TOP4 配套Lego組合機器人的超聲波防撞電路設計

　　地面灰度傳感器電路設計

　　如圖所示，地面灰度傳感器通過發光二極管LED照亮地面，地面的反射光線被光敏三極管接收，當地面顏色為黑色時，反射的光線比較弱，則光敏三極管的基極電流越小，集電極電流也相應較小，1端口電壓值較高，其測量值較大；反之當地面為白色時，反射的光線較強，集電極電流越大，1端口電壓值較小，測量值也較小。

　　本文研究并設計了基于ARM9嵌入式系統的一種智能滅火機器人，具有以下5個創新點：（1）采用了嵌入式系統內核，大大提高了機器人處理信號的能力；（2） 雙電源供電系統引入，使機器人的運行更加穩定可靠；（3） 采用PWM信號控制大功率直流電機，在速度和精度方面有了很大的改進；（4）通過合理選擇PSD測距傳感器的個數和安放位置，既滿足比賽要求，又能節約成本；（5）本文設計的遠紅外火焰傳感器組，很好地完成了對火源的精確定位任務，提高了滅火可靠性和快速性。實測證明，本文設計的機器人能夠很好地完成比賽任務，并且在可靠性和速度方面都有了大幅度的提高，具有很強的應用價值。

　　機器人的超聲波防撞電路設計

　　這種探測器的依據是超聲波具有很強的方向性。發送的傳感器發出連續信號。在這個裝置之前約幾米的適當物體可以把相當強的信號反射回到接收傳感器。發送和接收傳感器只相隔大約50毫米，所以方向性強的超聲波保證從發射器到接收器之間的直接耦合波顯得微不足道。這個電路從RCX裝置獲得電源，它就和一種標準Lego探測器一樣連接到RCX裝置的一個輸入端口。并沒有特別支持采用RCX代碼或者 Mindstorms套件通常共用的其他編程語言的超聲波探測器。因此，可以利用軟件以標準有源探測器。例如Lego光探測器的相同基本方式操縱它。

　　圖中是超聲波探測器的整個電路圖。二極管列陣由D1至D6組成，而標準的橋式整流器則由D1至D4組成。這個整流器連同濾波電容C3產生7伏特電源。橋式整流器提供全波整流，所以電路怎樣連接RCX裝置都沒有關系。

　　RCX裝置內部的上拉電阻通常使輸入端子處于高電位。D5和D6使IC1a的輸出把RCX端口輸入端拉低至0伏電壓。這個裝置怎樣連接RCX裝置也是沒有關系的。IC1a的輸出通過兩個二極管的任何一個連接端口的帶電輸入端。在輸入提供電源的時間內，兩個二極管的其中一個就會阻斷電源，因此只有極小電流流過兩個二極管。在這些時間內，lC1a的輸出連接電源，但R1卻阻止過量的輸出電流流入IC1a的輸出級。

　　IC1a是緩沖放大器，它是普通的電壓跟隨級。IC1b是直流放大器。它以同相模式操作，反饋電阻R2和R3把它的閉環電壓增益調整倒3．7。要注意，lC1采用的LM358N是用在沒有負電源的直流電路的。其他大多數運算放大器并不能提供這里要求的很低輸出電壓，所以不建議使用代用器件。TR1放大接收傳感器Mic1的輸出。 TR1用簡單的共射極放大器，它提供超過40dB的電壓增益。C2將其輸出耦合到D7和D8組成的半波整流器電路。C1和 R4組成平滑濾波電路。發射器電路只是采用標準震蕩配置的555時基電路（IC2）。RCX裝置可以從每個輸入端提供的最大電源電流是相當有限的，所以 IC2最好采用低電源的 555。否則就會出現負載太大的風險以致獲得不合適的電源電壓。VR1是頻率控制器，通常調節它而使電路產生最佳性能。不過，如果需要降低靈敏度，可以故意使它偏離最佳頻率。

　　AT89S51 的編程方式可分為并行及串行模式。由于目前PC臺式及及筆記本已經逐漸取消并口，因此并口編程器已經逐漸被淘汰。采用USB接口的ISP編程器比較適合實驗之用。本書所附贈的電路就是以USB ISP串行模式來對AT89S51進行編程的，其電路如圖所示。圖為AT89S51 USB ISP編程器電路圖：

　　USB編程器電路設計

　　CH341A是一個USB總線轉接芯片，通過USB總線提供異步串口、打印口、并口，以及常用的2線和4線等同步串行接口。CH341A采用 SOP－28無鉛封裝，具體功能由復位后的功能配置決定，同一引腳在不同功能下的定義可能不同。CH341芯片正常工作時需要外部向XI引腳提供 12MHz的時鐘信號。一般情況下，時鐘信號由CH341內置的反相器通過晶體穩頻振蕩產生，外圍電路只需在XI和XO引腳之間連接一個12MHz晶體，并為XI和XO引腳對地連接振蕩電容。CH341芯片支持5V電源電壓或者3.3V電源電壓。當使用5V工作電壓時，CH341芯片的VCC引腳輸入外部 5V電源，第9腳（V3引腳）應該外接容量為4700pF或者0.01uF的電源退耦電容。CH341 第10、11腳連接到USB數據總線。第13、14腳外接12MHz晶體，為芯片提供時鐘。第16、18、20、22腳分別接300Ω的限流電阻，作為 RST、SCK、MOSI、MISO信號輸入/輸出。在使用CH341A的USB轉ISP功能時，第23腳必須接地。第28為電源5V輸入，接退耦電容，可使讓芯片工作更穩定。

　　圖3.12 USB編程器電路圖

　　在圖3.12里，USB1為與電腦連接的USB插座。此USB插座共有4個腳，分別為+5V、D－、D+及GND。+5V及GND是本電路板的電源來源。R3為限流電阻，此電阻的取值需要根據實際情況確定。在使用此電阻時，應保證后端的CH341A及AT89S51芯片供電電壓大于4.5V。在保證接入的元件接線正確及電路整體消耗電流小于500mA的情況下，此電阻可以不接，直接用短線連接即可。CH341A芯片通過USB接口和USB連接線完成與電腦的數據傳輸。