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前面已完成了控制部分中的电机驱动器设计,以下着手轨迹采样及逻辑控制部分的硬件设计。
5.4 轨迹采样及逻辑控制部分硬件设计 5.4.1 设计背景 轨迹采样部分没有考虑采用独立方式,主要是因为控制过程中需要一些过渡信息,以便于编程者实现自己独特的控制逻辑。 由于寻迹小车逻辑不太复杂,而且项目主要目的是引导初学者入门,所以逻辑控制仍使用STC12C410AD单片机。实际上电机控制部分目前并未用到AD功能,主要是为了和逻辑控制部分统一,便于采购,所以均选用了带AD的芯片(对应有不带AD的,价格只便宜1元)。 同时,为了逻辑控制部分可以单独工作,比如作为RCX的输入扩展器,实现类似我以前发表过的“LEGO用轨迹传感器”的功能,所以在设计上做了考虑。 由于采样部分和逻辑控制部分合并后,无法排入一块可以放在前述小机壳中的PCB,所以也采用的双板结构,这样又多出一部分空间,就增加了一个小电流的驱动电路,以便可以实现一个简易的小车。 5.4.2 需求 1)采集4路反射式光电采样器;5.4.3 概要设计 采用STC12C54xxAD系列单片机作为控制核心,控制、采集4路采样电路,采样电路中设计了背景光去除功能。 电源设计了从1V升压到5V的电路,以便于为扩充的输入器件供电,如GP2D12。而后再经3.3 V稳压器降压作为MCU的电源。这样设计使用1 - 2节7号或5号电池就可以工作,体积大大缩小。 电机驱动部分设计提供最大1A的驱动能力,电机的工作电压可变,以满足不同电机的需要。 5.4.4详细硬件设计 STC12C54xxAD系列单片机有8路10位AD转换器,虽说采用的是扫描方式逐个完成,但其一个通道的A/D转换时间在22.1184MHz 主频下只需约10us,加上通道间的切换时间,4个通道采样时间不到60us,所以可以满足4通道轨迹采样的要求。由于P1.0、P1.1 有可能要作为ISP编程的控制引脚,所以用P1.4 – P1.7 四个通道作为轨迹采样通道。 MCU资源分配汇总:采样电路中第一级作为电压跟随器,提高输入阻抗,减少后级电路对光电管的影响,同时增加驱动能力,保证在Tx1截止、Tx2导通状态下,能可靠的对Cx1充电,实现对背景光强度的记忆。 第二级是一个减法器,同时兼作放大。采样时,Tx1导通,点亮LED,Tx2 截止,第二级的输入实际上为此时的光电信号减去刚才电容上记忆的信号,达到了去除背景光的目的。 PCA1 设计为DA输出用的PWM,以提供RCX输入所需的模拟信号,由于单片机采用的是3.3 V电源,输出使用LMV358做了电平转换,同时使用一个全桥电路实现与RCX的“无极性”连接。为了降低二极管带来的电压损失,使用了4个肖特基二极管,其正向压降约为0.15V,而普通整流管约为0.6V。 电源采用NCP1402开关型升压芯片,所需器件较少,电路简单,输出电流约200 mA(详查NCP1402手册)。 电机驱动部分使用的是长电的SS8050和SS8550作为功率驱动,标称最大电流1.5A。为了便于使用不同的电压驱动电机,电路上将电机驱动电压分开,其中的电阻值需要根据所使用的电压确定。由于空间有限,没有设计短路防护,在编程时要十分注意。而且只设计了H桥下臂的两个二极管,作为PWM调功必须的续流通路,省去了上臂的保护二极管,所以在软件编写时须注意,尽量避免同时切断所有桥臂,导致电机线圈产生高压,击穿三极管。 发光二极管的设置主要是为了便于监测程序的运行状态,可以根据需要改变LED闪烁的方式,达到调试或状态检测的目的。 电路设计上为了便于作为其他用途,PCB上留出了可以扩充的I/O口,包括: 1)4路可作为模拟输入的I/O口,接内部A/D转换器;为了增加灵活性、减小PCB,仍然采用软线引出,使用空中对接插头连接(插头资料见之二的附件),这样可以方便的按照自己的需要接出所需的信号,而不会受制于直接设计在PCB上的插座的约束。 从PCB的设计上可以看出,如果需要更复杂可靠的轨迹采样,可以再接一块采样板,使用保留的4路A/D通道,实现8个轨迹采样或者其他特殊的需求。 5.5 硬件设计总结 至此,控制硬件设计基本完成,综观上述设计,尤其是PCB的设计,应当可以看出,整个设计的宗旨均贯穿着这样的理念: 1)便于灵活的组合,以达到不同的目的,满足不同的需求;硬件设计到此为止,在实施中也许会做适当改进。 (未完待续) 附件: 1)
电原理图、PCB、元器件清单.rar
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参考资料: 1)NCP1402 数据手册 2)《电动机的单片机控制》王晓明编著 北京航空航天大学出版社 |
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