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寻迹小车 FollowMe―― 之二:控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计

工程师
2011-03-15 14:34:06    评分
寻迹小车 FollowMe―― 之二:控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计
写于: 星期二 11 七月 @ 09:35:15
 
智能机器人开发下面开始对小车的控制部分硬件进行设计,主要涉及电机的驱动、轨迹采样、逻辑控制三个主要部分。

寻迹小车 FollowMe ―― 之二:控制部分硬件设计概述及电机驱动部分设计

作者:Hanker

前面(请参考:寻迹小车 FollowMe--之一:起因、目标及车体设计)完成了小车结构部分的设计,下面开始对小车的控制部分硬件进行设计,主要涉及电机的驱动、轨迹采样、逻辑控制三个主要部分。

五、控制部分硬件设计 5.1 整体构思

因为这个项目的主要目的是通过实施学习单片机的使用,并且主要是自用而非有针对的参加某项比赛,所以最好所制作的硬件电路能够为进一步学习提供帮助,或者可以作为自己其它项目的实施基础。
为此,我将系统框架设计为:

其中电机驱动、逻辑控制部分均为独立的单片机系统,这样设计主要出于:

  • 单片机已十分便宜,可以像普通IC那样使用;
  • 电机驱动逻辑比较简单,但是实时性要求较高,所以独立出来,编程较为容易,便于初学者上手;
  • 电机驱动部分通常会有较大的干扰,尤其是驱动普通的直流有刷电机,电刷的火花干扰很强,单独使用简单、但抗干扰能力强的单片机可使系统更加可靠;
  • 电机驱动部分独立做成一个模块后可以在以后自己的其它项目上使用,增加投入的附加值,例如作为RCX(乐高的控制器,参考:RCX的三个版本)的大功率电机驱动器;
  • 对于走轨迹项目而言逻辑部分并不十分复杂,完全可以将电机控制部分融入其中,但是这样系统就不容易修改为其它用途,编程难度也增加了,不利于学习;
  • 采用独立的逻辑控制便于学习者掌握构建复杂系统的能力,学会多模块协同工作时如何交换信息、如何协调。目前在控制上利用单独的智能节点完成单一任务,采用通讯方式将这些独立节点组合实现复杂的功能是一个趋势。
  • 采用独立的逻辑控制模块便于学习者随时根据学习需要替换为所要学习的单片机,目前我所采用的可能是51系列的,而日后如需要,可以随时替换为ARM或其它我所关注的型号,这些新的单片机通常都有成品模块出售,具有完善的数字、模拟以及通讯接口,这样设计就十分容易接入,达到学习、评估的目的。
5.2 单片机的选型依据

因为项目的目标是学习单片机的应用,所以我还是选用了51系列的单片机,因为51的架构十分典型,便于初学者理解,同时其公共资源是最多的,便于初学者自学和交流。

选择用于学习的单片机我认为主要考虑以下方面:

  • 价格便宜;
  • 开发手段便宜;
  • 自己动手焊接相对容易(最好不选用BGA封装的,或是脚距小于0.5mm的)

基于上述考虑,我选择了宏晶科技的STC12C5410AD单片机,价格仅10元左右。它可以使用简单的串口编程(ISP),不需要专门的编程设备,自制一个串口适配器最多10元,如果选用现成的USB转串口产品,也只要40-50元(注意:不是每种USB转串口产品都可用)。下载软件厂家免费提供,开发成本很低。封装有SMD及DIP模式,SMD也是1.27mm脚距的,很好焊接。

很多人排斥51系列的原因是认为51资源较少,也比较慢,这实际上是最早的8051给人留下的印象,也是多数教材中所描述的,而实际上51架构已发生了很大变化,其资源已十分丰富,速度也有很大提高,以此款STC12C5410AD来说,其资源为:10K FlashROM ,512字节RAM,8路10位AD,4个PCA(可实现PWM、脉冲捕捉等定时功能),速度也十分快;详情可上该公司的网站上查询。

其它还有许多51架构的单片机具有优异的特性和特点,如:

  • TI的MSC系列具有一个24位AD,十分适合做高精度的仪器;
  • SiliconLAB公司的51F系列单片机速度极快、功耗低、体积小、资源丰富,有各种不同的规格,最快的达100MPS ,引脚还可编程确定功能;
  • ST公司的uPSD3xxx系列,有较大的内存,可以内置汉字库,还集成了片内PLD;
  • Chipcon公司(现归属TI)的CC2430芯片将ZigBee无线通讯协议和51核集成,可构成ZigBee无线节点;
  • Nodic公司的nRF24E1 芯片将2.4GHz的无线收发模块与51核集成,可方便的实现短距离无线通讯。

还有很多类似的产品,此处就不一一例举。主要是想说明,51架构还是有其优势的,否则不会有如此多的公司基于51架构开发出这么多产品。

至于可靠性、性价比等指标在学习时可忽略,设计产品时才需要考虑这些因素。

从另一个角度来说,由于目前编程通常使用C语言,所以对单片机的依附已不十分紧密,只是在设计硬件线路及程序中对硬件初始化时要涉及器件,而程序的逻辑部分几乎与硬件无关,所以选择什么单片机学习没有什么绝对的好与坏,关键看自己可利用的资源。

5.3 电机驱动部分硬件设计

因为考虑到做好后的驱动电路最好可用于其它场合,所以硬件设计上预留了许多功能。而且为了便于在其它场合使用,体积和封装都作了考虑。

5.3.1 需求

  • 可驱动一个直流电机,驱动电压范围 5



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