清洁机器人系统设计 - 图文(5)

其工作原理是：

L298N内部集成了两个由四只NPN型三极管组成的H桥电路（A、B）。ENA与内部编号为“1”的与门相连和其下面的与门相连。ENA常处于高电位（5V）。信号输入端IN1直接与“1”与门相连与“1”与门下方的与门取反后相连。当从IN1输入高电位时“1”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截止，OUT1端口输出高电平。信号输入端IN2直接与“2”与门相连与“2”与门下方的与门取反后相连。当从IN2输入高电位时“2”与门输出高电平，它下面的与门输出低电平，故处于上面的三极管导通下面的一只截止，OUT2端口输出高电平。同理当IN1与IN2分别输入低电平时OUT1与OUT2分别输出低电平。在这两种情况之下由于OUT1与OUT2的点位相同故不能驱动电机转动。只有当IN1、IN2其中一个输入高电平另一个输入低电平信号时才能驱动电机转动且IN1、IN2的高低还可控制电机的正反转（即IN1=H、IN2=L与IN1=L、IN2=H驱动电机的转动方向是相反的）。IN3、IN4、OUT3、OUT4与IN1、IN2、OUT1、OUT2的原理完全相同。 3.4 左右轮驱动电机电路设计

图3.5是本模块设计的电路原理图，整个模块由两部分组成，分别为L298N

16

和保护电路部分。

以下是对保护电路部分的介绍：

如图J1和J2是两个输出端口是接电机线圈，势必就会产生反电势，对L298N 形成冲击，易造成损坏，特别是对于大于电源电压和负电压更容易损坏L298N，所以在每根线上都加上2个二极管1N4007进行保护。工作过程是这样：当反电势为正，超过电源+0.7V时，下端二极管导通，这样输出线就被限位在电源电压+0.7V 上，不会超过这个数值（对电源充电）。当反电势为负，低于-0.7V时，上端二极管导通，这样输出线就被限位在-0.7V上，不会低于-0.7V了。这两个二极管是作为箝位使用，使得输出线上电压（或叫电位）被箝位在-0.7V~+Vcc+0.7V之间。保护电路部分的主要构成为八只1N4007整流二极管组成。

1N4007主要具有以下特性： (1)较强的正向浪涌承受能力为30A； (2)最大正向平均整流电流为1A； (3)最高的反向耐压为1000V；

(4)较低的反向漏电流，为5uA（最大值）； (5)正向导通压降为1V。

因为这种二极管具有高耐压、高承受电流、低反向电流等特性而且它价格便宜容易得到，因此采用它来搭建保护电路。 3.5 清洁机构电机驱动电路

清洁机构的边刷电机和吸尘电机都是由继电器驱动的，单片机的I/O口只需给出一个控制信号，经三极管放大后驱动继电器，常开端口闭合就可以驱动电机工作。具体电路见图3.6所示，此种驱动方式简单实用。

17

因为清扫电机和吸尘电机并不需要对速度进行控制，同时也不需要经常的停启。故将模块的输入端口接一个低电平电压（电源地）来控制继电器吸和就行。 3.6 红外传感器

3.6.1 红外避障传感器模块

该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，绿色指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围2～30cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。其电路原理图如图3.7所示：

图3.7 红外传感器避障模块电路

18

3.6.2 红外台阶检测传感器

红外台阶检测使用集成的红外传感器，如图3.8所示。当传感器前方没有物体时，其输出高电平，有物体时输出为低电平。使用时不需要再外接元件，只需要给其提供+5V的电源就可以工作，但有效检测距离较近，比较适用于机器人地盘用于台阶的检测。

机器人地盘上在前进方向共使用了两个集成的红外传感器，分别安装在两个驱动轮的前端，这样只要其中任意一个传感器检测不到地面（遇到有台阶情况），输出即为高电平，单片机检测到这个高电平就立即停止前进，防止跌落。 3.7 碰撞传感器

在实际应用中，红外避障传感器探测的范围存在盲区，因此在机器人前端设计了一个约120度的碰撞板。在碰撞板的左右两侧各装有一个碰撞传感器，考虑到要求的可靠性高，所以采用机械式的碰撞传感器，其原理就是一个行程开关，外形和引脚如图3.9所示。当没有发生碰撞时，输出为高电平；发生碰撞时，输出信号为高电平。这样就达到了对碰撞的检测。

19

4 脉冲调制技术

4.1 PWM技术原理

脉冲宽度调制（PWM）是一种通过利用一系列脉冲的宽度对信号进行控制的技术，目的是为了等效地获得所要求的波形，包括频率和幅值，实现了对模拟信号电平进行数字编码。其实现方式主要是通过使用高分辨率计数器，调制方波的占空比或者频率来完成非一个具体模拟信号的控制。

PWM控制技术是随着全控型电子产品的出现和快速发展，才得到真正的广泛应用，技术也越来越成熟。最常见的应用是在逆变电路中，获得了空前的发展，常见的方法可以总结为8种：等脉宽PWM法、SPWM法、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM法等等。本课题采用的方法是目前使用广泛的SPWM法，实现方案多，技术比较成熟，容易控制模拟信号。

SPWM法是根据PWM控制技术的中的一个重要的理论为基础，即把冲量相等而形状不同的窄脉冲加在同一惯性环节上时，其输出会达到相同的效果，对应的波形基本重合，达到同步的控制效果。实验结果证明窄脉冲在冲量相同，形状不同时输出的波形傅立叶分析，在低频率基本重合，只在高频率是有所差异。图4.1中的A、B、C表示是三种形状不同但是面积相同的窄脉冲，即冲量都等于1，但是A代表矩形脉冲，B代表三角形脉冲，C代表正弦半波脉冲，图中D的窄脉冲设置为单位脉冲函数?(t)。

图4.1

不同形状的窄脉冲

当它们分别加在具有惯性的同一环节上时，其输出响应波形如图4.2所示。它们输出波形尽管在高频率的时候有所不同，但在低频率的时候是重合的，其效果是基本相同的。适合用于哪些载波频率工作在较低频率场合的系统。

20

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说教育文库清洁机器人系统设计 - 图文(5)在线全文阅读。