基于單片機(jī)的四足爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)選型案例目錄TOC\o"1-3"\h\u14918基于單片機(jī)的四足爬行機(jī)器人控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)選型案例 1144691.1驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的選擇 1253171.2單片機(jī)型號(hào)的選擇 143181.3電源的選擇 1272201.4主控芯片的選擇 1132521.5WIFI模塊的選擇 256751.6ESP8266的功能與基本參數(shù) 2128591.6.1ESP8266芯片引腳 3219971.6.2ESESP8266的三種工作模式 5322911.6.3硬件電路設(shè)計(jì) 568671.7充電模塊tp4056 6223341.8自鎖開關(guān) 7131161.9ESP-12E電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板 7208471.10硬件設(shè)計(jì)的軟件介紹 91.1驅(qū)動(dòng)舵機(jī)的選擇舵機(jī)，又名伺服電機(jī)，它主要包括機(jī)殼、電路板、馬達(dá)、減速齒輪和電位器。轉(zhuǎn)向多應(yīng)用于連續(xù)變角和可維持控制系統(tǒng)中，通常用于機(jī)器人的連接關(guān)節(jié)處的控制，由于舵機(jī)轉(zhuǎn)角范圍一般在0~180度之間，可通過電路控制來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)的控制以完成運(yùn)動(dòng)。1.2單片機(jī)型號(hào)的選擇單片機(jī)屬32位處理器，單核處理器ESP8266，運(yùn)?頻率為80MHz。該單片機(jī)有WIFI模塊支持SPI、I2C、UART多種協(xié)議。該單片機(jī)引腳較多，能對(duì)同一個(gè)引腳進(jìn)行多種功能分配，并且它有價(jià)格低廉、性能好、使用效率高的諸多優(yōu)點(diǎn)，并且它能夠滿足設(shè)計(jì)中所需要的各項(xiàng)工作要求一切選用ESP8266為主控芯片對(duì)我機(jī)進(jìn)行控制。1.3電源的選擇由于ESP8266所能承受數(shù)字引腳輸入電壓最高不能大于3.3V模擬引腳可讀電壓0-1V以內(nèi)，故不選用五號(hào)電池，為了達(dá)到其能同時(shí)達(dá)到被usb供電和出門隨身攜帶的目的，便攜式電源。所有采用鋰電池供電方式，電池功率大、供電平穩(wěn)。電路采用內(nèi)部電壓轉(zhuǎn)換和降壓處理的方法.REF_Ref14546\r\h1.4主控芯片的選擇Esp8266（NodeMCU）是一款集成了WIFI功能的MCU開發(fā)板，可以直接連接WIFI。其發(fā)展環(huán)境多元化，是目前最為流行的物聯(lián)網(wǎng)芯片。是一個(gè)成本較低的無線設(shè)備，它適用于TCP，IP，和微控制器。其工作電壓在3V-3.6V之間，其先進(jìn)的前面的速度處理和存儲(chǔ)能力的必要條件。它能方便地與其它電子設(shè)備相連，僅需要最微小的調(diào)節(jié)，而又能放大以適用于其它部件。本裝置占用空間少，便于與有效電路板適配，是一種能較好滿足四足機(jī)器人設(shè)計(jì)所需的芯片。1.5WIFI模塊的選擇WIFI模塊芯片選用ESP8266模塊,ESP8266模塊是樂鑫公司生產(chǎn)的一款物聯(lián)網(wǎng)芯片，為超低功耗UART-WIFI模塊，專門為移動(dòng)設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而開發(fā)，可以把用戶物理設(shè)備接入WIFI無線網(wǎng)絡(luò)，在互聯(lián)網(wǎng)或者局域網(wǎng)中進(jìn)行通訊，從而達(dá)到聯(lián)網(wǎng)的目的，具有性能穩(wěn)定、價(jià)格低廉等特點(diǎn)。該芯片至今已經(jīng)推出了許多不同的型號(hào)，鑒于本次的設(shè)計(jì)的電路功能不是很復(fù)雜，只需要選用早期的ESP8266芯片型號(hào)即可實(shí)現(xiàn)，故選用ESP8266的WIFI模塊。1.6ESP8266的功能與基本參數(shù)ESP8266是由EspressifSystems（中國上海）推出的高性能無線SoC,它將控制器，存儲(chǔ)單元及Wi-Fi控制模塊、數(shù)據(jù)的信號(hào)接收器、發(fā)生器等硬件整合在一塊小成本智能芯片上，以小成本實(shí)現(xiàn)功能強(qiáng)大。ESP8266集成了一個(gè)TensilicaL10632位MCU（微控制器單元），具有超低功耗16位RSIC（精簡指令集），RTOS（實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)）可以達(dá)到最高的160MHz時(shí)鐘速率，啟用和功能Wi-Fi堆棧，大約80%的處理能力仍可供用戶應(yīng)用程序編程和開發(fā)，從而以最低的成本提供最大的效用。另外，還將標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字外圍接口、天線開關(guān)、平衡變壓器電感、功放、低噪聲接收放大器、濾波器以及電源管理模塊等均集成于小封裝內(nèi)部。本實(shí)用新型體積縮小，方便后續(xù)安裝。其引腳圖及實(shí)物圖見附圖.圖1.1圖1.21.6.1ESP8266芯片引腳圖1.3表1.1各引腳功能敘述序號(hào)Pin腳名稱類型功能說明1RETI外部重置信號(hào)（低高頻有效）復(fù)位模組2ADCIA/D轉(zhuǎn)換管腳，輸入電壓范圍0-1V，取值范圍：0-10243ENI/O芯片使能端，高電平：有效，芯片正常工作：低電平：芯片關(guān)閉，電流很小4IO16I/O深度睡眠喚醒5IO14I/OGPIO14;HSPI_CLK6IO12I/OGPIO12;HSPI_MISO7IO13I/OGPIO13;HSPI_MOSI;UART0_CTS8VCCP模塊電源；3.3V9CS0I/OGPIO11;SD_CMD;SPI;CS010MISOI/OGPIO7;SD_D0;SPI;MISO11IO9I/OGPIO9;SD_D2;PIHD;HSPIHD12IO10I/OGPIO10;SD_D3;SPIWP;HSPIWP113SCLKI/OGPIO6;SD;SPI_CLK14GNDPGND15IO15I/OGPIO15;TDO;HDPICS;UART0_RTS16IO2I/OGPIO2;UART1_TXD17IO0I/OGPIO0;SPI_CS218IO4I/OGPIO419IO5I/OGPIO520RXDI/OGPIO3;可用作燒制Flash時(shí)UARTRx21TXDI/OGPIO1;可用作燒制Flash時(shí)UARTTx22MOSII/OGPIO8;SD_D1;SPI_MOSI1表1.2引腳接口說明接口名稱管腳功能說明HSPI接口IO12(MISO)，IO13(MOSI)，IO14(CLK)，IO15(CS)可外接4SPIFlash，顯示屏和MCU等PWM接口IO12(R)，IO15(G)，IO13(B)demo中提供4路PWM（用戶可以自行擴(kuò)展至8路），可用來控制彩燈，蜂鳴器，繼電器及電機(jī)等IR接口IO14(IR_T)，IO5(R)IRRemoteControl4接口由軟件實(shí)現(xiàn)，接口使用NEC編碼及調(diào)制解調(diào)，采用38KHZ的調(diào)制載波ACD接口TOUT可用于檢測(cè)VDD3P3（Pin3，Pin4）電源電壓和TOUT（Pin6）的輸入電壓（二者不可同時(shí)使用）可用于傳感器等應(yīng)用12C接口IO14（SCL），IO2(SDA)可外接傳感器和顯示屏等UART接口UART0;TXD(U0TXD)，RDX(U0RXD)，IO15(RST)，IO13(CTS)UART1:IO2(TXD)可外接UART接口的設(shè)備。下載：U0TXD+U0RXD或者GPIO2+U0RXT通信（UART0）：U0TXD，U0RXT，MTDO(U0RXT)UARTO在ESP8266EX上電默認(rèn)會(huì)輸出一些打印資料，對(duì)此敏感的應(yīng)用，可以使用UART的內(nèi)部引腳交換功能12S接口12S輸入；IO12(12SI_DATA);IO13(12SI_BCK);IO14(12SI_WS);主要用于音頻采集，處理和傳輸12S輸出;IO15(12SO_BCK);IO3(12SO_DATA);IO2(12SO_WS)1.6.2ESESP8266的三種工作模式在ESESP8266模塊中，存在如下3種工作方式:分別為STA模式、AP模式和STA+AP模式P8266工作模式。STA模式:STA模式以模塊網(wǎng)絡(luò)連接為主，即將ESP8266模塊接入由接入點(diǎn)設(shè)置的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。Station模式能夠更容易地對(duì)Wi-Fi連接進(jìn)行管理，當(dāng)連接缺失時(shí)ESP8266會(huì)自動(dòng)重連最終所用訪問點(diǎn)，保證其可以再次使用，在物聯(lián)網(wǎng)的聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中該模式使用最多。AP模式：接入點(diǎn)就是為其他裝置提供Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)接入，并與有線網(wǎng)絡(luò)相連。ESP8266也能提供相似的特性，只不過它并不具備與有線網(wǎng)絡(luò)相連的接口，這一操作方式叫做軟接入點(diǎn)。可同時(shí)連接AP的最大站數(shù)可設(shè)置為0~8。常用的AP模式可被認(rèn)為在ESP8266接入STA模式的Wi-Fi前的中間環(huán)節(jié)。在SSID與網(wǎng)絡(luò)密碼無法事先得知的情況下,ESP8266會(huì)先激活A(yù)P模式，使我們用筆記本電腦或者手機(jī)與之相連，從而實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)控制以及各個(gè)模塊之間的通信STA+AP模式ESP8266模塊可以作為一個(gè)獨(dú)立設(shè)備運(yùn)行，所以我們能夠把它們接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)中。它還可以作為一個(gè)軟接入點(diǎn)建立自己的Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)ESP8266模塊作為軟接入點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，我們可以將其他工作站連接到ESP8266模塊。REF_Ref14745\r\h1.6.3硬件電路設(shè)計(jì)ESP8266電路本論文所設(shè)計(jì)之系統(tǒng)以ESP8266為控制器，可透過板上的GPIO與UART來接受傳感器的資料，既可用作接入點(diǎn)（AP）又可用作站點(diǎn)（STA）。因此，在作為AP的時(shí)候，可以通過發(fā)送指令設(shè)置所連接Wi-Fi的名稱與密碼、輸入云服務(wù)器IP地址、端口號(hào)等信息。這將使其接入Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)并且基于其在STA中被用作預(yù)定義參數(shù)來建立云服務(wù)器。在采集溫度、濕度、光照強(qiáng)度、CO2濃度等信息后，將數(shù)據(jù)以O(shè)neNET指定格式進(jìn)行上傳。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，將ESP8266模塊上電，引腳GPIO0接地，用串口刻錄并編寫引腳控制程序。CH340芯片實(shí)現(xiàn)了普通串口與USB之間的切換。以RXD,TXD為串口輸入與串口輸出，UD+和UD-對(duì)應(yīng)USB數(shù)據(jù)線。由于在ESP8266模塊中集成了上拉電阻，因此在電路中不涉及I2C上拉電阻。ESP8266整體設(shè)計(jì)電路見下圖。圖1.31.7充電模塊tp4056TP4056是一種鋰離子或者鋰聚合物電池而設(shè)計(jì)的線性充電器電路，利用芯片內(nèi)部的功率晶體管對(duì)電池進(jìn)行恒流和恒壓充電。通過外阻編程即可設(shè)定充電電流，不間斷充電電流上限為1A,無需增加電流阻斷二極管及電流檢測(cè)電阻。TP4056含有兩個(gè)漏極開路輸出，充電狀態(tài)指示端（CHRG）及電池故障（STDBY）狀態(tài)指示輸出端。芯片內(nèi)功率管理電路在芯片結(jié)溫高于145°C后，充電電流會(huì)自動(dòng)減小，該功能能讓用戶將芯片功率處理能力發(fā)揮到極致，不需要擔(dān)心芯片溫度過高，會(huì)對(duì)芯片或外部元器件造成損害。TP4056引腳圖及引腳功能圖1.4TEMP(引腳1):用于檢測(cè)電池溫度的輸入端。PROG(引腳2):恒流充電電流設(shè)定及充電電流監(jiān)控端。GND(引腳3):電源接地VCC(引腳4)正輸入端的輸入電壓。BAT(引腳5):電池的連接端。STDBY(引腳6):電池充電后指示端。CHRG(引腳7):充電狀態(tài)指示端，用于漏極開路輸出。CE(引腳8):芯片的始能輸入端。1.8自鎖開關(guān)自鎖開關(guān)為常用的具有機(jī)械鎖定功能，在自鎖開關(guān)首次被按下后，該開關(guān)被接通并保持接通，即開關(guān)處于自鎖狀態(tài)，二次按動(dòng)自鎖開關(guān)后，開關(guān)切斷，同時(shí)開關(guān)按鈕彈起使開關(guān)進(jìn)入切斷狀態(tài)。圖1.5自鎖開關(guān)實(shí)物1.9ESP-12E電機(jī)驅(qū)動(dòng)擴(kuò)展板疊插ESP12EDevKit的實(shí)物效果圖圖1.6ESP-12E的PCB板視圖圖1.7ESP8266參數(shù)說明電源輸入：電機(jī)電源（VM）：4.5V-36V，可以單獨(dú)供電?？刂齐娫矗╒IN）：4.5V-9v（10VMAX），可單獨(dú)供電；模塊提供短路子（短路VM和VIN），可以方便地使用一路電源（必須4.5V-9V）同時(shí)完成電機(jī)的驅(qū)動(dòng)與控制。邏輯工作電流Iss：≤60mA（Vi-L），≤22mA（Vi-H）;驅(qū)動(dòng)部分工作電流1o:1.2A:最大耗散功率：4W（T-90℃）控制信號(hào)輸入電平：高電平：1.3V<vTm≤VTN.低電平:-0.3VVIL≤1.5V工作溫度：-25℃-41250ESPI2EDevKit控制端口：D1，D3(A電機(jī))。D1.D4(B電機(jī))模塊重量:20g驅(qū)動(dòng)形式：雙路大功率H橋驅(qū)動(dòng)各位置區(qū)域功能說明圖1.81.10硬件設(shè)計(jì)的軟件介紹此次利用solidworks軟件設(shè)計(jì)機(jī)器人硬件需要的框架3D建模打印，利用solidworks制圖具有如下優(yōu)勢(shì)1、全Windows界面、操作簡單2、清楚、直觀、整潔“全動(dòng)感”用戶界面(1）“全動(dòng)感”用戶界面使得設(shè)計(jì)過程非常簡單：動(dòng)態(tài)控件采用了不同的色彩和說明，以提醒設(shè)計(jì)師注意目前的運(yùn)行情況，從而能夠清晰地顯示出自己目前在進(jìn)行哪些工作(2）標(biāo)注使設(shè)計(jì)師能夠?qū)⒂嘘P(guān)具體功能的參數(shù)標(biāo)記到圖形區(qū)域中；鼠標(biāo)確認(rèn)以及豐富的右鍵菜單使設(shè)計(jì)部件極為簡單；創(chuàng)建特征的時(shí)候，不管鼠標(biāo)的位置是什么，都能很快確定特征建立3、靈活的草圖繪制和檢查功能(1）草圖繪制狀態(tài)和特征定義中狀態(tài)之間存在明顯區(qū)別，這使得設(shè)計(jì)師能夠很容易地確定它們的運(yùn)行狀態(tài)；單擊-單擊式或單擊-拖動(dòng)式；單擊及單擊繪圖與AutoCAD軟件很相似(2）在草圖繪制過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)反饋與推理可自動(dòng)加入幾何約束使得繪圖變得十分清晰與方便；用不同顏色表現(xiàn)草圖的各種狀態(tài)；勤查草圖的合理性4、強(qiáng)大的特征建立能力和零件與裝配的控制功能(1）強(qiáng)大特征的實(shí)體建模功能。組件設(shè)計(jì)采用拉伸、旋轉(zhuǎn)、薄壁功能、高級(jí)殼體、特征陣列及鉆孔操作來實(shí)現(xiàn)零件的設(shè)計(jì)(2）采用零部件及裝配配置，既可使用已有的設(shè)計(jì)構(gòu)建企業(yè)產(chǎn)