某智能家居機(jī)器人的硬件選型和設(shè)計(jì)案例概述目錄TOC\o"1-3"\h\u2752某智能家居機(jī)器人的硬件選型和設(shè)計(jì)案例概述 125402第1章硬件選型 130961.1微處理器MCU選型 182061.1.1設(shè)計(jì)需求 120921.1.2常見微處理器MCU的分析比較 2135061.1.3圖像處理平臺(tái)OPENMV介紹 2198041.1.4主控制器K60介紹 32361.2測(cè)距傳感器選型 494271.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡(jiǎn)介 464761.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型 419281.1.1ATK-ESP8266通訊模塊簡(jiǎn)介 421835第2章硬件電路設(shè)計(jì) 5287492.1電源穩(wěn)壓電路 6269702.1.1LM2940-5V供電電路 6233312.1.1AMS1117-1.3V供電電路 7321032.2BTN7960H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 8第1章硬件選型1.1微處理器MCU選型1.1.1設(shè)計(jì)需求選擇控制器時(shí)需要注意以下問(wèn)題：（1）因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接收和所需要處理數(shù)據(jù)量較大，所以最好使用多個(gè)控制器共同協(xié)作來(lái)完成控制任務(wù)，其中規(guī)定主控制器來(lái)完成各類信息的匯總和智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制，因?yàn)閳D像數(shù)據(jù)量比較龐大且內(nèi)容較復(fù)雜，所以需要選擇一款適合的副控制器專門負(fù)責(zé)用來(lái)處理圖像信息，得到處理結(jié)果后將其發(fā)送至主控制器。（2）因?yàn)檎麄€(gè)過(guò)程中多個(gè)控制器與模塊之間要進(jìn)行相互通信，所以要求處于通信節(jié)點(diǎn)的控制器具有多個(gè)通訊接口，方便實(shí)現(xiàn)各類傳感器模塊信息的接受。（3）因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)要求機(jī)器人具有一定的機(jī)動(dòng)運(yùn)行能力，所以要求主控制器具備多個(gè)基本的定時(shí)器，具備PWM，GPIO等電流信號(hào)輸出的驅(qū)動(dòng)能力；副控制器要方便連接攝像頭并方便處理圖像信息，當(dāng)前主流用來(lái)做機(jī)器視覺(jué)的編程語(yǔ)言有Python、c++等高級(jí)匯編語(yǔ)言，所以選擇的MCU開發(fā)平臺(tái)最好支持Python和C++語(yǔ)言進(jìn)行開發(fā)。1.1.2常見微處理器MCU的分析比較目前市面上主流的CPU架構(gòu)主要有X86-64和ARM架構(gòu)，前者主要應(yīng)用于桌面PC、服務(wù)器以及一些工業(yè)控制領(lǐng)域，雖然此架構(gòu)相對(duì)于后者穩(wěn)定性和計(jì)算性能相對(duì)較好，但是工作時(shí)其功耗發(fā)熱也相對(duì)較嚴(yán)重，體積也比較大，另外采購(gòu)成本相對(duì)于后者也高出不少，因此這里主要考慮采用ARM架構(gòu)的微控制器來(lái)完成相關(guān)的任務(wù)。ARM架構(gòu)處理器廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，具有32位和64位設(shè)計(jì)兩種類型，其主要具有低功耗，體積較小、發(fā)熱問(wèn)題相對(duì)較小、采購(gòu)價(jià)格相對(duì)較低等等優(yōu)點(diǎn)，使得此架構(gòu)的控制器被廣泛應(yīng)用于便攜式設(shè)備（如MP5，智能手機(jī)，智能手表等各類智能化便攜設(shè)備）、電腦外設(shè)（如常用的鼠標(biāo)鍵盤，遙控器，交換機(jī)），各類常見硬盤等等，平時(shí)嵌入式設(shè)計(jì)工作中常常使用的STM32F103單片機(jī)便屬于Cortex-M3架構(gòu)。STM32F103單片機(jī)主頻為72Mhz，足以適配此任務(wù)中圖像信息處理的開發(fā)需要，OPENMV是一款核心處理器為STM32F103單片機(jī)，另外其生產(chǎn)商開發(fā)了較完善的使用庫(kù)和一些開發(fā)說(shuō)明，所以這里有關(guān)圖像處理的任務(wù)，我們選擇搭載攝像頭OV7225的視覺(jué)開發(fā)平臺(tái)OPENMV。至于信息中介站和機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制方面任務(wù)的主控制器的確定，這里選用K60單片機(jī)，因?yàn)镵60單片機(jī)運(yùn)算能力較快且價(jià)格較低，另外在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)K60單片機(jī)使用人數(shù)較多，方便一些問(wèn)題的交流和解決，再加上功能引腳較多的特點(diǎn)，庫(kù)開發(fā)和構(gòu)建相對(duì)完善，這里最終確定下了使用K60單片實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)搭建和機(jī)器運(yùn)動(dòng)控制的任務(wù)。1.1.3圖像處理平臺(tái)OPENMV介紹圖1.1OPENMV實(shí)物圖OPENMV是一款開源、功能強(qiáng)大、價(jià)格比較低的機(jī)器視覺(jué)模塊。其中這款模塊以STM32F76CPU為核心處理器，硬件電路上集成了OV7725攝像頭芯片，十分適合作為一些嵌入式設(shè)備、機(jī)器人的視覺(jué)處理中心，其生產(chǎn)商用C語(yǔ)言搭建了一些算法庫(kù)，其中包含了當(dāng)前機(jī)器視覺(jué)領(lǐng)域的大多核心機(jī)器視覺(jué)算法，并提供了PYTHON的編程接口方便使用者更高效地完成開發(fā)任務(wù)，使用者只需要進(jìn)行相關(guān)接口函數(shù)的簡(jiǎn)單學(xué)習(xí)和對(duì)相關(guān)算法的簡(jiǎn)要了解就可以進(jìn)行視覺(jué)方面的開發(fā)工作。圖1.2OPENMV引腳功能圖1.1.4主控制器K60介紹圖1.3K60處理器實(shí)物圖Kinetis60系列處理器是基于ARMCortex－M4、具有超強(qiáng)的可擴(kuò)展性的低功耗混合信號(hào)微處理器。這一些系列處理器是ARM為適應(yīng)數(shù)字信號(hào)市場(chǎng)而專門開發(fā)的最新嵌入式處理器，具有高效易用的控制信號(hào)處理功能。Cortex－M4處理器內(nèi)核，內(nèi)部數(shù)據(jù)通道、內(nèi)存均為32位，內(nèi)部接口采用哈佛結(jié)構(gòu)，有獨(dú)立的指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線，指令操作和數(shù)據(jù)訪問(wèn)可以同時(shí)進(jìn)行。另外，Kinetis60核心板主頻為100Mhz，具有144根外接引腳，具有OLED/藍(lán)牙接口，足以滿足本智能家居機(jī)器人的需要。1.2測(cè)距傳感器選型常見的測(cè)距傳感器有超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04、紅外測(cè)距傳感器GP2Y0A21、雙目攝像頭等，由于超聲波測(cè)距傳感器HC-SR04測(cè)距過(guò)程中，存在一定延時(shí)時(shí)間，會(huì)對(duì)機(jī)器人的測(cè)距精度和控制方案造成一定影響，雙目攝像頭價(jià)格較為高昂，再加上雙目攝像頭的性能在這里并不能充分被利用，這會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)，所以這里最終采用了紅外測(cè)距傳感器夏普GY2Y0A21模塊來(lái)測(cè)量距離的方案。1.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡(jiǎn)介圖1.4夏普GP2Y0A21紅外傳感器實(shí)物圖夏普GP2Y0A21距離測(cè)量傳感器是一種基于PSD原理的微型距離傳感器。它的測(cè)量范圍較長(zhǎng)，能達(dá)到1m左右，測(cè)量角度也能滿足我們的設(shè)計(jì)要求，能達(dá)到50°左右，另外經(jīng)過(guò)查閱它的技術(shù)文檔，他在50cm之內(nèi)距離與模擬輸出電壓之間的線性關(guān)系較好，我們只需要利用單片機(jī)的ADC電壓采集功能，就能比較簡(jiǎn)便的采集到這一模塊的模擬電壓輸出，然后根據(jù)線性關(guān)系，就能比較方便的推測(cè)出當(dāng)前智能管家機(jī)器人距離障礙物的距離。1.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型常見的IOT（物聯(lián)網(wǎng)）模塊有無(wú)線通訊模塊ATK-ESP8266、無(wú)線模塊NRF24L01、無(wú)線數(shù)透模塊ATK-M751等，但考慮到ATK-ESP8266提供免費(fèi)云服務(wù)器，不必自己再搭建云服務(wù)器，直接可以免費(fèi)使用其數(shù)據(jù)的云存儲(chǔ)功能。另外，ATK-ESP8266模塊使用用戶較多且成本較低，方便資料查詢和進(jìn)行開發(fā)，所以這里最終確定使用ATK-ESP8266來(lái)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通訊。1.1.1ATK-ESP8266通訊模塊簡(jiǎn)介圖1.4ATK-ESP8266模塊實(shí)物圖ATK-ESP8266是一款超低功耗的無(wú)線wifi通信模塊，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，兼容1.3V和5.0V供電的單片機(jī)，使用和操作過(guò)程比較簡(jiǎn)單，只需要對(duì)它進(jìn)行簡(jiǎn)單的串口指令發(fā)送，就能夠?qū)ζ淠Ｊ竭M(jìn)行選擇和控制。另外這款產(chǎn)品能與原子云服務(wù)器兼容，如果要用這款產(chǎn)品進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)通信的任務(wù)，可以直接使用廠家提供的云服務(wù)器服務(wù)，省去了自己搭建云服務(wù)器的繁瑣工作。其他的一些基本參數(shù)，可以參考圖1.2.圖1.4ATK-ESP8266基本參數(shù)第2章硬件電路設(shè)計(jì)智能管家機(jī)器人硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)等組成，出于電池體積、重量、容量的考慮，這里整個(gè)系統(tǒng)的供電來(lái)源選用型號(hào)為格氏7.4V的航模電池，電池容量為1800mah。其中上述的幾個(gè)硬件電路模塊中，電源穩(wěn)壓模塊負(fù)責(zé)將7.4V電池電壓降壓到MCU正常工作的1.3V和供紅外測(cè)距模塊、ATK-ESP8266無(wú)線模塊等正常工作的5V；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊負(fù)責(zé)放大控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向的控制。圖2.1格氏電池實(shí)物圖2.1電源穩(wěn)壓電路圖2.2智能管家機(jī)器人供電方案智能家居機(jī)器人供電來(lái)源為容量為1800mAh、額定電壓為7.4V的航模電池，根據(jù)各模塊穩(wěn)定工作的正常電壓要求及執(zhí)行機(jī)構(gòu)的額定電壓要求，系統(tǒng)要提供5V和1.3V的穩(wěn)定電壓，為了滿足系統(tǒng)的兩種供電電壓穩(wěn)定，基于成本、和各模塊功耗的計(jì)算分析，本文最終選擇了采用LD0器件穩(wěn)壓的方案，分別為電壓信號(hào)LM2904-5V和AMS117-1.3V兩種穩(wěn)壓芯片,系統(tǒng)供電方案如圖所示。2.1.1LM2940-5V供電電路圖2.3LM2940-5v穩(wěn)壓電路OPENMV平臺(tái)和ATK-ESP8266分別是整個(gè)系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理的“大腦”和用于各設(shè)備端通訊的“橋梁”，所以能否為這兩部分提供穩(wěn)定的5V電壓直接決定著整個(gè)控制過(guò)程的運(yùn)行性能高低。在考慮了驅(qū)動(dòng)電機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可能會(huì)引起電池壓降，這里選擇了一種低壓壓降穩(wěn)定芯片，為電池電壓變動(dòng)提供了足夠的裕量，從而保證5V電壓的穩(wěn)定輸出。另外，因?yàn)橹悄芗揖訖C(jī)器人系統(tǒng)內(nèi)包含多個(gè)模塊，所以還要求所使用的穩(wěn)壓芯片具有足夠大的電流輸出，這里最終決定選用滿足需求的LM2940進(jìn)行穩(wěn)壓降壓。LM2940是一款串聯(lián)型線性穩(wěn)壓芯片，具有波紋小、外圍電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)壓線性度較好的優(yōu)點(diǎn)，另外，其內(nèi)部還集成了過(guò)熱、過(guò)壓保護(hù)電路，適合電池供電的場(chǎng)合。其最大輸出電流為1A，工作時(shí)最大壓差僅為0.5V，5.1V供電即可正常工作，適合作為智能家居機(jī)器人的穩(wěn)壓模塊[4]。2.1.1AMS1117-1.3V供電電路圖2.3AMS1117-1.3V穩(wěn)壓電路智能家居機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制器K60的供電電壓范圍在1.3V~5V之內(nèi)，但在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)5V供電很容易燒壞控制器K60，所以最后確定在硬件中選用1.3V的電壓來(lái)向控制器K60供電?？紤]到控制器額定工作電流在0~50mA內(nèi)，對(duì)輸出電流的要求并不高，因此本文選用低功耗的穩(wěn)壓芯片AMS1117接5V輸入的方案。AMS1117是一款正向低壓差穩(wěn)壓芯片，輸出電壓精度在±1%以內(nèi)，并且具有限流、過(guò)熱切斷的功能，最大輸出電流達(dá)800mA[5],完全符合以上三個(gè)模塊的供電需求。其典型應(yīng)用電路如圖2.3所示，輸出端使用10uF鉭電容可以改善芯片的舒坦效應(yīng)和輸出穩(wěn)定性。2.2BTN7960H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖2.4BTN7960H橋驅(qū)動(dòng)電路智能家居機(jī)器人采用大功率碳刷直流電機(jī)RS540為驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，目前大功率直流電機(jī)大多采用達(dá)林頓管或MOS管搭制H橋，并使用PWM脈寬調(diào)制的控制方式，但是這種方法的缺陷是元件的體積較大，另外當(dāng)控制電壓急劇變化時(shí)MOS管比較容易燒損，再查閱相關(guān)方案后，最終選用了大電流半橋驅(qū)動(dòng)芯片BTN7960來(lái)搭建H橋驅(qū)動(dòng)電路，因?yàn)樾酒€(wěn)