小值及相应端口值，方便火源方位的确定。

　　通过对远红外传感器组的不同端口值的比较，还可以确定机器人和火源的相对位置，以判断前进方向，完成趋光动作。当机器人与火源相对位置如图5（b）所示时，可以读取端口2和端口4的值，并进行作差，端口2的值大于端口4（说明2更靠近火源），则执行左拐命令，使其差值在一定范围内，然后执行直行命令趋近火源。

　　TOP4 配套Lego组合机器人的超声波防撞电路设计

　　地面灰度传感器电路设计

　　如图所示，地面灰度传感器通过发光二极管LED照亮地面，地面的反射光线被光敏三极管接收，当地面颜色为黑色时，反射的光线比较弱，则光敏三极管的基极电流越小，集电极电流也相应较小，1端口电压值较高，其测量值较大；反之当地面为白色时，反射的光线较强，集电极电流越大，1端口电压值较小，测量值也较小。

　　本文研究并设计了基于ARM9嵌入式系统的一种智能灭火机器人，具有以下5个创新点：（1）采用了嵌入式系统内核，大大提高了机器人处理信号的能力；（2） 双电源供电系统引入，使机器人的运行更加稳定可靠；（3） 采用PWM信号控制大功率直流电机，在速度和精度方面有了很大的改进；（4）通过合理选择PSD测距传感器的个数和安放位置，既满足比赛要求，又能节约成本；（5）本文设计的远红外火焰传感器组，很好地完成了对火源的精确定位任务，提高了灭火可靠性和快速性。实测证明，本文设计的机器人能够很好地完成比赛任务，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很强的应用价值。

　　机器人的超声波防撞电路设计

　　这种探测器的依据是超声波具有很强的方向性。发送的传感器发出连续信号。在这个装置之前约几米的适当物体可以把相当强的信号反射回到接收传感器。发送和接收传感器只相隔大约50毫米，所以方向性强的超声波保证从发射器到接收器之间的直接耦合波显得微不足道。这个电路从RCX装置获得电源，它就和一种标准Lego探测器一样连接到RCX装置的一个输入端口。并没有特别支持采用RCX代码或者 Mindstorms套件通常共用的其他编程语言的超声波探测器。因此，可以利用软件以标准有源探测器。例如Lego光探测器的相同基本方式操纵它。

　　图中是超声波探测器的整个电路图。二极管列阵由D1至D6组成，而标准的桥式整流器则由D1至D4组成。这个整流器连同滤波电容C3产生7伏特电源。桥式整流器提供全波整流，所以电路怎样连接RCX装置都没有关系。

　　RCX装置内部的上拉电阻通常使输入端子处于高电位。D5和D6使IC1a的输出把RCX端口输入端拉低至0伏电压。这个装置怎样连接RCX装置也是没有关系的。IC1a的输出通过两个二极管的任何一个连接端口的带电输入端。在输入提供电源的时间内，两个二极管的其中一个就会阻断电源，因此只有极小电流流过两个二极管。在这些时间内，lC1a的输出连接电源，但R1却阻止过量的输出电流流入IC1a的输出级。

　　IC1a是缓冲放大器，它是普通的电压跟随级。IC1b是直流放大器。它以同相模式操作，反馈电阻R2和R3把它的闭环电压增益调整倒3．7。要注意，lC1采用的LM358N是用在没有负电源的直流电路的。其他大多数运算放大器并不能提供这里要求的很低输出电压，所以不建议使用代用器件。TR1放大接收传感器Mic1的输出。 TR1用简单的共射极放大器，它提供超过40dB的电压增益。C2将其输出耦合到D7和D8组成的半波整流器电路。C1和 R4组成平滑滤波电路。发射器电路只是采用标准震荡配置的555时基电路（IC2）。RCX装置可以从每个输入端提供的最大电源电流是相当有限的，所以 IC2最好采用低电源的 555。否则就会出现负载太大的风险以致获得不合适的电源电压。VR1是频率控制器，通常调节它而使电路产生最佳性能。不过，如果需要降低灵敏度，可以故意使它偏离最佳频率。

　　AT89S51 的编程方式可分为并行及串行模式。由于目前PC台式及及笔记本已经逐渐取消并口，因此并口编程器已经逐渐被淘汰。采用USB接口的ISP编程器比较适合实验之用。本书所附赠的电路就是以USB ISP串行模式来对AT89S51进行编程的，其电路如图所示。图为AT89S51 USB ISP编程器电路图：

　　USB编程器电路设计

　　CH341A是一个USB总线转接芯片，通过USB总线提供异步串口、打印口、并口，以及常用的2线和4线等同步串行接口。CH341A采用 SOP－28无铅封装，具体功能由复位后的功能配置决定，同一引脚在不同功能下的定义可能不同。CH341芯片正常工作时需要外部向XI引脚提供 12MHz的时钟信号。一般情况下，时钟信号由CH341内置的反相器通过晶体稳频振荡产生，外围电路只需在XI和XO引脚之间连接一个12MHz晶体，并为XI和XO引脚对地连接振荡电容。CH341芯片支持5V电源电压或者3.3V电源电压。当使用5V工作电压时，CH341芯片的VCC引脚输入外部 5V电源，第9脚（V3引脚）应该外接容量为4700pF或者0.01uF的电源退耦电容。CH341 第10、11脚连接到USB数据总线。第13、14脚外接12MHz晶体，为芯片提供时钟。第16、18、20、22脚分别接300Ω的限流电阻，作为 RST、SCK、MOSI、MISO信号输入/输出。在使用CH341A的USB转ISP功能时，第23脚必须接地。第28为电源5V输入，接退耦电容，可使让芯片工作更稳定。

　　图3.12 USB编程器电路图

　　在图3.12里，USB1为与电脑连接的USB插座。此USB插座共有4个脚，分别为+5V、D－、D+及GND。+5V及GND是本电路板的电源来源。R3为限流电阻，此电阻的取值需要根据实际情况确定。在使用此电阻时，应保证后端的CH341A及AT89S51芯片供电电压大于4.5V。在保证接入的元件接线正确及电路整体消耗电流小于500mA的情况下，此电阻可以不接，直接用短线连接即可。CH341A芯片通过USB接口和USB连接线完成与电脑的数据传输。

　　TOP5 基于无线通信的嵌入式机器人控制系统电路设计

　　无线通信接口设计

　　系统采用迅通公司生产的PTR2000无线通信数据收发模块。电路接口如图2所示。该模块基于NORDIC公司生产的射频器件nRF401开发，其特点是：①有两个频道可供选择，工作速率高达20 Kb／s；②接收发射合一，适合双工和单工通信，因而通信方式比较灵活；③体积小，所需外围元件少，接口电路简单，因此特别适合机器人小型化要求；④可直接接单片机串口模块，控制简单；⑤抗干扰能力强；⑥功耗小，通信稳定。

　　超声波测距传感器电路设计

两路超声波传感器用以控制机器人避开障碍物，并预测机器人相对目的地距离，起导航作用，其接收部分与微控制器的捕获和定时管脚相连接。整个超声波检测系统由超声波发射、超声波接收和单片机控制等部分组成。发射部分由高频振荡器、功率放大器及超声波换能器组成。经功率放大器放大后，通过超声波换能