基于Arduino的拖地機(jī)器人-電路設(shè)計(jì)

基于Arduino的拖地機(jī)器人 電路設(shè)計(jì)摘要清潔機(jī)器人是一款可以為人類生活提供服務(wù)和便利的產(chǎn)品，是科技快速發(fā)展的代表產(chǎn)物，拖地機(jī)器人作為掃地機(jī)器人的一個(gè)分支，近年來在市場上也出現(xiàn)了很多型號(hào)。不論是掃拖一體的機(jī)器人還是只有拖地模塊的機(jī)器人，都存在著拖地效率不高的問題，為了解決這個(gè)問題，本小組設(shè)計(jì)了一款基于Arduin。的拖地機(jī)器人。本文對(duì)此款拖地機(jī)器人的元件選型，設(shè)計(jì)和制作電路進(jìn)行說明。硬件電路分為兩部分，一部分是以ATmega2560為核心的控制板；另一部分是以L298N為核心的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板，并整合了電量顯示模塊。這兩塊電路板共同組成了本設(shè)計(jì)的硬件電路部分，并經(jīng)過仿真和實(shí)物調(diào)試，驗(yàn)證了電路的可行性。關(guān)鍵詞：拖地機(jī)器人；Arduino；ATmega2560；控制板；電機(jī)驅(qū)動(dòng)板1緒論1.1研究背景及意義1.1.1研究背景隨著二十世紀(jì)以來工業(yè)技術(shù)的快速發(fā)展，各種工業(yè)產(chǎn)物相繼問世，在眾多工業(yè)產(chǎn)品里面高端技術(shù)集成度最高，代表了工業(yè)最高水平的產(chǎn)物之一就是機(jī)器人。第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生于1962年，該機(jī)器人由美國研制和制造，機(jī)器人經(jīng)歷了五十多年的發(fā)展已取得顯著的進(jìn)步，并將在二十一世紀(jì)成為各個(gè)國家工業(yè)水平發(fā)達(dá)程度的標(biāo)桿。目前，各個(gè)工業(yè)發(fā)達(dá)的國家都相繼出臺(tái)了相關(guān)政策以促進(jìn)本國機(jī)器人的發(fā)展。美國為了在機(jī)器人行業(yè)保持領(lǐng)先地位，分別于2009年和2011年推出了第一版的《機(jī)器人技術(shù)路線圖》和國家機(jī)器人計(jì)劃，目的是創(chuàng)造更好的機(jī)器人系統(tǒng)；2014年，歐盟為了滿足經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)機(jī)器人技術(shù)的需求，推出了《歐盟機(jī)器人研發(fā)計(jì)劃》；中國為了實(shí)現(xiàn)從“制造大國”向“制造強(qiáng)國”的轉(zhuǎn)變，于2015年發(fā)布了《中國制造2025》，并在2016年發(fā)布《機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》，從基礎(chǔ)上強(qiáng)化機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的能力，培養(yǎng)多家企業(yè)龍頭［1］。在各個(gè)國家推出的一系列政策的推動(dòng)下，必將促進(jìn)機(jī)器人技術(shù)的飛躍發(fā)展，進(jìn)一步改變我們的生產(chǎn)和生活方式。服務(wù)型機(jī)器人作為機(jī)器人的一個(gè)分支，在市場中也占據(jù)著很大的份額。中國于2006年發(fā)布的《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要（2006-2020年）》中對(duì)智能服務(wù)型機(jī)器人給予了明確的定義：“智能服務(wù)機(jī)器人是在無人為干涉條件下為人類提供必要服務(wù)的集成高新技術(shù)的智能化裝備”，并明確指出要將其列為重點(diǎn)發(fā)展的前沿技術(shù)，并在2020年時(shí)要將智能服務(wù)型機(jī)器人發(fā)展為戰(zhàn)略高新技術(shù)。2013年3月美國發(fā)布的《機(jī)器人技術(shù)路線圖：從互聯(lián)網(wǎng)到機(jī)器人》中提出機(jī)器人技術(shù)在服務(wù)領(lǐng)域、創(chuàng)造新市場和改善人們生活質(zhì)量等方面都存在著巨大的潛力⑵。服務(wù)機(jī)器人是二十一世紀(jì)高新技術(shù)服務(wù)業(yè)的重要組成部分，各個(gè)國家都在此領(lǐng)域投入了巨大的研發(fā)精力，發(fā)展服務(wù)機(jī)器人也是我國高科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展的一次重大機(jī)遇，對(duì)于提升國家競爭力具有重大戰(zhàn)略意義，因此服務(wù)機(jī)器人的創(chuàng)新和發(fā)展是國家重點(diǎn)扶持的項(xiàng)目。清潔機(jī)器人作為進(jìn)入人類家庭生活最普遍的機(jī)器人之一，它能夠代替人類完成家庭環(huán)境的清潔，使人們解放雙手，提高生活質(zhì)量，是服務(wù)型機(jī)器人中不可或缺的一部分。清潔機(jī)器人涉及到很多關(guān)鍵的科學(xué)問題，例如機(jī)構(gòu)學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)，導(dǎo)航和路徑規(guī)劃，這些重難點(diǎn)是阻礙清潔機(jī)器人快速發(fā)展的原因之一⑶，目前國內(nèi)外相關(guān)行業(yè)學(xué)者都在對(duì)其進(jìn)行研究和突破。清潔機(jī)器人可以根據(jù)清潔領(lǐng)域細(xì)分為掃地機(jī)器人，拖地機(jī)器人，洗碗機(jī)器人和擦窗機(jī)器人。其中地面清潔機(jī)器人的研究雖然已經(jīng)取得了豐富的成果，也在清潔機(jī)器人里占據(jù)了很大的市場，但是目前市場中的大量產(chǎn)品都存在著一些問題。首先，掃地機(jī)器人得到了很多年的發(fā)展，掃地方案和技術(shù)都較為成熟，但拖地機(jī)器人發(fā)展時(shí)間較短，水漬殘留和拖地清潔程度不高的問題一直無法得到有效解決；其次，雖然市場上存在大量掃拖一體類型的清潔機(jī)器人，但是大多數(shù)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和功能都相似，在拖地機(jī)器人的問題沒有得到解決之前就將掃地機(jī)器人和拖地機(jī)器人合二為一，不僅水漬殘留和拖地效率不高的問題無法解決，還會(huì)使耗電速度大大提高，使得掃地機(jī)器人的技術(shù)優(yōu)勢(shì)因?yàn)槟芎膯栴}無法發(fā)揮。1.1.2研究目的和意義目前市面上大多數(shù)拖地機(jī)器人采用的拖地方式都是用一塊抹布固定在底部，然后通過水箱滲水的方式來浸濕抹布，同時(shí)機(jī)器人進(jìn)行移動(dòng)從而完成拖地工作。這種拖地方式雖然能夠完成拖地工作，但由于抹布接觸地面的一面經(jīng)過長時(shí)間的工作后會(huì)沾上灰塵，使得后半程拖地工作的清潔程度不如前半程，且由于是通過滲水來浸濕抹布的工作方式，難免會(huì)因?yàn)闈B水過多導(dǎo)致水漬殘留的問題［4］。為解決以上問題，本小組設(shè)計(jì)了一款基于Arduino控制的拖地機(jī)器人。這款拖地機(jī)器人的抹布在底部做履帶式運(yùn)動(dòng)，機(jī)器人內(nèi)部有兩個(gè)刷子對(duì)抹布的表面進(jìn)行清理，并且在機(jī)器人前方有一個(gè)擠壓裝置，可以使抹布在經(jīng)過浸水清理表面后的拖地工作中不會(huì)遺留水漬。本文主要為此款拖地機(jī)器人設(shè)計(jì)電路板，利用所學(xué)的知識(shí)和網(wǎng)上查找的資料，選用以ArduinoMega2560為核心控制板,運(yùn)用傳感器和各種元器件，通過L298N和ULN2003A電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊操控電機(jī)，從而完成拖地機(jī)器人的轉(zhuǎn)向、避障、拖地和電量監(jiān)控等功能。1.2國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀SANYO公司于上世紀(jì)80年代就已經(jīng)對(duì)自主機(jī)器人開展了研發(fā)工作，雖然該公司沒有留下占領(lǐng)市場的產(chǎn)品，但其作為掃地機(jī)器人的研究先驅(qū)，對(duì)清潔機(jī)器人的發(fā)展起到了不可替代的促進(jìn)作用。經(jīng)過了數(shù)十年的發(fā)展，2001年世界第一款量產(chǎn)并投入市場的掃地機(jī)器人才誕生，它就是由瑞典家電巨頭伊萊克斯制造的“三葉蟲”掃地機(jī)器人。該掃地機(jī)器人經(jīng)過了幾代的更迭，剛問世時(shí)有著避障效果不好的明顯缺陷，經(jīng)過了改進(jìn)，從第二代以后的產(chǎn)品相較于第一代有了較大進(jìn)步，可以通過放置磁條來實(shí)現(xiàn)禁止進(jìn)入房間和避免跌落樓梯的危險(xiǎn)。雖然該掃地機(jī)器人并不成熟，但是已經(jīng)具備現(xiàn)代掃地機(jī)器人的基本功能［5］。Roomba系列掃地機(jī)器人于2002年9月投放在市場上，該產(chǎn)品是由美國iRobot公司研究制造的，一出現(xiàn)就成為了這一市場的代表產(chǎn)品。Roomba系列掃地機(jī)器人從最初的隨機(jī)無規(guī)劃式Roomba3到Roomba8系列，到2015年9月推出的具有可視化定位的Roomba980,為了實(shí)現(xiàn)自我定位，該產(chǎn)品在頂端安裝有一個(gè)視覺攝像頭，并具有手機(jī)APP的WiFi互聯(lián)功能，聯(lián)網(wǎng)運(yùn)動(dòng)控制，預(yù)約清掃，清掃地圖實(shí)時(shí)查看等功能［6］。隨著該產(chǎn)品的出現(xiàn)，證明了掃地機(jī)器人技術(shù)發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)趨于完善和成熟，并開始了下一個(gè)方向的研究。拖地機(jī)器人是掃地機(jī)器人的一個(gè)分支，它起步較晚，且需要克服較多的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，是近年來清潔機(jī)器人發(fā)展的研究重點(diǎn)。Scooba390是全球第一款全自動(dòng)拖地機(jī)器人，該

機(jī)器人是由iRobot公司研究推出的產(chǎn)品，它采用獨(dú)特的“四段式清洗系統(tǒng)”，即工作過程經(jīng)過掃地、灑水、擦拭和吸水四個(gè)階段，集拖地和吸塵一體化的清潔效果oScooba390的背面如圖1-3所示，該機(jī)器人在工作時(shí)先用前方的刷子將灰塵掃到清潔膠條處，經(jīng)吸塵口吸到集塵盒里，在膠條后方有噴水口，經(jīng)過回旋刷的洗刷后水漬由回旋刷后方吸水橡膠刮片吸收［7］。拖地機(jī)器人的擦地方式可分為主動(dòng)式和被動(dòng)式兩種，主動(dòng)式拖地機(jī)器人清潔地面比較干凈，水漬殘留問題不明顯，但使用場合存在局限性，不能在毛毯上使用，且價(jià)格較貴。被動(dòng)式拖地機(jī)器人的結(jié)構(gòu)是用一塊擦地抹布固定在機(jī)器人的底部，抹布貼著地面，同時(shí)在固定抹布的上方滲水，隨著機(jī)器人的移動(dòng)對(duì)地面進(jìn)行擦拭工作。這種工作方式的拖地機(jī)器人有美國iRobot公司研發(fā)的Braava380，它適用于大多數(shù)地面，且由于結(jié)構(gòu)簡單，可以將拖地模塊整合到掃地機(jī)器人里，成為掃拖一體的清潔機(jī)器人［8］。圖1.3Scooba390主動(dòng)式拖地機(jī)器人圖圖1.3Scooba390主動(dòng)式拖地機(jī)器人圖1.4Braava380被動(dòng)式拖地機(jī)器人1.2.2國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)的清潔機(jī)器人起步較晚，落后于世界大多數(shù)發(fā)達(dá)國家，但發(fā)展較快，且定價(jià)較低，很快就搶占了國內(nèi)的大部分市場。國內(nèi)較為出名的廠商有科沃斯，小米米家、美的和深圳銀星智能科技等公司，他們都研發(fā)出自己的代表產(chǎn)品，并持續(xù)在這方面進(jìn)行深入的研究。目前市場上的產(chǎn)品大多數(shù)都是掃拖一體化的清潔機(jī)器人，由于國產(chǎn)定價(jià)比較低,所以國內(nèi)廠商的產(chǎn)品在市場上有很高的占有率。雖然市場占有率較高，但是近些年來的產(chǎn)品都缺少創(chuàng)新性，使用的拖地方案都是被動(dòng)式拖地法，存在的水漬殘留和清潔程度不高的問題仍然存在。1.3拖地機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)拖地機(jī)器人是清潔機(jī)器人的一個(gè)重要分支，目前對(duì)于該機(jī)器人的研究還處于起步階段。雖然在各個(gè)科研公司的不斷研究下取得了很多的研究成果，但由于該領(lǐng)域涉及到的學(xué)科較多，尤其在結(jié)構(gòu)方面還存在一系列問題需要研究，因此拖地機(jī)器人的發(fā)展現(xiàn)狀也只是差強(qiáng)人意。主動(dòng)式拖地方式雖然清潔效果較好，但由于是通過灑水清潔的工作方式，需要較大的儲(chǔ)水量，因此在整體體積和清潔面積方面只能兩者選其一；被動(dòng)式拖地機(jī)器人雖然結(jié)構(gòu)簡單，且能夠?qū)⑼系啬K和掃地機(jī)器人結(jié)合在一起，但存在污水殘留和清潔程度不高等問題。鑒于這些問題，未來拖地機(jī)器人的發(fā)展大致可分為以下幾個(gè)方向：（1） 更加智能化。隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，能夠適應(yīng)各種環(huán)境和擁有更多清潔方式的拖地機(jī)器人必然會(huì)在不久的將來出現(xiàn)在市場上。 （2） 更合理的拖地方式。目前大部分拖地機(jī)器人的拖地方式都不盡人意，有各種各樣的問題，需要更多的研究去探索拖地方式的更多可能性，使拖地機(jī)器人能邁入一個(gè)新的篇章。1.4研究主要內(nèi)容和目標(biāo)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)小組設(shè)計(jì)了一款擁有新型拖地方式的拖地機(jī)器人，本文主要為此機(jī)器人設(shè)計(jì)硬件電路，使機(jī)器人的功能得以實(shí)現(xiàn)。此拖地機(jī)器人是基于Arduino控制的，主控芯片是ATmega2560,然后再設(shè)計(jì)一塊以各種電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片和傳感器為主的電路板，將兩塊板子通過杜邦線連接就可以組成一個(gè)完整的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，裝載到拖地機(jī)器人上就可以使拖地機(jī)器人開始工作。在進(jìn)行電路板設(shè)計(jì)之前先根據(jù)所學(xué)的知識(shí)和資料，選用了以Arduino為核心的控制板，然后根據(jù)各個(gè)部分的工作需要選用不同的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊，再根據(jù)預(yù)先設(shè)計(jì)的功能選用合適的傳感器，最后為電量監(jiān)控選用相關(guān)的芯片和顯示模塊［9］。根據(jù)功能選定好大部分的主要元器件后就開始查找相關(guān)資料，并使用AltiumDesigner18軟件畫出原理圖。原理圖主要分為兩部分，第一部分是以ATmega2560為核心的控制板原理圖，主要包括串口通訊和主控芯片的電路;第二部分是以L298N和ULN2003為主的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,還包括了傳感器電路和電量監(jiān)控電路［1。］。原理圖繪制完畢后就進(jìn)行PCB板的制作，確保線路連接沒問題后就將PCB文件發(fā)給廠家，做出PCB板之后就可以進(jìn)行實(shí)物的焊接，焊接完畢后就對(duì)逐個(gè)模塊進(jìn)行測試，測試沒問題后就可以將PCB板與拖地機(jī)器人安裝到一起，這樣就完成了本設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)要完成的目標(biāo)：（1）學(xué)習(xí)相關(guān)資料和論文，了解電路知識(shí)各個(gè)芯片的數(shù)據(jù)參數(shù)；根據(jù)所學(xué)內(nèi)容使用AltiumDesigner18進(jìn)行原理圖的繪制，并對(duì)AD18的元件庫里沒有的元器件進(jìn)行手動(dòng)繪制，并根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)添加封裝；根據(jù)原理圖進(jìn)行PCB板的繪制和合理布線，避免各個(gè)模塊之間相互影響；對(duì)實(shí)物進(jìn)行焊接，測試和仿真。1.5本章小結(jié)本章主要是對(duì)拖地機(jī)器人的現(xiàn)狀和發(fā)展進(jìn)行資料的說明和分析，從而得出此次研究的必要性，然后對(duì)研究內(nèi)容和目的進(jìn)行說明，闡述此次研究的主要過程和要完成的目標(biāo)。2拖地機(jī)器人系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)本文使用ATmega2560作為控制板的核心芯片，并使用RS232串口通訊電路與電腦進(jìn)行通訊，將數(shù)據(jù)和程序通過電腦傳輸?shù)叫酒?。?qū)動(dòng)板是由L298N和ULN2003芯片為主的電路組合而成，再增加電量監(jiān)控和顯示的相關(guān)電路，最終實(shí)現(xiàn)避障行進(jìn)，抹布的運(yùn)動(dòng)和電量顯示的功能，系統(tǒng)的整體框架如圖2-1所示。主漩

電機(jī)L2SBTJL2SBTJJ ULN跑皿］電源RS232 ［電賄］ATrriega2560HC-SHD4電源RS232 ［電賄］ATrriega2560HC-SHD4電置監(jiān)搾中齬PCF8574T1LCD16D2顯示所圖2.1系統(tǒng)整體框架圖2.1控制板的方案設(shè)計(jì)控制板的核心芯片需要具備強(qiáng)大的計(jì)算能力，可以完成多項(xiàng)任務(wù)的同時(shí)工作，任務(wù)包括傳感器的數(shù)據(jù)分析和邏輯判斷，從而完成對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的控制使拖地機(jī)器人進(jìn)行避障行進(jìn)；電量的監(jiān)控和顯示；抹布轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片控制等?？刂菩酒谶M(jìn)行工作任務(wù)之前需要對(duì)芯片進(jìn)行程序的輸入和工作仿真，因此控制板還需要能夠與電腦進(jìn)行通訊的電路。由于此拖地機(jī)器人需要用到的電機(jī)數(shù)量比較多，因此需要12V的電壓驅(qū)動(dòng)，而大多數(shù)控制芯片的輸入電壓是5V或者3.3V，因此還需要降壓芯片。鑒于以上要求，本文選用以ATmega2560芯片為核心的ArduinoMega2560，它的優(yōu)點(diǎn)如下：（1） ArduinoMega2560集成了RS232串口通訊電路，擁有非常多的數(shù)字I/O口和模擬I/O口，為以后功能的擴(kuò)展開發(fā)提供了可行性；（2） Arduino自帶1.1V的參考電壓，可以直接用來做電量監(jiān)控而不需要設(shè)計(jì)多余的芯片電路；（3） Arduino的最大優(yōu)點(diǎn)是自帶非常豐富的庫函數(shù)，編程時(shí)不需要進(jìn)行復(fù)雜的底層代碼設(shè)計(jì)，使編程的難度大大降低。2.2驅(qū)動(dòng)板的方案設(shè)計(jì)由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要比較大的電流，而Arduin。的輸出電流只有幾十毫安，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，所以需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片來協(xié)助。Arduin。是一塊已經(jīng)整合完成的控制板，因此需要另外做一塊驅(qū)動(dòng)板，驅(qū)動(dòng)板主要包括以下電路：（1） L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊拖地機(jī)器人在進(jìn)行拖地工作時(shí)需要做避障行進(jìn)，L298N是一塊普遍使用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它可以控制兩個(gè)直流減速電機(jī)，可以幫助Arduino對(duì)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速分別進(jìn)行調(diào)整，控制機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)彎［11］o（2） ULN2003電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 當(dāng)拖地機(jī)器人工作時(shí)抹布是在底面做履帶式運(yùn)動(dòng)，所以驅(qū)動(dòng)抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸需要比較大的力。步進(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有比較大的扭矩，因此我們就使用步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸。雖然步進(jìn)電機(jī)也可以用L298N來驅(qū)動(dòng)，但對(duì)于抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)來說并不需要復(fù)雜的速度變化，因此選用由七個(gè)達(dá)林頓管組成的ULN2003最為合適，它既能驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且芯片價(jià)格較低，可以節(jié)約成本。（3） 電量監(jiān)控電路ArduinoMega2560內(nèi)部自帶L1V參考電壓，可以用來監(jiān)控電源電壓，但是Arduino允許輸入的電壓只有5V［12］，對(duì)于本設(shè)計(jì)來說無法將電源電壓直接接入Arduino的模擬I/O口，因此需要將電源電壓用電阻分壓到5V以下。（4） LCD1602顯示屏模塊拖地機(jī)器人需要將電量情況反映給使用者查看，所以使用一塊LCD1602顯示屏來顯示剩余電量。由于LCD1602顯示屏有16個(gè)接口，如果直接接入Arduino就會(huì)占用太多I/O口，所以在LCD1602顯示屏和Arduino之間使用了一塊PCF8574T芯片，使顯示屏可以通過IIC通訊方式與Arduino連接，這種通訊方式只占用4個(gè)I/O口，不會(huì)浪費(fèi)接口資源［13］。（5） HC-SR04超聲波傳感器拖地機(jī)器人如果想要完成避障行進(jìn)工作，就必須要有傳感器將沿途的障礙物反映給控制芯片，因此本設(shè)計(jì)采用了HC-SR04超聲波傳感器。此傳感器通過兩個(gè)I/O口與Arduino進(jìn)行通訊，將電源電路設(shè)計(jì)在驅(qū)動(dòng)板中。（6） LM2596S降壓芯片不論是各種芯片還是傳感器，它們的供電電壓都是5V，因此需要一塊穩(wěn)定的降壓芯片將12V電壓轉(zhuǎn)換為5V。2.3本章小結(jié)本章主要是對(duì)拖地機(jī)器人的電路進(jìn)行一個(gè)總體方案的概述，根據(jù)設(shè)計(jì)要求羅列了各個(gè)電路的設(shè)計(jì)，并對(duì)電路的總體結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了說明。3拖地機(jī)器人系統(tǒng)的相關(guān)兀器件3.1控制板的元器件本設(shè)計(jì)中需要通過主控芯片控制的元器件有傳感器，電機(jī)，顯示屏和串口通訊等模塊，因此控制芯片需要擁有較多的I/O口，且需要強(qiáng)大的控制能力才能對(duì)如此多的工作量進(jìn)行同時(shí)控制。為了選擇合適的控制芯片，本小組在設(shè)計(jì)初期對(duì)Intel公司的8051系列單片機(jī)、ATMEL公司的AVR系列單片機(jī)和ST公司的STM系列單片機(jī)進(jìn)行了比較。雖然8051單片機(jī)具有操作簡單且容易上手，適合新手使用，但存在著運(yùn)行速度較慢的缺點(diǎn)，不適合本設(shè)計(jì)；STM系列單片機(jī)以STM32為代表，是單片機(jī)中性能較高的產(chǎn)品，它接口豐富且運(yùn)算速度較快，但在實(shí)際操作時(shí)需要對(duì)控制對(duì)象進(jìn)行復(fù)雜的底層設(shè)計(jì)，因此需要花費(fèi)較多時(shí)間才能熟練掌握，對(duì)于時(shí)間緊迫的畢業(yè)設(shè)計(jì)來說不太適合；以AVR系列單片機(jī)為基礎(chǔ)的Arduino具有豐富的庫函數(shù)，編程時(shí)不需要進(jìn)行繁瑣的底層設(shè)計(jì)，只需對(duì)函數(shù)進(jìn)行調(diào)用即可，對(duì)編程設(shè)計(jì)的同學(xué)給予了很大的方便，且系列產(chǎn)品中也有接口豐富的產(chǎn)品，具有開發(fā)簡單易于上手，功能強(qiáng)大運(yùn)算速度快的優(yōu)點(diǎn)，使我們最終選擇了此系列產(chǎn)品作為本次設(shè)計(jì)的控制板［14］。ArduinoMega2560控制板是一塊靈活便捷，便于上手的開源開發(fā)板，具有54路數(shù)字接口和16路模擬接口，其中16路數(shù)字接口可以作為PWM輸出，除此之外還有4路UART接口，一個(gè)16MHz晶振器，一個(gè)USB口和復(fù)位按鈕。雖然本設(shè)計(jì)使用的是現(xiàn)成的開發(fā)板,但對(duì)于控制芯片和最小系統(tǒng)的搭建都經(jīng)過了研究和對(duì)比，最終才采用此款開發(fā)板，接下來將對(duì)控制板的芯片和電路組成進(jìn)行說明。3.1.1控制芯片ATmega系列是一種基于AVR的低功耗8位CMOS微控制器，是ATMEL公司生產(chǎn)的AVR單片機(jī)系列高檔型號(hào)。該系列單片機(jī)集成度較高，使用它可以減少外圍電路，它具有比傳統(tǒng)單片機(jī)更強(qiáng)大的CPU,具有本設(shè)計(jì)需要的大多數(shù)功能，因此選用此系列單片機(jī)作為本次設(shè)計(jì)的控制核心芯片［15］。本設(shè)計(jì)需要用到多個(gè)傳感器，并且還要控制多個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和顯示屏模塊，需要多個(gè)I/O接口。ATmega2560作為該系列產(chǎn)品中的一款較為強(qiáng)大的芯片，具有接口眾多且控制功能強(qiáng)大的優(yōu)點(diǎn)，它不僅可以滿足目前的設(shè)計(jì)要求，還能為后續(xù)的擴(kuò)展設(shè)計(jì)提供便利。ATmega2560主要有以下特點(diǎn)：（1） 具有多達(dá)54路數(shù)字I/O接口和16個(gè)模擬I/O接口，適合需要大量I/O接口的設(shè)計(jì)；（2） 具有8位中央處理單元，頻率為16MHz,能夠快速響應(yīng)中斷并進(jìn)行處理；（3） 采用5V供電電壓，具有上電復(fù)位和可編程欠壓檢測；（4） 具有256k字節(jié)的閃存可儲(chǔ)存程序，其中8kb用于bootloader，可選Boot代碼區(qū)具有獨(dú)立鎖定位，可做到真正的讀寫同時(shí)操作，它還有8kb的SRAM和4kb的EEPROM,并具有64kb的可選外部儲(chǔ)存空間；（5） 提供14路8位PWM輸出；（6） 具有AREF模擬輸出參考電壓，可實(shí)現(xiàn)精確度較高的電壓監(jiān)控；（7） 內(nèi)置4路UART，可以與外部進(jìn)行串口通信，除此之外還有TWI接口，可兼容

lie總線。芯片選用100引腳的貼片封裝，管腳圖如圖3.1所示。ff--51uir31famd*VKMu?E?511

tsi

wff--51uir31famd*VKMu?E?511

tsi

w冋冋幵Tin陷絹國冋口岡円問司阿月珂宥阿囲円鳴l可Hx>Ai|財(cái)心，U—T*F-ApaHmiFarawok*rjcnxLwn>3?"PWKJiHh旳-"Irup^m■Wil333Hx>Ai|財(cái)心，U—T*F-ApaHmiFarawok*rjcnxLwn>3?"PWKJiHh旳-"Irup^m■Wil333f_d3回m可可回annsn曰njlamml訶日Lam刃.UmFCATJ.FEC■W42f咀fMIIH"R?RTJRC4**?，中fDCM>”假■iriAnRMCWF*V!>：■：/R■SQM"n?K<*F■DCHHHcf.wyiFWv?"mpiDCIRi"CMl-W.riEJ-#E-=-T￡--_En日kMPM-Jasf4BUJ>■-■-?R4S-rwnEJ*is-af□-iR^■s-hn—V2^-UERE-HUBQ-圖3.1ATmega2560引腳圖ATmega2560的主要引腳功能如表3.1所示。表3.1引腳功能表引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能PG0、PE0?PE7、PH3?PH6、PB4-PB71?9、16?18、23?26數(shù)字I/O接口，可提供8位PWM輸出。PK0?PK7、PF0-PF782?97模擬I/O接口，帶有ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器功能，可以將外部輸入的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)樾酒\(yùn)算時(shí)可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。VCC10、31、61、805V電源引腳GND11、32、62、81電源地引腳AVCC100模擬電源引腳AGND99模擬地引腳PA0?PA7、PC0-PC7PG0?PG2、PD7、PL0?PL7、PB0-PB371?78、53?60、70、50?52、35?42、19?22數(shù)字I/O接口，每路能輸出和接入最大電流40mA，每一路都配置了20?50K歐姆的內(nèi)部上拉電阻。PE0、PE1、PD2、PD3、PH0、PH1、PJ0、PJ12、3、45、46、12、13、63、64RX0?RX3,TX0?TX3四組串口，RX接收數(shù)據(jù)，TX傳輸數(shù)據(jù)，其中2號(hào)腳和3號(hào)腳可以連接RS232通信接口轉(zhuǎn)換芯片，通過USB接口與電

腦通信。AREF98模擬輸入信號(hào)的參考電壓XTAL1、XTAL233、34外接晶振引線端RESET30低電平時(shí)復(fù)位單片機(jī)芯片SDA、SCL20、21TWI接口，它是對(duì)IIC總線的繼承和發(fā)展，完全兼容IIC總線。SDA是雙向數(shù)據(jù)線，SCL是時(shí)鐘線。3.1.2接口轉(zhuǎn)換芯片CH340G是一個(gè)USB接口轉(zhuǎn)換芯片，它是國產(chǎn)芯片，在市面上的眾多USB接口轉(zhuǎn)換芯片中具有低成本，低功耗和引腳少的優(yōu)點(diǎn)，使設(shè)計(jì)更加方便。該芯片有以下特點(diǎn)：通過外加電平轉(zhuǎn)換器件，提供RS232接口；支持5V電源電壓和3.3V電源電壓；該芯片的引腳圖和功能表分別如圖3.2和表3.2所示。CH34HGCSNWMNiM-C3SR&1RSy2UCR5T%RppCH34HGCSNWMNiM-C3SR&1RSy2UCR5T%RppI圖3.2CH340G引腳圖表3.2CH340G引腳功能引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能GND1公共接地端VCC16電源輸入端TXD2串行數(shù)據(jù)輸出RXD3串行數(shù)據(jù)輸入，內(nèi)置可控的上拉和下拉電阻。V34當(dāng)使用3.3V輸入電壓時(shí)連接VCC輸入外部電源，使用5V輸入電壓時(shí)外接容量為0.1uF的退耦電容。UD+5內(nèi)置上拉電阻，可直接連到USB總線的D+數(shù)據(jù)線。

UD-6內(nèi)置上拉電阻，可直接連到USB總線的D-數(shù)據(jù)線。XI7晶振輸入端，需外接晶體和電容。XO8晶振輸出端，需外接晶體和電容。3.1.3運(yùn)算放大器運(yùn)算放大器可以將信號(hào)放大，也能在開關(guān)電源中起到保護(hù)作用。LM358是雙運(yùn)算放大器，價(jià)格便宜且功能全面，在電子器件中得到廣泛的應(yīng)用，它的內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器，供電輸入電壓范圍為3V?30V[i6]。該芯片的引腳如圖3.3所示。1OUT11 avcc1IN1H2一_I 7OUT2IIM1(+).3—+罕1,N2IGNO4LINWJ圖3.3LM358引腳圖各個(gè)引腳的功能如表3.3所示。表3.3引腳功能引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能OUT11運(yùn)放1輸出IN1(-)2運(yùn)放1反向輸入IN1(+)3運(yùn)放1同向輸入GND4電源地IN2(+)5運(yùn)放2同向輸入IN2(-)6運(yùn)放2反向輸入OUT27運(yùn)放2輸出VCC8電源引腳3.2驅(qū)動(dòng)板的元器件驅(qū)動(dòng)板上的主要元器件是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊組成，并添加了電量監(jiān)控的相關(guān)元器件。設(shè)計(jì)此PCB板時(shí)需要針對(duì)電機(jī)的工作不同使用不同的電機(jī)，因此也需要使用不同的電機(jī)模塊。該板集成了電量顯示的顯示屏和芯片，因此在設(shè)計(jì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊時(shí)需要對(duì)電機(jī)的反轉(zhuǎn)電流進(jìn)行控制，防止燒壞電量顯示的相關(guān)元器件。

3.2.1主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊I"1 to_L/散熱片與拖地機(jī)器人在工作時(shí)需要對(duì)障礙物進(jìn)行規(guī)避運(yùn)動(dòng)，因此本設(shè)計(jì)中采用的是三輪設(shè)計(jì)，即前方一個(gè)萬向輪配合后方兩個(gè)主動(dòng)輪，來控制行進(jìn)的方向。拖地機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)彎依賴的是主動(dòng)輪的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，遇到障礙物時(shí)需要快速反應(yīng)和執(zhí)行程序，因此本設(shè)計(jì)采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。L298N是一種雙H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，每個(gè)H橋都擁有2A的電流輸出，電機(jī)供電電壓范圍非常大，可以實(shí)現(xiàn)2.5?48v的供電電壓，其中對(duì)芯片的控制需要單獨(dú)通過5v供電。該芯片通過控制H橋的輸入口來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，并通過Arduin。進(jìn)行PWM調(diào)速［切，且它具有啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)的特點(diǎn)，可以在本設(shè)計(jì)中得到較好的應(yīng)用。該芯片的引腳圖和引腳功能表分別如圖I"1 to_L/散熱片與WWETTStNSNG>OUfPUl4ormiiJEhi皿￡BiIMVTiLCKVeStlFFLVUOLltfkE-GNGrputi5UP1=<.TTOLTifiE￥aOJIRJIZOLJmJTiGURRfFiTKHQVWA圖3.4L298N引腳圖表3.4L298N引腳功能表引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能115SensingASensingB與地連接電流檢測電阻，并向驅(qū)動(dòng)芯片反饋檢測到的信號(hào)。23OUTPUT1OUTPUT2是全橋式驅(qū)動(dòng)器A的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載。4Vs電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源輸入端。57INPUT1INPUT2輸入邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器A的開關(guān)。

6ENABLEA使能控制端，輸入邏輯電平信號(hào)，低電平全橋式驅(qū)動(dòng)器禁止11ENABLEB工作。10INPUT3輸入邏輯電平信號(hào)，用來控制全橋式驅(qū)動(dòng)器B的開關(guān)。12INPUT48GND接地端，芯片本身的散熱片與8腳相通。9Vss邏輯控制部分的電源輸入端口。13OUTPUT3是全橋式驅(qū)動(dòng)器B的兩個(gè)輸出端，用來連接負(fù)載。14OUTPUT43.2.2抹布轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸在工作時(shí)阻力比較大，且轉(zhuǎn)動(dòng)速度較慢，因此可以使用低速時(shí)轉(zhuǎn)矩較大的步進(jìn)電機(jī)。抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速相對(duì)較穩(wěn)定，不需要經(jīng)常變化，但是Arduino數(shù)字I/O口的輸出電流只有40mA,步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)電流需要100mA左右，無法達(dá)到步進(jìn)電機(jī)的啟動(dòng)要求。ULN2003A是由七個(gè)達(dá)林頓管集成的芯片，所謂達(dá)林頓管是由兩個(gè)三極管組合而成的電路，可以起到放大電流的作用°ULN2003A的每個(gè)引腳的輸出電流可達(dá)200mA，可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)I"它的引腳和功能分別如圖3.5和表3.5所示。圖3.5ULN20003A引腳圖表3.5ULN2003A引腳功能表引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能1B~7B1?7CPU脈沖輸入端COM9該腳是內(nèi)部7個(gè)續(xù)流一極管負(fù)極的公共端，各一極管的正極分別接各達(dá)林頓管的集電極。用于感性負(fù)載時(shí)，該腳接負(fù)載電源正極，實(shí)現(xiàn)續(xù)流作用。如果該腳接地，實(shí)際上就是達(dá)林頓管的集電極對(duì)地接通。E8接地端1C?7C10?16CPU脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)信號(hào)輸入端。3.2.3電量監(jiān)控顯示模塊由于ArduinoMega2560自帶基準(zhǔn)電壓，因此可以使用Arduino進(jìn)行電量監(jiān)控，只需將12V電壓進(jìn)行分壓后接入Arduino就可實(shí)現(xiàn)。剩余電量的顯示可以使用LCD1602液晶顯示器，它具有16個(gè)接口，驅(qū)動(dòng)它需要使用11個(gè)I/O口，如果將其直接接入Arduino就會(huì)造成I/O口資源的浪費(fèi)，經(jīng)過查閱資料，發(fā)現(xiàn)LCD1602顯示屏可以通過中介IIC模塊，使用IIC協(xié)議與Arduino進(jìn)行通信［19］。3.2.3.1LCD1602顯示屏本次設(shè)計(jì)使用的LCD1602液晶顯示器是一種字符型液晶顯示模塊，它是用于顯示字母、數(shù)字和符號(hào)等的點(diǎn)陣式LCD，且成本較低，在市面上得到了非常廣泛的使用。雖然該顯示屏顯示效果較為平庸，但在本設(shè)計(jì)中只需要用來顯示電量剩余信息，因此使用此顯示屏。該顯示屏的引腳和功能分別如圖3.6和表3.6所示。圖3.6LCD1602顯示器

表3.6LCD1602引腳功能表引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能Vss1接地端。VDD25V電源正極。E6使能端，當(dāng)E端由高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。VO3此端口是液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地時(shí)對(duì)比度最咼，對(duì)比度不合適時(shí)顯示效果不好，使用時(shí)可以通過一個(gè)10kQ的電位器調(diào)整其對(duì)比度。RS4此端口為寄存器選擇端，咼電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選擇指令寄存器。R/W5此端口為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作，該端口可以和RS端口配合使用。D0~D77?14這8個(gè)端口為8位雙向數(shù)據(jù)線。BLA15背光源正極。

BLK16背光源負(fù)極。PCF8574T接口擴(kuò)展芯片PCF8574T通過兩條雙向總線可使大多數(shù)芯片實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程I/O擴(kuò)展，讓芯片之間可以通過IIC通訊方式通信。該器件包含一個(gè)8位準(zhǔn)雙向口和一個(gè)總線接口，具有大電流驅(qū)動(dòng)能力，且電流消耗低，可以直接驅(qū)動(dòng)LED[20]。該芯片的引腳和功能如圖3.7和表3.7所/示OPCFB泌vPCFB泌vDgmIMfF7Mp5pd圖3.7PCF8574T芯片表3.7PCF8574T引腳功能表引腳名稱引腳序號(hào)引腳功能A01地址輸入0。A12地址輸入1。A23地址輸入2。P0?P74?7、9~12準(zhǔn)雙向I/O口。Vss8接地端。INT13中斷輸入，低電平有效。SCL14串行時(shí)鐘線。SDA15串行數(shù)據(jù)線。VDD16電源接口。3.2.4電源電壓降壓模塊本設(shè)計(jì)采用的供電方式是12V鋰電池，而電路中不少芯片和元器件的工作電壓都是5V和3.3V，因此需要采用降壓穩(wěn)壓模塊來使芯片能夠正常工作。LM2576穩(wěn)壓芯片LM2576芯片是降壓開關(guān)型穩(wěn)壓集成電路，它是由是美國的國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的,

內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，使用該芯片只需極少的外接電子元器件便可構(gòu)成高效的穩(wěn)壓電路，使電壓穩(wěn)壓到5V[2i]。該芯片的引腳和功能表分別如圖3.8和表3.8所示。5-aN/OFF5-aN/OFFa"3=地z-mtn圖3.8LM2576芯片表3.8LM2576引腳功能表管腳名稱管腳號(hào)功能VIN1輸入電壓端OUTPUT2穩(wěn)壓輸出端GND3接地端FEEDBACK4反饋端ON/OFF5控制瑞，咼電平有效AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片電路中除了需要5V電壓，還需要3.3V電壓，因此電路中還需要3.3V的穩(wěn)壓芯片。本設(shè)計(jì)選用了AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片，該芯片性能穩(wěn)定且價(jià)格便宜，性價(jià)比較高。該芯片的引腳和功能表分別如圖3.9和表3.9所示。AMS1117圖3.9AMS1117-3.3芯片表3.9AMS1117-3.3引腳功能表管腳名稱管腳號(hào)功能GND1接地端Vout2輸出電壓Vin3輸入工作電壓3.3電機(jī)本設(shè)計(jì)一共使用了六個(gè)電機(jī)，其中主動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)為兩個(gè)JGA25-370減速電機(jī)，該型號(hào)電機(jī)具有額定轉(zhuǎn)矩大，尺寸小的特點(diǎn)，適合做拖地機(jī)器人的主動(dòng)輪電機(jī)；抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸在工作時(shí)需要使抹布與地面接觸并做履帶式運(yùn)動(dòng)，需要較大轉(zhuǎn)矩，因此驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用

28BYJ4步進(jìn)電機(jī);刷子驅(qū)動(dòng)電機(jī)選用ZGA25RP直流減速電機(jī)，該電機(jī)具有尺寸小的特點(diǎn),適合驅(qū)動(dòng)刷子［22］。3.4主要元器件清單控制板和驅(qū)動(dòng)板使用的主要元器件如表3.10所示。表3.10元器件清單元件名稱元件型號(hào)數(shù)量（個(gè)）控制芯片ATmega25601雙運(yùn)算放大器LM3581RS232通訊芯片CH340G1主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N1抹布轉(zhuǎn)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片ULN2003A2LCD顯示屏LCD1602顯示屏1IIC接口擴(kuò)展芯片PCF8574T15V穩(wěn)壓芯片LM2576S-5.02正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117-3.31超聲波傳感器HC-SR043主動(dòng)輪直流減速電機(jī)JGA25-3702抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸步進(jìn)電機(jī)28BYJ42刷子驅(qū)動(dòng)電機(jī)ZGA25RP23.5本章小結(jié)本章對(duì)拖地機(jī)器人所使用到的主要元器件進(jìn)行介紹，根據(jù)此機(jī)器人的功能要求對(duì)選用元器件的原因進(jìn)行說明，并主要介紹了元器件的引腳功能。4電路設(shè)計(jì)拖地機(jī)器人的系統(tǒng)主要分為兩部分，第一部分是控制部分，該部分以ATmega2560為核心，圍繞它設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)電路，并根據(jù)本設(shè)計(jì)添加需要的功能。第二部分是驅(qū)動(dòng)板部分，該部分集成了電機(jī)驅(qū)動(dòng)元器件和顯示屏電路。4.1控制板的電路設(shè)計(jì)4.1.1控制芯片最小系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)本文中使用的核心控制芯片是ATmega2560，它具有控制功能強(qiáng)大，I/O接口多的特點(diǎn)，且容易開發(fā)，非常適合本設(shè)計(jì)。ATmega2560作為本設(shè)計(jì)的核心控制芯片，整個(gè)電路都是圍繞其搭建。首要任務(wù)是使芯片能夠工作，因此先對(duì)其的最小系統(tǒng)電路進(jìn)行搭建設(shè)計(jì)。將電源接口與5V電源進(jìn)行連接，并連接去耦電容接地，穩(wěn)定電源電壓，減少電源雜波對(duì)芯片的影響。將每個(gè)接地端都共同接地。AREF作為基準(zhǔn)電壓外部輸入引腳，將其串聯(lián)濾波電容并接地。XTAL1和XTAL2用來提供外部振蕩源給片內(nèi)的時(shí)鐘電路[23],將在下文進(jìn)行具體說明?？刂菩酒淖钚∠到y(tǒng)如圖4.1所示。PQ2^rfPtfl，E)B?K-T0GC1)K5皿口〕PG2盼I皿.PG(i>URiCCCC'■C囂至own-1PI^ETPQ2^rfPtfl，E)B?K-T0GC1)K5皿口〕PG2盼I皿.PG(i>URiCCCC'■C囂至own-1PI^ETCTALL寧細(xì)AinccASEFGXI!gT?,LEvC-圖4.1ATmega2560最小系統(tǒng)4.1.2時(shí)鐘電路設(shè)計(jì)ATmega2560芯片可以使用兩種時(shí)鐘方式，分別為內(nèi)部和外部時(shí)鐘方式。XTAL1和XTAL2引腳在內(nèi)部連接著一片內(nèi)振蕩器結(jié)構(gòu)，當(dāng)使用內(nèi)部時(shí)鐘方式時(shí)，仍需要在這兩個(gè)接口之間連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容才能組成時(shí)鐘電路；當(dāng)使用外部時(shí)鐘方式時(shí)，時(shí)鐘信號(hào)的方波可以直接輸入XTAL1引腳，而XTAL2管腳懸空。雖然外部時(shí)鐘方式比內(nèi)部時(shí)鐘方式簡單，但大多數(shù)使用ATmega2560搭建的系統(tǒng)都是采用內(nèi)部時(shí)鐘方式，原因是內(nèi)部振蕩器能與晶振和電容構(gòu)成一個(gè)性能好又穩(wěn)定的時(shí)鐘信號(hào)源，而如果要使用外部時(shí)鐘方式產(chǎn)生如此穩(wěn)定的信號(hào)，需要添加的器件遠(yuǎn)不止一個(gè)晶振和兩個(gè)電容。正因?yàn)閮?nèi)部時(shí)鐘方式的優(yōu)越性，本次設(shè)計(jì)使用此芯片搭建的時(shí)鐘電路正是內(nèi)部時(shí)鐘方式的接線［24］。時(shí)鐘電路在單片機(jī)系統(tǒng)中非常重要，它掌控者單片機(jī)的工作節(jié)奏，是系統(tǒng)中不可缺少的部分。此部分的電路設(shè)計(jì)如圖4.2所示。圖4.2時(shí)鐘電路4.1.3復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位電路是單片機(jī)系統(tǒng)中不可或缺的部分，它可以使系統(tǒng)電路穩(wěn)定可靠地工作。只要弄清楚此芯片的復(fù)位電路工作原理，就可以將復(fù)位電路設(shè)計(jì)得比較簡單。ATmega2560芯片的RESET端口低電平時(shí)有效，因此設(shè)計(jì)為RESET端口串聯(lián)一個(gè)按鈕后接地，在按鈕前端并聯(lián)一個(gè)上拉電阻接5V電源，當(dāng)按鈕彈起時(shí)RESET高電平，而當(dāng)按鈕按下時(shí)RESET端口接地，復(fù)位單片機(jī)。復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如圖4.3所示。圖4.3復(fù)位電路4.1.4RS232串口通訊芯片與上位機(jī)的交流必須采用串口通訊的方式，RS232是目前最常用的一種串行通訊接口，通過串口通訊可以使ATmega2560芯片與電腦進(jìn)行通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸和通訊。本文使用的串口通訊芯片是CH340G，它是一個(gè)USB接口轉(zhuǎn)換芯片，通過與ATmega2560芯片的RX0和TX0連接，即可使Arduino板可以通過USB接口與電腦端進(jìn)行通訊。該電路根據(jù)CH340G的引腳功能表進(jìn)行連接，電路圖如圖4.4所示。

圖4.4CH340G電路4.1.5TWI總線電路本設(shè)計(jì)中需要使用IIC通訊方式使LCD顯示屏與Arduino進(jìn)行通訊，因此需要使用SDL和SCL接口。ATmega2560芯片中的這兩個(gè)接口使用的是TWI總線接口，這種接口相較于IIC總線具有硬件連接簡單，軟件設(shè)計(jì)方便和運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，是IIC總線的繼承和發(fā)展。設(shè)計(jì)該電路只需使用5V電源串聯(lián)電阻與接口連接即可，該電路如圖4.5所示。圖4.5TWI總線電路4.1.6雙運(yùn)算放大電路運(yùn)算放大器在開關(guān)電源中起到保護(hù)作用，且該放大器能對(duì)電流信號(hào)進(jìn)行放大，使控制芯片能接受到更明顯的信號(hào)。設(shè)計(jì)LM358的電路時(shí)輸出端不需要接上拉電阻，其電路如圖4.6所示。圖4.6LM358圖4.6LM358電路4.1.7Arduino引腳接口Arduino需要連接很多外接元器件，因此需要設(shè)計(jì)引腳接口與外設(shè)進(jìn)行連接。圖4.7和圖4.8是數(shù)字I/O口，但可以輸出PWM信號(hào)。圖4.9為通訊接口，可以通過這些接口進(jìn)行串口通訊。圖4.10為電源接口，提供各個(gè)電壓的接口。圖4.11為模擬I/O口，可輸入溫度、電壓等模擬信號(hào)。圖4.12為數(shù)字I/O口，輸出標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯信號(hào)。圖4.7PWM輸出接口leader聲GNI?A^EF~AREFFW鏘卩由WMiO"pron1511「||'GND圖4.8PWM圖4.7PWM輸出接口leader聲GNI?A^EF~AREFFW鏘卩由WMiO"pron1511「||'GND圖4.8PWM輸出接口：1Sd2dSDAT9 rxdT■?8 TXD?T7 RXDTTS rxn：T? 3T-HeaderS+5RESET；機(jī)’+1"匸ND圖4.10電源接口圖4.9通訊接口圖圖4.15L298N電路ADCO_A(1ADC1AlADC2__A2ADC3AlADCJA47u5aADCO_A(1ADC1AlADC2__A2ADC3AlADCJA47u5a~漆ADC6疝A[3C.;A?~PS匸M]2當(dāng)□4567三EikrS?：2FCLPC3FCJW函PA?ADCSA&1ADC9A9LADC1DA1-3Xi3456-ADC：]Al1ABC11Al?ADC：3A13ADC14A14ADC15Al5fnHeader8deaderSPB0S5 53n 7152FB上制3151 i J國PL3 i1|~48Pl.「 "「I Z : I"盤壬11；國PG0 靈口 卜 li HOEG^3r^￡jJH三3X2FBLSCKFB3MJSOFL]TL-PL'FL-FG]圖4.12數(shù)字I/O口圖圖4.12數(shù)字I/O口4.2驅(qū)動(dòng)板的電路設(shè)計(jì)4.2.1降壓穩(wěn)壓電路本設(shè)計(jì)使用的電源是12V鋰電池，而ATmega2560和電路中的各種芯片，它們都是使用5V和3.3V電源，因此根據(jù)LM2596S-5.0和AMS1117-3.3的引腳功能表，設(shè)計(jì)了如圖4.13和圖4.14的電路。-*■U1VDTOUTOK-OFFFB□NDTABLM2596^-50-*■U1VDTOUTOK-OFFFB□NDTABLM2596^-50圖4.13LM2596S-5.0電路如圖4.13所示，為了防止在輸入端出現(xiàn)太大的瞬態(tài)電壓，LM2596S-5.0的輸入端和地之間接入了一個(gè)電容，而輸出端與地之間接了電容和電感，構(gòu)成了低通濾波器，減小了輸出波紋，使輸出電壓更加穩(wěn)定。電路中的肖特基二極管可以和L1配合輸出時(shí)續(xù)流,利用輸出的電感感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)幫助開關(guān)電源額外增加輸出電流。U]AS]11^:47uF3528=^CI6:47uF3528=^CI6iC_0.luF_0M)3T1±CI5n-iri*rr\n-i圖4.14AMS1117-3.3電路如圖4.14所示，AMS1117-3.3的輸入端和輸出端都與地之間連接了電容，這些電容的作用和LM2596S-5.0中的電容作用類似，也是起到保護(hù)電路和穩(wěn)定輸出電壓的作用。4.2.2主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路主動(dòng)輪主要是用于控制拖地機(jī)器人的直行和轉(zhuǎn)彎，因此它需要根據(jù)傳感器反饋的前進(jìn)道路狀況來改變轉(zhuǎn)速。由于Arduino的輸出電流只有40mA,不足以驅(qū)動(dòng)電機(jī)，因此需要使用L298N來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。L298N的內(nèi)部設(shè)計(jì)了雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，通過控制ATmega2560的接口輸出對(duì)L298N的輸入端電平進(jìn)行控制，就可以使電機(jī)完成正反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn)。該芯片的雙電機(jī)接線方式為0UT1和0UT2接A電機(jī)，0UT3和0UT4接B電機(jī)。IN1至IN4從ATmega2560接輸入控制電平，IN1和IN2控制電機(jī)A的正反轉(zhuǎn)，IN3和IN4控制電機(jī)B的正反轉(zhuǎn)。ENA和ENB是控制使能端，通過控制這兩個(gè)端口的高低電平來控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。電機(jī)的調(diào)速使用PWM調(diào)速的方法，即將ENA和ENB兩個(gè)接口接到ATmega2560的PWM輸出端，通過調(diào)節(jié)占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。電路如圖4.15所示。4.2.3抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由于抹布的粗糙度比較大，與地面相互運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較大的阻力，因此抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)需要具備較大的轉(zhuǎn)矩才能使拖地工作正常運(yùn)行。本設(shè)計(jì)采用的是步進(jìn)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸，因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)在低速時(shí)具有較大轉(zhuǎn)矩，且步進(jìn)電機(jī)采用的驅(qū)動(dòng)方式是通過步進(jìn)角驅(qū)動(dòng)的，兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同時(shí)控制抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸時(shí)可以以較小的誤差進(jìn)行同步運(yùn)動(dòng)。ULN2003A是一款集成達(dá)林頓管IC,具有電流放大的作用，使用時(shí)只需將輸入端1B至4B與ATmega2560接輸入控制電平，對(duì)應(yīng)的四個(gè)輸出端1C至4C與四相五線的對(duì)應(yīng)接口連接，即可完成對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制°ULN2003A具有七組輸入端和輸出端，可以通過兩相的接法同時(shí)接入兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)，雖然此芯片的每個(gè)輸出端口可承受200mA的電流，但步進(jìn)電機(jī)的輸入電流為100mA到150mA之間，如果發(fā)生卡死的情況可能會(huì)更高。為了防止電流過大燒壞芯片，本設(shè)計(jì)中的兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)采用了兩個(gè)ULN2003A來控制。該芯片的電路設(shè)計(jì)如圖4.16所示。圖4.16ULN2003A電路4.2.4電量監(jiān)控電路ATmega2560自帶1.1V的基準(zhǔn)電壓，因此可以將其與輸入電壓進(jìn)行比較，并對(duì)最高值和最低值的電壓差進(jìn)行積分，再將其轉(zhuǎn)換為百分比即可完成本設(shè)計(jì)的電量監(jiān)控。由于ATmega2560的輸入電壓不能大于5V，而此設(shè)計(jì)的供電電壓為12V，因此需要對(duì)其進(jìn)行分壓才能將其接入ATmega2560進(jìn)行電量監(jiān)控。該分壓電路如圖4.11所示，將12電壓與地之間串聯(lián)R1和R2兩個(gè)電阻，通過分壓公式Vout=(VinXR2)/(R1+R2)計(jì)算可得出接入ATmega2560模擬I/O口的輸入電壓為4V。分壓電路如圖4.17所示。圖圖4.18顯示電路圖4.17分壓電路4.2.5顯示電路使用者要想得知拖地機(jī)器人的電量剩余情況，就必須要將ATmega2560電量監(jiān)控的結(jié)果通過顯示屏反映出來。因此本設(shè)計(jì)中采用LCD1602顯示屏和PCF8574T接口擴(kuò)展芯片的組合，使用IIC通訊的方式將ATmega2560監(jiān)測的電量剩余情況通過LCD1602顯示屏反映給使用者。根據(jù)LCD1602顯示屏的引腳功能表，在VCC口和VO口之間連接一個(gè)10KQ的電位器，可以調(diào)整電位器值的大小來調(diào)整對(duì)比度，其余接口與PCF8574T的對(duì)應(yīng)接口相連接。IIC通訊方式是由PCF8574T的SDA和SCL接口與ATmega2560的SDA和SCL接口相連接，即可通過IIC總線進(jìn)行通訊。該部分電路如圖4.18所示。

4.2.6驅(qū)動(dòng)板引腳接口由于驅(qū)動(dòng)板和控制板不是同一塊PCB板，因此需要引腳接口與Arduino板連接。圖4.19為L298N外接接口，ENA和ENB接到Arduino板的PWM2和PWM3輸出接口，IN1到IN4接到Arduino板的22?25數(shù)字接口。圖4.20為主動(dòng)輪電機(jī)端口，接到電機(jī)的正負(fù)極。圖4.21和圖4.23分別為驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)A和步進(jìn)電機(jī)B的ULN2003A接口，IN21到IN24和IN31到IN34分別與Arduino板的PWM6?9,PWM10-13輸出接口相連。圖4.22和圖4.24分別為步進(jìn)電機(jī)A和步進(jìn)電機(jī)B的五線接口，按照顏色連接。圖4.25為刷子電機(jī)接口，直接由電源驅(qū)動(dòng)。圖4.26為電源接口，接入鋰電池正負(fù)極為驅(qū)動(dòng)板供電。圖4.27為超聲波傳感器電源端接口，分別與三個(gè)HC-SR04傳感器的VCC和GND端相連。圖4.28為PCF8574T接口，VCC和GND端分別于5V電源和公共地連接，SDA和SCL與Arduino板20和21號(hào)接口相連。It：adcid電機(jī)螺口圖4.19L298N接口?20INN11N22TOTTO4Header4圖4.20主動(dòng)輪電機(jī)接口P21Header5圖4.21ULN2003A輸入端接口（A）圖4.22四相五線電機(jī)接口（A）IIN311X33IE4H時(shí)危4P26ieader5圖4.23ULN2003A輸入端接口（B）圖4.24四相五線電機(jī)接口（B） P7電機(jī)調(diào)II12Headitf2GND圖4.26電源接口 P7電機(jī)調(diào)II12Headitf2GND圖4.26電源接口圖4.25刷子電機(jī)接口-3十+GNDHeadei'-PH)GNUGNDvcc~SDASCI.圖4.28超聲波傳感器接口圖圖4.28超聲波傳感器接口4.3實(shí)物圖介紹4.3.1控制板實(shí)物圖介紹 本次設(shè)計(jì)所使用的控制板是ArduinoMega2560，實(shí)物如圖4.29所示。在上文中對(duì)ATmega2560芯片系統(tǒng)進(jìn)行了搭建設(shè)計(jì)，本小節(jié)將此次設(shè)計(jì)所使用到的系統(tǒng)模塊進(jìn)行介 紹，并在圖中用數(shù)字進(jìn)行了標(biāo)記，并在下文對(duì)其進(jìn)行相關(guān)介紹： 主控芯片ATmega2560，是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。 此芯片為CH340G,是USB接口轉(zhuǎn)換芯片，使主控芯片可以通過USB連接的方式與上位機(jī)進(jìn)行串口通訊。 AMS1117-5.0穩(wěn)壓芯片，使12V輸入電壓降壓穩(wěn)壓到5V，供芯片和外接接口使用。AMS1115-3.3穩(wěn)壓芯片，將5V電壓降壓穩(wěn)壓到3.3V，可供外接接口和基準(zhǔn)電壓使用。LM358雙運(yùn)算放大芯片，可以放大電流信號(hào)并起到保護(hù)電路的作用。復(fù)位按鈕，可以使系統(tǒng)進(jìn)入初始狀態(tài)，防止死機(jī)。PWM輸出接口，在此設(shè)計(jì)中需要使用12個(gè)PWM接口對(duì)四個(gè)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。電源接口，可以輸出接口所對(duì)應(yīng)的電壓，也可接入對(duì)應(yīng)電壓供電電源。模擬I/O接口，可以將輸入的電壓、溫度、電流等信號(hào)轉(zhuǎn)化為芯片可以識(shí)別的數(shù)字信號(hào)。通訊接口，可以通過這些接口進(jìn)行串口通訊。數(shù)字I/O接口，輸出信號(hào)邏輯電平，即“1”或“0”。

[gjooQf；^：.3w」rnarExtlI異<-IZ.J括f?一牌用啪暁綢郵：?￡?mIMcr：，，：IM叫.Dflioi：—rixJaIC6IrPOUE樣I枝二早與三MEGA25d0D—[gjooQf；^：.3w」rnarExtlI異<-IZ.J括f?一牌用啪暁綢郵：?￡?mIMcr：，，：IM叫.Dflioi：—rixJaIC6IrPOUE樣I枝二早與三MEGA25d0D—村Ebli'KfL rIk Maivnar^kaiJi■—?￥*<?<cccccW 一 ，■—圖4.29ArduinoMega2560控制板實(shí)物圖4.3.2驅(qū)動(dòng)板實(shí)物圖介紹本次設(shè)計(jì)的驅(qū)動(dòng)板集成了兩塊ULN2003芯片和一塊L298N驅(qū)動(dòng)芯片，并配合LM2596S穩(wěn)壓芯片和各種接線口，構(gòu)成了本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分。實(shí)物如圖4.30所示，在實(shí)物圖中對(duì)各個(gè)模塊部分進(jìn)行了標(biāo)號(hào)，并在下文中對(duì)其進(jìn)行介紹：L298N主動(dòng)輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)主動(dòng)輪電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。LM2596S降壓穩(wěn)壓模塊，將12V輸入電壓降為5V供電路板中的芯片使用。ULN2003A步進(jìn)電機(jī)A驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸A的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。ULN2003A步進(jìn)電機(jī)B驅(qū)動(dòng)模塊，對(duì)抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸B的電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。電路監(jiān)控電路，將12V輸入電壓使用電阻進(jìn)行分壓之后通過接口連接控制板對(duì)其進(jìn)行電量剩余情況的監(jiān)控。電路監(jiān)控接口，將其與控制板的模擬口連接。主動(dòng)輪電機(jī)A接口，將主動(dòng)輪的直流減速電機(jī)正負(fù)極接入即可對(duì)其進(jìn)行控制。L298N控制端接口，從左到右對(duì)應(yīng)的功能口分別為ENA、INLIN2、IN3、IN4、ENB,將ENA和ENB口與控制板的數(shù)字接口連接，IN1至IN4與PWM口連接。主動(dòng)輪電機(jī)B接口，功能同第7點(diǎn)所述。ULN2003A抹布驅(qū)動(dòng)軸A電機(jī)控制端接口，將其與控制板的PWM口連接。ULN2003A抹布驅(qū)動(dòng)軸A電機(jī)輸出端接口，將其從左到右的接口分別與步進(jìn)電機(jī)的藍(lán)、粉、黃、橙、紅線依次連接。ULN2003A抹布驅(qū)動(dòng)軸B電機(jī)輸出端接口，將其從左到右的接口分別與步進(jìn)電機(jī)的紅、橙、黃、粉、藍(lán)線依次連接。ULN2003A抹布驅(qū)動(dòng)軸B電機(jī)控制端接口，將其與控制板的PWM口連接。刷子電機(jī)A接口，連接電機(jī)正負(fù)極。刷子電機(jī)B接口，連接電機(jī)正負(fù)極。 鋰電池電源接口，負(fù)極在上方，正極在下方。超聲波傳感器接口，上方三個(gè)接口接三個(gè)傳感器的正極，下方三個(gè)接口接三個(gè)傳感器的負(fù)極。圖4.30驅(qū)動(dòng)板實(shí)物圖驅(qū)動(dòng)板除了有上述的模塊之外還有LCD1602顯示屏模塊，使用螺柱將其固定在驅(qū)動(dòng)板上，LCD1602顯示屏模塊如圖4.31和圖4.32所示，組裝完成后如圖4.33和圖4.34所示。將如圖4.31紅框中的GND和VCC接口與控制板的電源口連接，SDA和SCL接口與控制板的SDA20和SCL21分別連接。圖4.31PCF8574T模塊實(shí)物圖圖4.32LCD1602顯示屏實(shí)物圖圖4.33驅(qū)動(dòng)板組裝圖圖4.34驅(qū)動(dòng)板組裝圖4.4本章小結(jié)本章是全文的重點(diǎn)，在選好元器件的基礎(chǔ)上對(duì)各個(gè)芯片的外圍電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)ATmega2560的最小系統(tǒng)電路、串口通訊電路、L298N驅(qū)動(dòng)電路、ULN2003驅(qū)動(dòng)電路和PCF8574T接口轉(zhuǎn)換電路等電路設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)說明。圖圖5.3輸出4V電壓的接口測試圖圖5.3輸出4V電壓的接口測試圖圖5.1蜂鳴檔5電路板實(shí)物測試和仿真以AltiumDesigner18設(shè)計(jì)的電路原理圖為基礎(chǔ)完成的電路板焊接完成后，需要進(jìn)行實(shí)物測試。由于此次設(shè)計(jì)是在家中完成，與小組其他成員各自在不同的地方，因此當(dāng)電路板測試完成后無法馬上進(jìn)行所有器件的整合測試。鑒于這些原因本次設(shè)計(jì)除了進(jìn)行實(shí)物測試之外還需要進(jìn)行仿真測試，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同學(xué)在進(jìn)行組裝調(diào)試的時(shí)候不會(huì)出現(xiàn)電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)上的問題。5.1電路板的實(shí)物測試鑒定一塊電路板的好壞就是對(duì)其電子元器件進(jìn)行通路測試和功能測試，確保其能完成設(shè)計(jì)的功能。由于此塊電路板是手工焊接完成的，而且有貼片封裝的元器件，焊接完成后需要對(duì)引腳進(jìn)行檢查，確保引腳不會(huì)連在一起。對(duì)引腳檢查完畢后將萬用表的量程調(diào)到蜂鳴檔，即如圖5.1所示檔位，兩個(gè)表筆碰到一起時(shí)萬用表會(huì)發(fā)出“嘩”的連續(xù)蜂鳴聲，當(dāng)表筆檢測的電路是通路時(shí)萬用表也會(huì)發(fā)出蜂鳴聲，而電路為斷路時(shí)萬用表則不會(huì)發(fā)出聲音，根據(jù)此原理使用此檔位對(duì)電路板中的各個(gè)元器件進(jìn)行通路的測試。對(duì)通路的檢查完畢之后將萬用表調(diào)至電壓端，由于此電路的供電電池為12V鋰電池，因此將萬用表調(diào)至20V的檔位即可，使用此檔位對(duì)電路板的輸出電壓端進(jìn)行測試，檢測其是否能輸出原理圖所設(shè)計(jì)的輸出電壓。測試結(jié)果如圖5.2，圖5.3和圖5.4所示，5V電壓的輸出端檢測出4.92V電壓,4V電壓輸出端檢測出3.74V電壓，12V電壓輸出端檢測出11.32V電壓，由于電池不是滿電狀態(tài)，且萬用表存在的誤差也會(huì)影響測試的結(jié)果，經(jīng)多次測試,認(rèn)為電路的輸出電壓符合原理圖的設(shè)計(jì)。

圖5.2輸出5V電壓的接口測試圖5.4輸出12V電壓的接口測試5.2仿真測試電壓輸出端口只需接電源即可進(jìn)行相應(yīng)的測試，但電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的排針端口需要用Arduino控制板進(jìn)行相應(yīng)的電平輸入才能有輸出。由于Arduino控制板在軟件設(shè)計(jì)分工的同學(xué)家里進(jìn)行軟件輸入和調(diào)試，因此無法在電路板完成焊接之后立刻對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的排針端口進(jìn)行實(shí)物測試，需要郵寄到軟件設(shè)計(jì)分工的同學(xué)家才能測試。由于小組同學(xué)各自在不同的地方，如果在進(jìn)行軟件和硬件綜合調(diào)試時(shí)出現(xiàn)問題再來修改可能時(shí)間就來不及，因此本次設(shè)計(jì)使用Proteus對(duì)軟件和電路原理圖進(jìn)行結(jié)合仿真測試，驗(yàn)證此次設(shè)計(jì)軟硬件結(jié)合的合理性和可行性。整體的仿真電路如圖5.5所示，本次仿真采用的是ArduinoMega2560對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行仿真測試，由于仿真時(shí)不需要考慮電容濾波和電阻限流的問題，因此各個(gè)電路都以最簡化的方式繪制。各個(gè)部分的電路如圖5.6至圖5.11所示，其中圖5.9為超聲波傳感器電路，此電路中由激勵(lì)源信號(hào)模擬距離的變化，通過示波器查看傳感器輸入和輸出的波形變化，然后觀察距離變化之后主動(dòng)輪電機(jī)的轉(zhuǎn)速變化，通過這些仿真來模擬機(jī)器人的避障行為。圖5.11為模擬電池電壓輸入的電路，通過改變電池的電壓值模擬電池滿電和缺電狀態(tài)，觀察顯示屏仿真電量監(jiān)控功能。圖圖5.9傳感器仿真電路.VMMmJm￡￡-.>fjexwr-lu-咅is￡,-■■■■￡」：$llo-L!-ld■el--l.llD-EK圖5.5仿真電路整體圖ARD1slNcjcran若—ggd.owwlxldesuWHdkLNiJd^EiJIabadCZDSGQEn-PftAJWD4AHAIDCIN?BWW邑MOMNg￡切■CM■受■tl-HGCKG-IMsdSPHD忠!■■!二w〔2dwunLJcwpLl-dSW1/SJ0VTM:!3M，wLL.dmuoYITll-dLCJoyTE呂言LL-d室_w_e莒LJJgd/MxlILUJdnN苗ELJRhUJd5」M>UE<_IW山dffio-soibmlwEo寫出■?LI號(hào)HdLLNyLdxyscPN匸s，，cI全含HdION■長dy/DEELZG焉MMQpadjwdoPA2XAD2-呈PftS^JDSPAGWOGPA7XAD7RC7JA15TOJA14PC5JA13仲"PC3JA11RC2JA10PC1XA9..PCQTA8PD7JTOPDacJ^LE.PQ1.RDFCfliWR-罷PL5i<iC5CFLWC5BFLWC5AFL2/T5FL1J1CP5FLWCP4fbsjMso用armFfi2jMOSlfl^aMT2PB1SCK^CINT1FfflSSPCHTD-21qq_Lli^2L二q_as：_aiqq_3Q-_±L亠亠亠_fi￡二^RDLINOhEGA2EEDfi：圖5.6ArduinoMega2560接口圖-+12V-A：U'IMW<TEXT>.圖5.7抹布轉(zhuǎn)動(dòng)軸仿真電路圖5.8主動(dòng)輪電機(jī)仿真電路LCD1vmn.U3iTEKTi圖5.10顯示屏仿真電路圖5.11電量監(jiān)控分壓輸入仿真電路vmn.U3iTEKTi圖5.10顯示屏仿真電路圖5.11電量監(jiān)控分壓輸入仿真電路將電路中所有仿真模塊都繪制完成后將文件發(fā)給軟件設(shè)計(jì)的同學(xué)輸入程序進(jìn)行軟硬件結(jié)合仿真測試，測試結(jié)果和設(shè)置如圖5.12至圖5.16所示。圖5.12為抹布驅(qū)動(dòng)軸仿真測試結(jié)果，輸入PWM信號(hào)波之后步進(jìn)電機(jī)能進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，符合設(shè)計(jì)結(jié)果；圖5.13為激勵(lì)源信號(hào)的設(shè)置，來對(duì)超聲波傳感器進(jìn)行輸入信號(hào)的仿真，通過改變占空比來改變模擬距離的變化；示波器顯示結(jié)果如圖5.14所示，上面的線代表Trig，當(dāng)其發(fā)出一個(gè)不小于10us的高電平時(shí)就觸發(fā)傳感器發(fā)出一定頻率的超聲波，下面的線代表Echo的接收信號(hào)，當(dāng)傳感器發(fā)出超聲波信號(hào)時(shí)Ech。置于高電平，直至接受到返回信號(hào)才變?yōu)榈碗妶D圖5.13激勵(lì)源信號(hào)設(shè)置圖圖圖5.13激勵(lì)源信號(hào)設(shè)置圖平，