嵌入式系统的智能扫地智能车机器人锂电池充电

（一）系统功能设计 STM32单片机智能扫地智能车机器人锂电池充电73 本系统由STM32F103C8T6单片机核心板、2路红外避障模块、2路按键、风扇驱动、电机驱动、升压模块、锂电池充电模块及电池盒供电组成。 1、按下启动按键后，小车启动，同时，风扇转动吸尘；按下停止按键后，小车停止转动，同时，风扇停止转动。 2、小车在运行过程中，左侧的红外避障传感器模块检测到有障碍物，则右拐；右侧的红外避障传感器模块检测到有障碍物，则左拐；如果任何一边的红外避障传感器模块检测到障碍物超过一定时间（小车可能走不动了），则小车后退然后旋转调头。 注意：小车运行时地面不要过于光滑，防止轮子打滑。 （二）系统硬件系统分析设计 1、STM32单片机核心电路设计 STM32系列处理器是意法半导体ST公司生产的一种基于ARM 7架构的32位、支持实时仿真和跟踪的微控制器。选择此款控制芯片是因为本系统设计并非追求成本的最低或更小的功耗，而是在实现本设计功能的前提下能够提供更丰富的接口和功能以便于设计实验系统各实验项目所需的外围扩展电路。此款控制芯片在完成单片机课程的学习后上手较为容易，在医疗器械中应用广泛，具有很好的学习、实验研究价值。 一、STM32的主要优点： （1）使用ARM最新的、先进架构的Cortex-M3内核 （2） 优异的实时性能 （3） 杰出的功耗控制 （4） 出众及创新的外设 （5） 最大程度的集成整合 （6） 易于开发，可使产品快速将进入市场 二、STM32——最佳的平台选项 对于使用同一平台进行多个项目开发而言，STM32是最 佳的选择： （1） 从仅需少量的存储空间和管脚应用到需要更多的存储空间和管脚的应用 （2） 从苛求性能的应用到电池供电的应用 （3） 从简单而成本敏感的应用到高端应用 （4） 全系列脚对脚、外设及软件的高度兼容性，给您带来全方位的灵活性。您可以在不必修改您原始框架及软件的条件下，将您的应用升级到需要更多存储空间或精简到使用更少存储空间/ 或改用不同的封装的规格。 STM32F103C8T6单片机核心板接口电路图如下图所示。 。 STM32单片机核心板接口原理图 2、HC-SR04超声波避障传感器电路设计 本设计选择的超声波模块为HC-SR04 超声波模块，此本模块性能稳定，测度距离精确。可以提供20-400cm的非接触式距离感测功能，测量精度科大3mm，模块包括超声波发射器、超声波接收器和控制电路。能和国外的SRF05,SRF02等超声波测距模块相媲美。模块高精度，盲区（2cm）超近,稳定的测距是此产品成功走向市场的有力根据！此模块完全谦容GH-311防盗模块。 一、模块主要技术参数： （1）使用电压：DC5V （2）静态电流：小于2mA （3）工作电流：15mA （4）工作频率：40KHZ （5）测量角度：15度 （6）电平输出：高5V （7）电平输出：底0V  （8）探测距离：2cm-450cm （9）高精度：可达0.3cm （10）规格尺寸：45*20*15cm （11）输入触发信号：10uS的TTL脉冲 （12）输出回响信号：输出TTL电平信号，与射程成正比 二、模块接线方式： （1） VCC接5V电源 （2）trig（控制端）接单片机I/O口 （3）echo（接收端）接单片机I/O口 （4）GND接地线   三、注意事项 （1） TRIP引脚是内部上拉10K的电阻，用单片机的IO口拉低TRIP引脚，然后给一个10us以上的脉冲信号。  OUT脚为此模块作为防盗模块时的开关量输出脚，测距模块不用此脚！  （2）模块应先插好在电路板上再通电，避免产生高电平的误动作，如果产生了，重新通电方可解决。  四、超声波模块工作原理： （1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号 （2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回 （3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 （4）测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;    （5）本模块使用方法简单,一个控制口发一个10US以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到移动测量的值。 试验证明HC-SR04 超声波模块性能优越，灵敏度高，满足本设计要求。其模块接口图如下图所示。 超声波模块电路原理图 具体实物图如下图所示。 超声波模块实物图 3、MX1616直流电机驱动模块 该电机驱动模块非常适合在电池供电的智能小车、玩具小车、机器人等上面使用，供电电压2V~10V，可同时驱动两个直流电机或者1个4线2相式步进电机，可实现正反转和调速的功能，每路电流能到1.5A持续电流，峰值电流可达2.5A，有热保护并且能够自动恢复。 一、模块亮点及参数 （1）采用进口原装专业电机驱动芯片，内置低导通内阻MOS开关管，发热极小，无需散热片，体积小，省电。 （2）双路1.5A*2,峰值电流可到2.5A, 内置过热保护电路,不用怕电机堵转烧坏，温度下降后自动恢复 （3）体积小，质量轻，0待机电流 （4）双路H桥电机驱动，可以同时驱动两路直流电机或者1个4线两相式步进电机； （5）模块供电电压2V-10V （6）信号端输入电压1.8-7V （7）单路工作电流1.5A，峰值电流可达2.5A，低待机电流 (小于 0.1uA) （8）内置防共态导通电路，输入端悬空时，电机不会误动作 （9）内置带迟滞效应的过热保护电路 (TSD)，无需担心电机堵转 （10）产品尺寸： 24.7*21*5mm (长宽高)，超小体积，适合组装和车载 （11）安装孔直径：2 mm 注意： （1）电源正极与负极接反肯定会造成电路损坏。  （2）输出对地短路或输出端短路，还有电机堵转的情况下，芯片都会热保护的，但是在接近或者超过10V电压且峰值电流大大超过2.5A的情况下也会造成芯片烧毁。 二、模块实物接口图如下图所示。 模块实物接口图 三、模块驱动真值表。 模块驱动真值表 四、模块接口原理图如下图所示。 模块接口电路原理图 4、USB-5V升压模块电路设计 本USB-5V升压模块为DC-DC升压模块(0.9V~5V)升5V 600MA模块，模块芯片为4X-NXH，也就是HX3001，是一款高效输出、恒定频率、PWM控制的同步高效Dc-Dc升压转换器，器件丝印为4X-NXH，贴片sot23-6脚封装，电路图如下。该器件特点是0.9V低压启动，转换效率最高达94%，中等功率运用，可提供600mA、5V/3.3V输出，常应用于便携播放器等设备中做高效升压。本设计选择DC-DC升压模块实现3.7V锂电池的升压到5V的电压转换。 一、模块参数 （1）本模块采用高性能进口芯片，性能优于一般的模块。 （2）输入0.9V～5V任意直流电压，均可稳定输出5V直流电压，用单节AA电池供电即可输出高达200~300MA的电流，两单节AA电池供电即可输出500～600MA的电流，可为您的手机、相机、单片机及数码产品供电。 （3）工业级温度范围：-40℃---+85℃。 （4）转换效率高，最高达96%。 （5）带USB母座，用途广泛。 （6）超小体积（PCB板25mm*18mm），用安装于各种小型设备里。 （7）带工作指示灯。 二、接口说明 （1）IN+ 输入正极 （2）IN- 输入负极 （3）USB母口 输出5VDC 三、使用说明 （1）本模块USB母口输出5V直流电压，如果需要外接5V电源线，可以直接充USB母口座的5V正极焊盘或者模块正面特定位置电容一端跳线取线。如下图所示。 模块5V跳线取线图 （2）USB-5V升压模块焊接时，可以直接用电源线直接焊接电源输入端，也可以插入单排针焊接后插在PCB板或万用板上。 USB-5V升压模块接口原理图，开关拨下后，升压模块正常工作，将3.3V锂电池电压升压到5V，否则，升压模块不工作。电路中的电容均为滤波电容，让电压更加平稳。如下图所示。 USB-5V升压模块接口原理图 USB-5V升压模块实物图如下图所示。 USB-5V升压模块实物图 5、NEC红外串口通信模块电路设计 红外线是近距离，高速无线通信的一种手段，作为一种近距离，室内通信手段，红外线具有无线电无法比拟的优势。 一、模块参数 （1）供电电压：5V （2）通信方式：串口通信（TTL电平） （3）发射距离：6-10米（实际环境测试8米稳定控制） 二、模块功能说明 （1）具备NEC格式红外发射功能。 （2）具备NEC格式红外编码功能。 （3）带红外发射头扩展接口。 （4）具备串口通信功能，通信电平为TTL。 （5）可控制99%的NEC红外格式设备，包括电视机、电风扇等电子电器设备。 （6）支持NEC 编码芯片：（典型编码芯片如 uPD6121, uPD6122, TC9012 以及众多 的兼容芯片型号，如 PT2221, PT2222, SC6121, SC6122,   SC9012 等等） （7）可作为红外无线数据通信、数据传输、红外控制等功能 三、使用范围 （1）智能家居 （2）学生电子设计 （3）智能工控设备 （4）红外编解码设备 （5）智能小车遥控 四、使用方法 （1）通过串口发送指定的指令进行控制模块发射；通过串口接收方式进行红外编码操作，获取遥控编码信息。 （2）解码：解码时不需要发送任何指令，只需要拿起遥控对准模块的接收头按下，这时模块的串口就输出该红外编码。      （3）编码(发射)：编码时需要根据一定格式发送指令，通过电脑或者单片机串口发送5个字节的指令，就可以将对应编码的红外信号还原出去。 五、模块接口说明如下图所示。 模块接口说明图 模块内部电路图模块接口原理图如下图所示。 传感器接口电路原理图 模块实物图如下图所示。 模块实物图 6、ESP8266WIFI模块电路设计电路设计 ESP8266是一款超低功耗的UART-WiFi 透传模块，拥有业内极富竞争力的封装尺寸和超低能耗技术，专为移动设备和物联网应用设计，可将用户的物理设备连接到Wi-Fi 无线网络上，进行互联网或局域网通信，实现联网功能。 ESP8266封装方式多样，天线可支持板载PCB天线，IPEX接口和邮票孔接口三种形式； ESP8266可广泛应用于智能电网、智能交通、智能家具、手持设备、工业控制等领域。 一、模块特点 （1）支持无线802.11 b/g/n 标准 （2）支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式 （3）内置TCP/IP协议栈，支持多路TCP Client连接 （4）支持丰富的Socket AT指令 （5）支持UART/GPIO数据通信接口 （6）支持Smart Link 智能联网功能 （7）支持远程固件升级（OTA） （8）内置32位MCU，可兼作应用处理器 （9）超低能耗，适合电池供电应用 （10）3.3V 单电源供电 二、ESP8266可以实现的主要功能包括：串口透传，PWM 调控，GPIO控制。 （1）串口透传：数据传输，传输的可靠性好，最大的传输速率为：460800bps。 （2）PWM 调控：灯光调节，三色LED 调节，电机调速等。 （3）GPIO控制：控制开关，继电器等。 三、工作模式 ESP8266模块支持STA/AP/STA+AP 三种工作模式。 （1）STA 模式：ESP8266模块通过路由器连接互联网，手机或电脑通过互联网实现对设备的远程控制。 （2）AP 模式：ESP8266模块作为热点，实现手机或电脑直接与模块通信，实现局域网无线控制。 （3）STA+AP 模式：两种模式的共存模式，即可以通过互联网控制可实现无缝切换，方便操作。 四、应用领域 （1）串口CH340 转Wi-Fi； （2）工业透传DTU； （3）Wi-Fi 远程监控/控制； （4）玩具领域； （5）色LED 控制； （5）消防、安防智能一体化管理； （6）智能卡终端，无线POS 机，Wi-Fi 摄像头，手持设备等。 WiFi模块电路图如下图所示。 WIFI模块电路原理图 WIFI模块实物图如下图所示。 WIFI模块实物图 7、LY蓝牙模块电路设计 蓝牙模块是指集成蓝牙功能的芯片基本电路集合，用于无线网络通讯。本蓝牙模块就是为了只能无线数据传输而专门打造的，本模块支持串行接口，支持SP蓝牙串口协议，具有成本低、体积小、收发灵敏性高等特点，只需配备少许的外围元件就能实现大功能。 一、模块特点 （1）支持蓝牙 SPP 串口协议 （2）内置 PCB 天线 （3）支持 UART 接口 （4）蓝牙 Class 2 （5）数据传输比 BLE 蓝牙快、可达到 8K 每秒以上的速率 （6）支持与 SPP 主蓝牙模块连接通信（JDY-30 为从 SPP 蓝牙模块） （7）支持与电脑 SPP 蓝牙通信 （8）支持 Android 手机 SPP 通信 二、产品应用范围 （1） POS 机 （2）蓝牙打印机 （3）蓝牙玩具 （4）蓝牙高速数据传输产品应用 （5）小家电 （6）汽车电子 三、模块技术参数 （1）工作电压：3.3V-6V （2）工作温度：-40℃-85℃ （3）天线：PCB板载天线 （4）功耗：19mA 四、模块接口说明 （1）RXD 串口输入，电平为TTL电平 （2）TXD 串口输出，电平为TTL电平 （3）GND 接GND （4）VCC 接3.3V-6V 蓝牙模块接口电路图如下图所示。 蓝牙模块电路原理图 蓝牙模块实物图如下图所示。 蓝牙模块实物图 8、5V散热风扇控制电路（高电平有效）设计 散热风扇的工作原理是按能量转化来实现的，即：电能→电磁能→机械能→动能。由于单片机无法直接驱动振动风扇，故选择三极管8050来实现对散热风扇的控制，电阻为限流电阻，限流作用，以保护三极管。当单片机的相关控制引脚为高电平时，三极管导通，风扇正常工作；否则，风扇不转动。其驱动电路的原理图如下图所示。 5V风扇控制电路原理图 9、按键电路设计 轻触按键是按键产品下属的一款分类产品，它其实相当于是一种电子开关，只要轻轻的按下按键就可以是开关接通，松开时是开关就断开连接，实现原理主要是通过轻触按键内部的金属弹片受力弹动来实现接通和断开的。在本系统中，按键作为系统的输入，起到了人机交互的枢纽作用。按键的单片机控制引脚默认为高电平，当按键按下后，单片机的相关引脚则变成低电平。进而实现对系统的手动输入。注意，按键个数可变。其电路原理图如下图所示。 按键电路原理图 10、E18-D80NK红外避障传感器模块电路设计 E18-D80NK-N 这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。有效的避免了可见光的干扰。透镜的使用，也使得这款传感器最远可以检测 80 厘米距离的问题（由于红外光的特性，不同颜色的物体，能探测的最大距离也有不同；白色物体最远，黑色物体最近）。 检测障碍物的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。应用案例：生产线货物自动计数设备、多功能提醒器、走迷宫机器人等。 一、模块参数说明 （1）光感式传感器（光电开关）NPN常开 （2）红色：VCC +；黑色：GND —；黄色：OUT 信号输出。 （3）工作电压：5VDC （4）工作电流：10-15mA （5）驱动电流：100mA （6）感应距离：3-80CM可调 （7）颜色：橙黄色 （8）直径:18MM （9）长度:45MM （10）引线长度:25CM。 （11）消耗电流 DC