某智能家居機器人的硬件選型和設計案例概述 1第1章硬件選型 1 1 11.1.2常見微處理器MCU的分析比較 21.1.3圖像處理平臺OPENMV介紹 21.1.4主控制器K60介紹 31.2測距傳感器選型 41.2.1夏普GP2Y0A21紅外傳感器簡介 41.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型 4 5 52.1電源穩(wěn)壓電路 62.1.1LM2940-5V供電電路 62.1.1AMS1117-1.3V供電電路 72.2BTN7960H橋電機驅動電路 81.1微處理器MCU選型1.1.1設計需求選擇控制器時需要注意以下問題：(1)因為物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的接收和所需要處理數(shù)據(jù)量較大，所以最好使用多個控制器共同協(xié)作來完成控制任務，其中規(guī)定主控制器來完成各類信息的匯總和智能家居機器人的運動控制，因為圖像數(shù)據(jù)量比較龐大且內(nèi)容較復雜，所以需要選擇一款適合的副控制器專門負責用來處理圖像信息，得到處理結果后將其發(fā)送至主控制器。(2)因為整個過程中多個控制器與模塊之間要進行相互通信，所以要求處于通信節(jié)點的控制器具有多個通訊接口，方便實現(xiàn)各類傳感器模塊信息的接受。(3)因為本設計要求機器人具有一定的機動運行能力，所以要求主控制器具備多個基本的定時器，具備PWM,GPIO等電主流用來做機器視覺的編程語言有Python、c++等高級匯編語言，所以選擇的1.1.2常見微處理器MCU的分析比較月前市面上主流的CPU架構主要有X86-64和ARM架構.前者主要應用干桌面PC、服務器以及一些工業(yè)控制領域，雖然此架構相對于后者穩(wěn)定性和計算成本相對于后者也高出不少，因此這里主要考慮采用ARM架構的微控制器來完ARM架構處理器廣泛應用于嵌入式系統(tǒng)的設計，具有32位和64位設計兩等等優(yōu)點，使得此架構的控制器被廣泛應用于便攜式設備(如MP5,智能手機，智能手表等各類智能化便攜設備)、電腦外設(如常用的鼠標鍵盤，遙控器，交換機),各類常見硬盤等等，平時嵌入式設計工作中常常使用的STM32F103單片機便屬于Cortex-M3架構。STM32F103單片機主頻為72Mhz,足以適配此任務任務，我們選擇搭載攝像頭OV7225的視覺開發(fā)平臺OPENMV。至于信息中介善，這里最終確定下了使用K60單片實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)搭建和機器運動控制的OPENMV是一款開源、功能強大、價格比較低的機器視覺模塊。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備、機器人的視覺處理中心，其生產(chǎn)商用C語言搭建了一些算法庫，其中包含了當前機器視覺領域的大多核心機器視覺算法，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，使用者只需要進行相關接□函數(shù)的簡單學習和對相關算法的簡要了解就可以進行視覺方面的開發(fā)工作。-nKinetis60系列處理器是基于ARMCortex-M4、具有超強的可擴展性的低功耗混合信號微處理器。這一些系列處理器是ARM為適應數(shù)字信號市場而專門開發(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)部接口采用哈佛結構，有獨立的指令系統(tǒng)和數(shù)據(jù)總線，指令操作和數(shù)據(jù)訪問可以同時進行。另外，Kinetis60核心板主頻為100Mhz,具有144根外接引腳，具有OLED/藍牙接口，足以滿足本智常見的測距傳感器有超聲波測距傳感器HC-SR04、紅外測距傳感器GP2Y0A21、雙目攝像頭等，由于超聲波測距傳感器HC-SR04測距過程中，存重的資源浪費，所以這里最終采用了紅外測距傳感器夏普GY2YOA21模塊來測夏普GP2Y0A21距離測量傳感器是一種基于PSD原理的微型距離傳感器。它的測量范圍較長，能達到1m左右，測量角度也能滿足我們的設計要求，能達到50°左右，另外經(jīng)過查閱它的技術文檔，他在50cm之內(nèi)距離與模擬輸出電壓之間的線性關系較好，我們只需要利用單片機的ADC1.3物聯(lián)網(wǎng)通訊模塊選型常見的IOT(物聯(lián)網(wǎng))模塊有無線通訊模塊ATK-ESP8266、無線模塊NRF24L01、無線數(shù)透模塊ATK-M751等，但考慮到ATK-ESP8266提供免費云所以這里最終確定使用ATK-ESP8266來進行物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)通訊。1.1.1ATK-ESP8266通訊模塊簡介ATK-ESP8266是一款超低功耗的無線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，使用和操作過程比較簡單，只需要對它進行簡單的串口指令發(fā)送，就能夠對其模式進行選擇和控制。另外這款產(chǎn)品能與原子云服務器兼容，如果要用這款產(chǎn)品進行物聯(lián)網(wǎng)通信的任務，可以直接使用廠家提供的云服務器服務，省去了自己搭建云服務器的繁瑣工作。其他的一些基本參數(shù)，可以參考圖1.2.通信接口第2章硬件電路設計智能管家機器人硬件電路主要由電源穩(wěn)壓模塊、電機驅動模塊、單片機最小系統(tǒng)等組成，出于電池體積、重量、容量的考慮，這里整個系統(tǒng)的供電來源選用型號為格氏7.4V的航模電池，電池容量為1800mah。其中上述的幾個硬件電路模塊中，電源穩(wěn)壓模塊負責將7.4V電池電壓降壓到MCU正常工作的1.3V和供紅外測距模塊、ATK-ESP8266無線模塊等正常工作的5V;電機驅動模塊負責放大控制信號，從而實現(xiàn)對電機的轉速、轉向的控制。25C圖2.1格氏電池實物圖塊圖2.2智能管家機器人供電方案根據(jù)各模塊穩(wěn)定工作的正常電壓要求及執(zhí)行機構的額定電壓要求，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c431OPENMV平臺和ATK-ESP8266分別是整個系統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)處理的“大腦”和用于各設備端通訊的“橋梁”,所以能否為這兩部分提供穩(wěn)定的5V電壓直接決電的場合。其最大輸出電流為1A,工作時最大壓差僅為0.5V,5.1V供電即可正2.1.1AMS1117-1.3V供電電路寸鉭電容C10鉭電容鉭電容314231智能家居機器人的運動控制器K60的供電電壓范圍在1.3V~5V之內(nèi)，但在實驗過程中發(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的電壓來向控制器K60供電?？紤]到控制器額定工作電流在0~50mA內(nèi)，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、過熱切斷的功能，最大輸出電流達800mA?,完全符合以上三個模塊的供電需求。其典型應用電路如圖2.3所示，輸出端使用10uF鉭電容可以改善芯片的舒坦效應和輸出穩(wěn)定性。智能家居機器人采用大功率碳刷直流電機RS540為驅動動力，目前大功率直流電機大多采用達林頓管或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，另外當控制電壓急劇變化時MOS管比較容易燒損，再查閱相關方案后，最終選用了大電流半橋驅動芯片BTN7960來搭建H橋驅動電路，因為芯片穩(wěn)定性高，而且元件體積比較小，更能滿足本設計需求，其中H橋驅動方案的電路原理圖見圖2.4。?NNNN0805電阻值得注意的