智能硬件電子電路設計圖集錦TOP7 —電路圖天天讀（158）

　　TOP1 智能電動(dòng)平衡車(chē)電路設計圖

　　近年來(lái)，兩輪自平衡電動(dòng)車(chē)以其行走靈活、便利、節能等特點(diǎn)得到了很大的發(fā)展。國內外有很多這方面的研究，也有相應的產(chǎn)品。兩輪平衡電動(dòng)車(chē)的運作原理主要是建立在一種被稱(chēng)為“動(dòng)態(tài)穩定”（Dynamic StabilizaTIon）的基本原理上，也就是車(chē)輛本身的自動(dòng)平衡能力。以?xún)戎玫木芄虘B(tài)陀螺儀（Solid-State Gyroscopes）來(lái)判斷車(chē)身所處的姿勢狀態(tài)，透過(guò)精密且高速的中央微處理器計算出適當的指令后，驅動(dòng)馬達來(lái)做到平衡的效果。

　　電源接口電路圖

　　測速模塊接口

　　單片機最小系統

　　車(chē)主控模塊主要由穩壓模塊、isp下載口、無(wú)線(xiàn)模塊、加速度傳感器、陀螺儀、74ls04s施密特觸發(fā)器、電源指示燈組成。其中主控芯片的主要功能是采集加速度傳感器、陀螺儀、光電編碼器、以及無(wú)線(xiàn)模塊的數據進(jìn)行運算，然后進(jìn)行反饋。不僅是主要的數據運算中心又是控制中心。

　　更多智能硬件資料集錦，詳情請進(jìn)入》》》

　　TOP2 采用MSP430的機器人定位系統電路

　　對于在室外環(huán)境工作的移動(dòng)機器人通常使用慣導/衛星組合導航方式。慣性導航系統具有完全自主、抗干擾強、隱蔽能力好和輸出參數全面等優(yōu)點(diǎn)，但它的魯棒性極低，誤差會(huì )不斷隨時(shí)間累積發(fā)散。衛星導航系統具有精度高、定位范圍廣和誤差不隨時(shí)間累積等優(yōu)點(diǎn)，但其自主性差、易受外界遮擋和干擾、接收機數據更新頻率低等缺點(diǎn)。因此工程上常常將兩者互補結合使用，組成衛星/慣性組合導航系統。

　　本文以低功耗MSP430F149為核心，設計了能夠同時(shí)實(shí)現衛星導航（GNSS）接收機、慣性測量單元（IMU）、氣壓高度等導航信息的高速采集與高速合路傳輸，并進(jìn)行初步導航定位信息融合的導航系統，即可為室外移動(dòng)機器人提供直接的導航服務(wù)，也可作為高精度組合導航系統的原始測量信息高速采集系統。系統設計的關(guān)鍵是利用單片機有限的接口資源實(shí)現了多傳感器信息并行采集，設計了有效的數據同步方法，解決了氣壓傳感器數據手冊疏漏導致的無(wú)法接入問(wèn)題，給出了機器人組合定位的基本方法。系統充分利用了MSP430F149單片機的能力，具有結構簡(jiǎn)單、低功耗、對傳感器具有普適性等優(yōu)點(diǎn)。

　　本系統由電源、氣壓計接口、IMU接口、 GNSS接收機接口、SPI轉UART模塊及MSP430F149構成。系統組成如圖1所示。組合導航系統的功能實(shí)現分為IMU數據接收與解析、GNSS 數據接收與解析、氣壓計數據接收與解析、組合導航解算以及數據輸出五個(gè)部分。IMU數據接收與解析功能用來(lái)獲取導航解算中需要的加速度和角速度信息;GNSS數據接收與解析功能用來(lái)獲取導航解算中需要的位置和速度信息（松耦合組合）或者 GNSS偽距和偽距率（緊耦合組合）;氣壓計數據接收與解析功能用來(lái)獲取高度信息;組合導航解算功能為系統核心，用來(lái)進(jìn)行組合導航解算;數據的輸出包括原始數據包的整合輸出和解算結果的輸出。

　　圖1 系統組成結構圖

　　本文所使用的慣性器件和GNSS接收機都是RS-232電平的UART接口，具有通用性，用戶(hù)可根據成本考慮不同精度的設備。氣壓計選用美國MEAS公司生產(chǎn)的MS5803-02BA，已經(jīng)固化在電路中。

　　微控制器接口

　　整個(gè)組合導航定位系統需要三個(gè)UART接口和兩個(gè)SPI接口。其中兩個(gè)UART接口由430單片機自帶的UART資源提供，另外一個(gè)UART接口由 GPIO模擬SPI通過(guò)MAX3111E芯片轉化得到;兩個(gè)SPI接口由GPIO模擬得到。另外需要一個(gè)外部中斷引腳捕獲秒脈沖信號（PPS）、一個(gè)外部中斷引腳捕獲MAX3111E中斷信號。MSP430F149管腳資源分配如表1所示。

　　電源電路

　　本系統供電需求為3.3V供電，因此采用AMS1117穩壓芯片，接入5V電源即可輸出3.3V穩定電壓，可提供1A電流，滿(mǎn)足系統供電需求。電路設計如圖2所示。

　　圖2 電源電路

　　IMU器件及GNSS接收機接口電路

　　IMU器件及GNSS接收機都采用UART接口方式接入，采用RS232協(xié)議。因此可使用430單片機上自帶的兩個(gè)UART接口，但是需要進(jìn)行TTL電平與RS232電平轉換。這里采用常見(jiàn)的MAX3232芯片，電路設計如圖3所示。

　　圖3 IMU及GNSS接口電路

　　氣壓計MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA［3］是由MEAS公司生產(chǎn)的數字壓力傳感器，分辨率達10cm。芯片內部包含一個(gè)高線(xiàn)性的壓力傳感器和一個(gè)內部工廠(chǎng)標定系數的超低功耗24位ΔΣ型ADC。該款芯片有SPI和I2C兩種接口方式，通過(guò)芯片的PS引腳配置了選擇不同的接口方式（PS置低時(shí)，采用SPI工作模式;PS置高時(shí)，采用I2C工作模式）。本文所闡述的定位系統將氣壓計配置為SPI工作模式。MS5803-02BA與微控制器間的接口電路設計如圖4所示。

　　圖4 MS5803-02BA接口電路

　　MS5803-02BA的控制命令包括復位命令、溫度ADC命令、氣壓ADC命令、ADC讀取命令、PROM讀取命令?？刂泼钊绫?所示?？刂泼钔ㄟ^(guò)SDI口移位輸入，響應結果從SDO移位輸出。輸入的電平判定在時(shí)鐘信號的上升沿，輸出的電平判定在時(shí)鐘信號的下降沿。輸出的氣壓值可以進(jìn)行溫度補償，需要利用芯片內部PROM中的系數來(lái)補償。ADC讀取命令輸入之后，輸出24位ADC結果;PROM讀取命令輸入之后，輸出16位補償系數。

　　本文基于MSP430F149單片機設計的室外移動(dòng)機器人組合導航定位系統，通過(guò)接口的擴展使得該款定位系統能夠接入IMU、GNSS接收機、氣壓計三路信息，完成初步導航定位服務(wù)功能，同時(shí)可作為多路數據采集設備，將多路數據整合到一路高速輸出接口，用于進(jìn)一步的高精度導航解算。該系統根據使用者的需求不同，可接入不同成本和精度的設備，只要滿(mǎn)足RS-232協(xié)議即可。筆者將其實(shí)際運用，整個(gè)系統充分利用該款單片機的資源，結構簡(jiǎn)單、功耗低、適用范圍廣，不僅可作為初步導航定位服務(wù)的設備，還可作為多路數據采集設備。

　　TOP3 AT89C2051多路舵機控制電路詳解

　　舵機是一種位置伺服的驅動(dòng)器。它接收一定的控制信號，輸出一定的角度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的控制系統。在微機電系統和航模中，它是一個(gè)基本的輸出執行機構。以FUTABA-S3003型舵機為例，圖1是FUFABA-S3003型舵機的內部電路。

　　舵機的工作原理是：PWM信號由接收通道進(jìn)入信號解調電路BA66881。的12腳進(jìn)行解調，獲得一個(gè)直流偏置電壓。該直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差由BA6688的3腳輸出。該輸出送人電機驅動(dòng)集成電路BA6686，以驅動(dòng)電機正反轉。當電機轉速一定時(shí)，通過(guò)級聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器 R。，旋轉，直到電壓差為O，電機停止轉動(dòng)。舵機的控制信號是PWM信號，利用占空比的變化改變舵機的位置。

　　舵機的控制方法

　　電源線(xiàn)和地線(xiàn)用于提供舵機內部的直流電機和控制線(xiàn)路所需的能源．電壓通常介于4～6V，一般取5V。注意，給舵機供電電源應能提供足夠的功率?？刂凭€(xiàn)的輸入是一個(gè)寬度可調的周期性方波脈沖信號，方波脈沖信號的周期為20 ms（即頻率為50 Hz）。當方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機轉軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機的輸出軸轉角與輸入信號的脈沖寬度之間的關(guān)系可用圍 3來(lái)表示。

　　舵機控制器硬件電路設計

　　從上述舵機轉角的控制方法可看出，舵機的控制信號實(shí)質(zhì)是一個(gè)可嗣寬度的方波信號（PWM）。該方波信號可由FPGA、模擬電路或單片機來(lái)產(chǎn)生。采用 FPGA成本較高，用模擬電路來(lái)實(shí)現則電路較復雜，不適合作多路輸出。一般采用單片機作舵機的控制器。目前采用單片機做舵機控制器的方案比較多，可以利用單片機的定時(shí)器中斷實(shí)現PWM。該方案將20ms的周期信號分為兩次定時(shí)中斷來(lái)完成：一次定時(shí)實(shí)現高電平定時(shí)Th；一次定時(shí)實(shí)現低電平定時(shí)T1。Th、 T1的時(shí)間值隨脈沖寬度的變換而變化，但，Th+T1=20ms。該方法的優(yōu)點(diǎn)是，PWM信號完全由單片機內部定時(shí)器的中斷來(lái)實(shí)現，不需要添加外圍硬件。缺點(diǎn)是一個(gè)周期中的PWM信號要分兩次中斷來(lái)完成，兩次中斷的定時(shí)值計算較麻煩；為了滿(mǎn)足20ms的周期，單片機晶振的頻率要降低；不能實(shí)現多路輸出。也可以采用單片機+8253計數器的實(shí)現方案。該方案由單片機產(chǎn)生計數脈沖（或外部電路產(chǎn)生計數脈沖）提供給8253進(jìn)行計數，由單片機給出8253的計數比較值來(lái)改變輸出脈寬。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現多路輸出，軟件設計較簡(jiǎn)單；缺點(diǎn)是要添加l片8253計數器，增加了硬件成本。本文在綜合上述兩個(gè)單片機舵機控制方案基礎上，提出了一個(gè)新的設計方案，如圖4所示。

　　該方案的舵機控制器以AT89C2051單片機為核心，555構成的振蕩器作為定時(shí)基準，單片機通過(guò)對555振蕩器產(chǎn)生的脈沖信號進(jìn)行計數來(lái)產(chǎn)生PWM 信號。該控制器中單片機可以產(chǎn)生8個(gè)通道的PWM信號，分別由AT89C2051的P1．0～Pl.7（12～19引腳）端口輸出。輸出的8 路PWM信號通過(guò)光耦隔離傳送到下一級電路中。因為信號通過(guò)光耦傳送過(guò)程中進(jìn)行了反相，因此從光耦出來(lái)的信號必須再經(jīng)過(guò)反相器進(jìn)行反相。方波信號經(jīng)過(guò)光耦傳輸后，前沿和后沿會(huì )發(fā)生畸變，因此反相器采用CD40106施密特反相器對光耦傳輸過(guò)來(lái)的信號進(jìn)行整形，產(chǎn)生標準的PWM方波信號。筆者在實(shí)驗過(guò)程中發(fā)現，舵機在運行過(guò)程中要從電源吸納較大的電流，若舵機與單片機控制器共用一個(gè)電源，則舵機會(huì )對單片機產(chǎn)生較大的干擾。因此，舵機與單片機控制器采用兩個(gè)電源供電，兩者不共地，通過(guò)光耦來(lái)隔離，并且給舵機供電的電源最好采用輸出功率較大的開(kāi)關(guān)電源。該舵機控制器占用單片機的個(gè)SCI串口。串口用于接收上位機傳送過(guò)來(lái)的控制命令，以調節每一個(gè)通道輸出信號的脈沖寬度。MAX232為電平轉換器，將上位機的RS232電平轉換成TTL電平。

　　實(shí)現多路PWM信號的原理

　　在模擬電路中，PWM脈沖信號可以通過(guò)直流電平與鋸齒波信號比較來(lái)得到。在單片機中，鋸齒波可以通過(guò)對整型變量加1操作來(lái)實(shí)現，如圖5所示。假定單片機程序中設置一整型變量SawVal，其值變化范圍為O～N。555振蕩電路產(chǎn)生的外部計數時(shí)鐘信號輸入到AT89C2051的INTO腳。每當在外部計數時(shí)鐘脈沖的下降沿，單片機產(chǎn)生外部中斷，執行外部中斷INT0的中斷服務(wù)程序。每產(chǎn)生一次外部中斷，對SawVal執行一次加1操作，若SawVal已達到最大值N，則對SawVal清O。SawVal值的變化規律相當于鋸齒波，如圖5所示。若在單片機程序中設置另一整型變量DutyVal，其值的變化范圍為 O～N。每當在SawVal清0時(shí)，DulyVal從上位機發(fā)送的控制命令中讀入脈沖寬度系數值，例如為H（0≤H≤N）。若 DutyVal≥SawVal，則對應端口輸出高電平；若DutyVal《Sawval，則對應端口輸出低電平。從圖5中可看出，若改變 DutyVal的值，則對應端口輸出脈沖的寬度發(fā)生變化，但輸出脈沖的頻率不變，此即為PWM波形。

　　TOP4 無(wú)人機溫度巡檢信號調理電路

　　目前無(wú)人飛行器主要飛行于大氣對流層和平流層低層區間。該區間大氣溫度變化復雜，大氣環(huán)境的溫度過(guò)低或過(guò)高都將直接影響無(wú)人飛行器控制系統的正常工作。由于無(wú)人飛行器機身需要檢測溫度的部位較多，監測目標比較分散，使用單一結構的溫度傳感器或結冰探測儀表難以實(shí)時(shí)、全面地掌握整個(gè)機身表而溫度狀況，因此，本設計結合已有的民用多路測溫技術(shù)，提出一種基于FPGA的適用于無(wú)人飛行器機身各部位溫度檢測和功能事務(wù)管理的多路溫度巡檢系統。該系統可在無(wú)人飛行器飛行過(guò)程中，根據需要循環(huán)監測各部位的溫度狀況，以便能夠及早測出機身可能出現的結冰低溫并向系統發(fā)出報警信號使飛機及時(shí)飛離結冰區域或開(kāi)啟除冰設計，從而達到保障飛行安全的目的。

　　設計方案的總體結構

　　無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置的結構框圖如圖1所示。

　　本設計采用FPGA作為核心芯片，電源電路供電后，信號調理電路通過(guò)鉑電阻傳感器PT100將采集的電壓信號通過(guò)放大器放大后送給A/D采樣電路，A /D采樣電路通過(guò)采樣把模擬信號轉換為數字信號后送給FPGA進(jìn)行處理，處理數據后FPGA自動(dòng)把處理結果送出，通過(guò)液晶顯示并且與鍵盤(pán)電路設定的值進(jìn)行比對，如果超出設定值范圍，FPGA送出信號，使得蜂鳴器電路報警，繼電器電路響應，啟動(dòng)加熱裝置，圖1給出了系統的整體框圖。按照系統的功能要求，裝置的硬件電路依據其功能劃分為信號調理模塊、A/D采樣模塊、FPGA最小系統模塊等部分。

　　信號調理模塊

　　系統采用惠斯通電橋接入鉑電阻傳感器PT100信號，如圖2所示。

　　圖2中INA、INB之差與PT100阻值變化呈線(xiàn)性關(guān)系，通過(guò)將INA、INB變化值采樣再對應鉑電阻傳感器P100刻度表即可換算得到實(shí)測溫度?？紤]到鉑電阻傳感器PT100探頭產(chǎn)生的信號非常微弱，很容易受到噪聲干擾，所以放大電路選擇單運放構成的儀表放大器。儀表放大器擁有差分式結構，對共模噪聲有很強的抑制作用，同時(shí)擁有較高的輸入阻抗和較小的輸出阻抗，非常適合對微弱信號的放大。圖2中R3，R4，R5，R6，R7，R8均采用低溫漂的精密電阻，R2為多圈精密可調電阻。通過(guò)電路可以計算出：

　　A/D采樣模塊

　　系統選用 AD7476作為采樣芯片。該芯片是12位低功耗逐次逼近型ADC，采用單電源工作，電源電壓為2.35V至5.25V，最高吞吐速率可達 1MSPS，完全滿(mǎn)足本系統的采樣精度和速度的要求。該芯片內置一個(gè)低噪聲、寬帶寬采樣保持放大器，可處理6MHz以上的輸入頻率。AD轉換過(guò)程和數據采集過(guò)程通過(guò)CS和串行時(shí)鐘SCLK進(jìn)行控制，從而為器件與FPGA接口創(chuàng )造了條件。輸入信號在CS的下降沿進(jìn)行采樣，而轉換同時(shí)在此處啟動(dòng)，轉換速率取決于SCLK的時(shí)鐘頻率。圖3為AD7476的典型接線(xiàn)電路。

　　軟件設計

　　溫度巡檢裝置的軟件以VHDL語(yǔ)言為基礎，采樣模塊化的設計思路編程，分為液晶顯示模塊、AD采樣模塊、鍵盤(pán)輸入模塊、報警模塊和PWM控制模塊模塊。圖4給出了各模塊之間的關(guān)系圖。

　　系統首先通過(guò)AD采樣模塊對溫度進(jìn)行采樣，將采樣的數據送入溫度檢測模塊進(jìn)行處理。溫度檢測模塊的任務(wù)是計算將采樣來(lái)的溫度值與系統的預設值之間的差值，利用差值的大小來(lái)控制PWM模塊輸出脈沖寬度不同的脈沖波，通過(guò)脈沖波開(kāi)控制繼電器的通斷，從而達到溫度的恒定控制。

　　系統的定標

　　首先用高精度電阻箱代替鉑電阻傳感器Pt100對測量系統進(jìn)行定標。根據式1所示的鉑電阻傳感器Pt100電阻和輸出電壓之間的關(guān)系，通過(guò)改變電阻箱的取值來(lái)設定相對應的測試溫度點(diǎn)標稱(chēng)值，經(jīng)過(guò)測量系統、A/D采樣的計算，得到測量溫度顯示值。根據初測數據對測量電路、補償電壓進(jìn)行校準后，完成對系統的定標工作。

　　系統實(shí)測

　　將鉑電阻傳感器Pt100接入測量系統，并置入高精度恒溫箱中（溫控精度0.01℃）進(jìn)行整個(gè)溫度測量系統定標測量。測量時(shí)要注意恒溫箱的密封，以提高環(huán)境溫度穩定性;恒溫箱溫度穩定后，每隔1min對同一溫度點(diǎn)進(jìn)行20次測量。由表1中數據可見(jiàn)，測量系統的最大誤差為0.009℃，說(shuō)明Pt100 鉑電阻傳感器的定標誤差較小，精度也較高，能滿(mǎn)足高精度溫度測量系統的測量要求，但溫度高端誤差較大，可能與恒溫箱溫度控制精度有關(guān)，有待于進(jìn)一步定標。

　　本文提出了基于FPGA的無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置的設計方案，該方案中所設計的無(wú)人飛行器溫度巡檢裝置利用FPGA快速性、可并行性、延時(shí)固定性等特點(diǎn)，能夠快速，準確的檢測無(wú)人機的各部件溫度。通過(guò)實(shí)驗驗證，系統的最大誤差不超過(guò)0.01度，完全滿(mǎn)足無(wú)人飛行器對溫度采集的要求。

　　TOP5 四軸飛行器三相六臂全橋驅動(dòng)電路

　　四軸飛行器是近來(lái)在專(zhuān)業(yè)與非專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域都非?；鸨募夹g(shù)產(chǎn)品。下面這篇文章針對四軸飛行器無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)控制，設計開(kāi)發(fā)了三相六臂全橋驅動(dòng)電路及控制程序。設計采用ATMEGA16單片機作為控制核心，利用反電勢過(guò)零點(diǎn)檢測輪流導通驅動(dòng)電路的6個(gè)MOSFET實(shí)現換向;直流無(wú)刷電機控制程序完成MOSFET上電自檢、電機啟動(dòng)軟件控制，PWM電機轉速控制以及電路保護功能。該設計電路結構簡(jiǎn)單，成本低、電機運行穩定可靠，實(shí)現了電機連續運轉。近年來(lái)，四軸飛行器的研究和應用范圍逐步擴大，它采用四個(gè)無(wú)刷直流電機作為其動(dòng)力來(lái)源。無(wú)刷直流電機為外轉子結構，直接驅動(dòng)螺旋槳高速旋轉。

　　無(wú)刷主流電機的驅動(dòng)控制方式主要分為有位置傳感器和無(wú)位置傳感器的控制方式兩種。由于在四軸飛行器中的要求無(wú)刷直流電機控制器要求體積小、重量輕、高效可靠，因而采用無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機。本文采用的是朗宇X2212 kv980無(wú)刷直流電機。無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制系統包括驅動(dòng)電路和系統程序控制兩部分。采用功率管的開(kāi)關(guān)特性構成三相全橋驅動(dòng)電路，之后使用DSP作為主控芯片，借助其強大的運算處理能力，實(shí)現電機的啟動(dòng)與控制，但電路結構復雜成本高，缺乏經(jīng)濟性。直流無(wú)刷電機的換向采用反電勢過(guò)零檢測法，一旦檢測到第三相的反電勢過(guò)零點(diǎn)就為換向做準備。反電勢過(guò)零檢測采用虛擬中性點(diǎn)的方法，通過(guò)檢測電機各相的反電勢過(guò)零點(diǎn)來(lái)判斷轉子位置。而基于電機三相繞組端電壓變化規律的電機電流換向理論，可以大大提高系統控制精度。

　　本文無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，控制電路的管理控制芯片采用 ATmega 16單片機實(shí)現，以充分發(fā)揮其高性能、資源豐富的特點(diǎn)，因而外圍電路結構簡(jiǎn)單。無(wú)刷直流電機采用軟件啟動(dòng)和PWM速度控制的方式，實(shí)現電機的啟動(dòng)和穩定運行，大大提高四軸飛行器無(wú)刷直流電機的調速和控制性能。

　　三相六臂全橋驅動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制電路如圖1 所示。該電路采用三相六臂全橋驅動(dòng)方式，采用此方式可以減少電流波動(dòng)和轉矩脈動(dòng)，使得電機輸出較大的轉矩。在電機驅動(dòng)部分使用6個(gè)功率場(chǎng)效應管控制輸出電壓，四軸飛行器中的直流無(wú)刷電機驅動(dòng)電路電源電壓為12 V.驅動(dòng)電路中，Q1~Q3采用IR公司的IRFR5305（P溝道），Q4~Q6為IRFR1205（N 溝道）。該場(chǎng)效應管內藏續流二極管，為場(chǎng)效應管關(guān)斷時(shí)提供電流通路，以避免管子的反向擊穿，其典型特性參數見(jiàn)表1.T1~T3 采用PDTC143ET 為場(chǎng)效應管提供驅動(dòng)信號。

　　表1 MOSFET管參數

　　由圖1 可知，A1~A3 提供三相全橋上橋臂柵極驅動(dòng)信號，并與ATMEGA16單片機的硬件PWM驅動(dòng)信號相接，通過(guò)改變PWM信號的占空比來(lái)實(shí)現電機轉速控制;B1~B3提供下橋臂柵極驅動(dòng)信號，由單片機的I/O口直接提供，具有導通與截止兩種狀態(tài)。

　　圖1 無(wú)刷直流電機三相六臂全橋驅動(dòng)電路

　　無(wú)刷直流電機驅動(dòng)控制采用三相六狀態(tài)控制策略，功率管具有六種觸發(fā)狀態(tài)，每次只有兩個(gè)管子導通，每60°電角度換向一次，若某一時(shí)刻AB 相導通時(shí)，C 相截至，無(wú)電流輸出。單片機根據檢測到的電機轉子位置，利用MOSFET的開(kāi)關(guān)特性，實(shí)現電機的通電控制，例如，當Q1、Q5 打開(kāi)時(shí)，AB 相導通，此時(shí)電流流向為電源正極→Q1→繞組A→繞組B→Q5→電源負極。類(lèi)似的，當MOSFET 打開(kāi)順序分別為Q1Q5，Q1Q6，Q2Q6，Q2Q4，Q3Q4，Q3Q5時(shí)，只要在合適的時(shí)機進(jìn)行準確換向，就可實(shí)現無(wú)刷直流電機的連續運轉。

　　反電勢過(guò)零檢測

　　無(wú)刷直流電機能夠正常連續運轉，就要對轉子位置進(jìn)行檢測，從而實(shí)現準確換向。電機轉子位置檢測方式主要有光電編碼盤(pán)、霍爾傳感器、無(wú)感測量三種方式。由于四軸飛行器無(wú)刷直流電機要求系統結構簡(jiǎn)單、重量輕，因而采用無(wú)位置傳感器的方式，利用第三相產(chǎn)生的感生電動(dòng)勢過(guò)零點(diǎn)時(shí)刻延遲30°換向。雖然該方法在電機啟動(dòng)時(shí)比較麻煩，可控性差，但由于電路簡(jiǎn)單、成本低，因而適合于在正常飛行過(guò)程中不需要頻繁啟動(dòng)的四軸飛行器電機。

　　由于無(wú)刷直流電機的兩相導通模式，因而可以利用不導通的第三相檢測反電勢的大小。如圖2反電勢檢測電路，中性點(diǎn)N 與單片機的AIN0 相接，Ain，Bin，Cin分別接單片機的ADC0，ADC1，ADC2.不停地比較中性點(diǎn)N電壓與A，B，C三相三個(gè)端點(diǎn)電壓的大小，以檢測出每相感生電動(dòng)勢的過(guò)零點(diǎn)。ATMEGA16單片機模擬比較器的正向輸入端為AIN0，負向輸入端根據ADMUX寄存器的配置而選擇 ADC0，ADC1，ADC2，從而利用了單片機自帶的模擬比較器的復用功能。當A，B相通電期間，C相反電勢與中性點(diǎn)N進(jìn)行比較，類(lèi)似的，就可以成功檢測出各相的過(guò)零事件。

　　圖2 反電勢檢測電路

　　電機的反電勢檢測出來(lái)后，就可以找到反電勢的過(guò)零點(diǎn)，在反電勢過(guò)零后延遲30°電角度進(jìn)行換向操作。

　　驅動(dòng)電路采用三相六臂全橋電路，MOSFET 作為開(kāi)關(guān)元件，利用ATmega 16 單片機作為控制芯片，反電勢過(guò)零檢測以及軟件啟動(dòng)的控制方式，并延遲30°進(jìn)行換向。正常啟動(dòng)后，單片機輸出PWM 實(shí)現無(wú)刷直流電機轉速調節。同時(shí)設計了電壓、電流監測電路，保證系統安全，因而，該系統能夠正常驅動(dòng)無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機，并且能夠應用于四軸飛行器。

　　TOP6 揭秘智能照明系統硬件電路

　　對一些照明時(shí)間較長(cháng)、照明設備較多的場(chǎng)所，其照明系統的使用浪費現象屢見(jiàn)不鮮。由于缺乏科學(xué)管理和管理人員的責任心不強，有時(shí)在借助外界環(huán)境能正常工作和夜晚室內空無(wú)一人時(shí)，整個(gè)房間內也是燈火通明。這樣下來(lái)，無(wú)形中所浪費的電能是非常驚人的。據測算，這種現象的耗電占其單位所有耗電的40％左右。因此，有必要在保證照明質(zhì)量的前提下，實(shí)施照明節能措施。這不僅可以節約能源，而且會(huì )產(chǎn)生明顯的經(jīng)濟效益。

　　本系統主要由光照檢測電路、熱釋電紅外線(xiàn)傳感器及處理電路、單片機系統及控制電路組成。工作時(shí)，光照檢測電路和熱釋電紅外線(xiàn)傳感器采集光照強弱、室人是否有人等信息送到單片機，單片機根據這些信息通過(guò)控制電路對照明設備進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作，從而實(shí)現照明控制，以達到節能的目的。

　　系統硬件設計

　　按圖1構成的系統硬件電路如圖2所示。為了使系統功能更加完善，在該系統中可以增加時(shí)間顯示電路，用于顯示當前的時(shí)間。由于該部分硬件與軟件均已成熟，在此不做詳細介紹。

　　中心控制模塊

　　目前較為流行的單片機有AVR和51單片機，從系統設計的功能需求及成本考慮，51單片機性?xún)r(jià)比更高。AT89C52是擁有2個(gè)外部中斷、2個(gè)16位定時(shí)器、2個(gè)可編程串行UART的單片機。中心控制模塊采用AT89C52單片機已完全滿(mǎn)足設計需要，實(shí)現整個(gè)系統控制。

　　光照檢測電路

　　如圖2所示，當外界環(huán)境光照強時(shí)，光敏電阻R13阻值較小，則A點(diǎn)電平較低；當外界環(huán)境光照弱時(shí)，光敏電阻R13阻值較大，則A點(diǎn)電平較高，將此電平送到單片機，由程序控制是否實(shí)現照明。

　　熱釋電傳感器及處理電路

　　熱釋電紅外線(xiàn)傳感器

　　熱釋電紅外傳感器能以非接觸形式檢測出人體輻射的紅外線(xiàn)，并將其轉變?yōu)殡妷盒盘?。熱釋電傳感器具有成本低、不需要用紅外線(xiàn)或電磁波等發(fā)射源、靈敏度高、可流動(dòng)安裝等特點(diǎn)。實(shí)際使用時(shí)，在熱釋電傳感器前需安裝菲涅爾透鏡，這樣可大大提高接收靈敏度，增加檢測距離及范圍。實(shí)驗證明，熱釋電紅外傳感器若不加菲涅爾透鏡，則其檢測距離僅為2 m左右；而配上菲涅爾透鏡后，其檢測距離可增加到10 m以上。由于熱釋電傳感器輸出的信號變化緩慢、幅值?。ㄐ∮? mV），不能直接作為照明系統的控制信號，因此傳感器的輸出信號必須經(jīng)過(guò)一個(gè)專(zhuān)門(mén)的信號處理電路，使得傳感器輸出信號的不規則波形轉變成適合于單片機處理的數字信號。根據以上要求，人體熱釋電檢測電路組成框圖如圖3所示。

　　信號處理電路

　　本設計采用BIS0001來(lái)完成對熱釋電傳感器輸出信號的處理。BIS0001是一款具有較高性能的熱釋電傳感器信號處理集成電路，它主要由運算放大器、電壓比較器、狀態(tài)控制器、延遲時(shí)間定時(shí)器以及封鎖時(shí)間定時(shí)器等構成。由BIS0001構成的信號處理電路如圖4所示。

　　圖 4中，熱釋電傳感器S極輸出信號送入BIS0001的14腳，經(jīng)內部第一級運算放大器放大后，由C3耦合從12腳輸入至內部第二級運算放大器放大，再經(jīng)電壓比較器構成的鑒幅器處理后，檢出有效觸發(fā)信號去啟動(dòng)延遲時(shí)間定時(shí)器，最后從12腳輸出信號（Vo）送入單片機進(jìn)行照明控制。BIS0001的1腳接高電平，使芯片處于可重復觸發(fā)工作方式。輸出Vo（高電平）的延遲時(shí)間Tx由外部R8和C7的大小調整；觸發(fā)封鎖時(shí)間TI由外部R9和C6的大小調整。

　　延時(shí)時(shí)間選擇電路

　　系統在A(yíng)T89C52的P1中設置了延時(shí)時(shí)間選擇電路，其目的是在環(huán)境光照較弱時(shí)，照明設備延時(shí)一段時(shí)間后自動(dòng)熄滅。電路通過(guò) P1.0～P1.3設置4個(gè)延時(shí)時(shí)間，當P1.0～P3.0無(wú)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，系統按初始值進(jìn)行延時(shí)；當P1.0～P1.3有開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，程序從 P1.3～P1.0進(jìn)行檢測，若檢測到某一端口為低電平時(shí)，則系統按當前端口設置的值進(jìn)行延時(shí)。設置時(shí)間關(guān)系值如表1所示。

　　輸出控制電路

　　單片機對光照檢測電路和傳感器處理電路輸出的信號進(jìn)行檢測，輸出控制信號由單片機的P2.0輸出。在室內環(huán)境光照較強或光較弱但室內又無(wú)人時(shí)，P2.0 輸出高電平，此時(shí)三極管V1截止，繼電器J1不工作，則接在220 V上的照明設備不亮。在室內光照較弱且傳感器檢測室內有人時(shí)，則P2.0輸出低電平，此時(shí)三極管V1導通，繼電器J1工作，則220 V交流電通過(guò)繼電器加到照明設備上，照明設備正常點(diǎn)亮。

　　本次設計的智能照明控制系統，適用于學(xué)校、商場(chǎng)等大面積室內場(chǎng)所的照明控制，可以有效地對照明設備進(jìn)行自動(dòng)控制，達到科學(xué)管理與節能的目的。實(shí)驗證明，該系統結構簡(jiǎn)單、安裝方便、工作穩定、可靠性高。若在該系統中增加報警裝置，也可實(shí)現自動(dòng)報警功能。

　　TOP7 智能移動(dòng)終端系統電路設計詳解

　　隨著(zhù)技術(shù)的發(fā)展，各種移動(dòng)定位終端已經(jīng)深入我們的生活，而同時(shí)人們需要更多基于位置的安全保障，于是也向GPS提出了新的要求，能否提供一種嵌入式GPS，提供安防聯(lián)防諸如巡查過(guò)程中保安移動(dòng)信息服務(wù)，位置監控調配服務(wù)等。不言而喻，GPS、微型嵌入式終端等新技術(shù)，必然成為GIS中一個(gè)新興的重要研究領(lǐng)域。本設計主要實(shí)現電子巡查系統（圖1）智能終端兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節：GPS信息獲取以及空間位置信息、總臺命令的無(wú)線(xiàn)交互傳輸。

　　以往的保安巡查沒(méi)有太多設備，人均一個(gè)對講機，一條警棍。隨著(zhù)GPS的出現，基站即總臺對每個(gè)保安的地理位置信息的掌握成為可能。即每個(gè)保安配備一套 GPS定位設備，以及一套將自身位置信息發(fā)送給總臺的無(wú)線(xiàn)收發(fā)設備。由于給每個(gè)保安重新配備一套設備成本高昂，而且淘汰已有的對講機不夠現實(shí)，于是，將對講機作為已有的信道載體，便一舉兩得，只須對舊的對講機作局部電路的調整修改，就能既方便又實(shí)際地構筑前所未有的安全體系。

　　圖1 電子巡查系統應用

　　利用主板與各個(gè)功能模塊的結合組成移動(dòng)智能終端。它包括MCU即單片機AT89S52、GPS接收模塊、模擬調制解調芯片MSM6882、液晶顯示模塊 LCD1602、語(yǔ)音合成芯片XF1M01，見(jiàn)圖2。移動(dòng)智能終端完成正向GPS數據采集、處理和發(fā)送，以及反向對總臺命令進(jìn)行接收、識別、執行。其中 GPS模塊一秒鐘輸出一次GPS信息，MCU將其收錄，并在顯示模塊上顯示自身經(jīng)緯度和時(shí)間日期。然后通過(guò)調制解調芯片將數據加載到對講機然后無(wú)線(xiàn)傳輸給總臺，完成正向任務(wù)。

　　圖2 智能終端結構

　　接著(zhù)會(huì )有大約半秒種時(shí)間段等待總臺命令，若收到總臺的命令，即根據數據幀判斷命令類(lèi)型，提取相應數據，經(jīng)MCU處理后執行相應的顯示操作和語(yǔ)音提示操作，完成反向任務(wù)。當終端接收到目標命令信息并處理執行后，重新發(fā)送回總臺時(shí)前導碼改變以表示命令接收成功，使總臺作出相應處理。例如前導碼可以從 “start”變成“start1”。

　　和以往功能單一，界面欠缺人性化的便攜式設備相比，這個(gè)GPS數據采集處理傳輸一體化智能終端有了功能的擴展。首先，每個(gè)保安可以在LCD顯示屏上看到自己的所在經(jīng)緯度、時(shí)間日期等信息，給保安一個(gè)直觀(guān)，清晰的地理位置感。另外，可以實(shí)時(shí)接收來(lái)自總臺的命令信息，經(jīng)MCU處理后，將總臺派遣前往的地點(diǎn)經(jīng)緯度現實(shí)在LCD屏幕與自身位置加以對比，實(shí)現信息的透明化。另一個(gè)改進(jìn)是語(yǔ)音提示智能化以及角度偏置的計算，通過(guò)接收總臺發(fā)出的目標派遣地點(diǎn)經(jīng)緯度，與自身位置比較后，明確清晰地提示保安該往什么方向走多遠。系統終端采用51系列的單片機作MCU。用調制解調芯片把信號加載到對講機實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸代替獨立的無(wú)線(xiàn)通信模塊。液晶屏選取簡(jiǎn)單易用的LCD1602。方案大大降低成本，而且穩定可靠。

　　如圖所示，在1秒時(shí)隙內，先接收GPS信號（圖中GPS表示），經(jīng)采集后再發(fā)送給調制芯片（圖中Send_data），然后控制LCD顯示（圖中 LCD），顯示完畢后開(kāi)始等待接收總臺命令信號，等待直至下一秒的到來(lái)，相隔大約0.6秒。若下一秒到來(lái)前沒(méi)有命令信號則轉入下一個(gè)循環(huán)；若下一秒到來(lái)前有接收到命令信號則進(jìn)入接收程序（圖中Receive_data），經(jīng)過(guò)短暫的數據處理時(shí)間段（圖中process）后再啟動(dòng)顯示（圖中 LCD2），然后驅動(dòng)語(yǔ)言芯片發(fā)音（圖中Speak）。成功收到命令信息后，下一周期的“Send_data”將改變前導碼以反饋給總臺。

　　硬件電路設計

　　圖5 智能終端整體硬件電路

　　MCU

　　本設計采用AT89S52作為MCU，其中P0口與P1口的2，3，4控制LCD1602；P1口的5，6，7作為同步串口控制調制解調芯片MSM6882；串口的RX接收GPS數據，TX發(fā)送語(yǔ)音數據（見(jiàn)圖5）。

　　GPS模塊

　　設計采用u-blox公司的GPS接收模塊nr-86，該模塊體積小重量輕，集成高靈敏度、低功耗的NemeriX芯片方案于設計中。本模塊能快速定位， 1Hz導航更新頻率，并可以對16顆衛星進(jìn)行同時(shí)跟蹤。支持WGS-84的數據協(xié)議。它接口簡(jiǎn)單，TTL電平串口輸出NMEA-0183格式的數據，只須連接模塊的TX端與51單片機的RX端，另外單片機P1.0與模塊的RESET端相連，以控制模塊復位。本設計采用NMEA默認格式中的$GPRMC協(xié)議，是由于該協(xié)議精簡(jiǎn)，信息覆蓋面廣，數據容易被單片機采集處理。

　　調制解調芯片MSM6882

　　在設計時(shí)，89S52單片機通過(guò)同步串口與該芯片相連，然后由芯片把信號調制到模擬信道，再將信號加載到對講機（PTT）上，由對講機實(shí)現無(wú)線(xiàn)傳輸。單片機CLK引腳的輸入時(shí)鐘周期應在0.42μs到1.35μs范圍內，通過(guò)可調電阻調節調制信號輸入到電臺的幅值。信號一路經(jīng)信號限幅后送入 MSM6882的AI引腳，另外一路經(jīng)放大、檢波、幅值比較后送入單片機，以作為載波檢測信號。當系統檢測到該信號時(shí)，可以采取延時(shí)發(fā)送的方式來(lái)避免同頻干擾和信道阻塞。

　　語(yǔ)音合成芯片XF1M01

　　語(yǔ)音合成芯片 XF1M01通過(guò)異步串口接收待合成的文本，它內含GB-2312漢字字庫，外接單支三極管驅動(dòng)揚聲器，即可實(shí)現文本到聲音（TTS）的轉換，設計中音頻輸出通過(guò)功放再送給揚聲器，以獲得較大音量，適應戶(hù)外環(huán)境。只須送給它漢字的內碼（即16位二進(jìn)制字符），即可讀出一字，多送多讀，因此對存放空間的要求要低，適合電子巡查系統的應用。芯片空閑時(shí)Ready端輸出低電平，因此將其連至單片機P3.2，單片機即可掃描該引腳，當芯片空閑時(shí)就通過(guò)異步串口給它發(fā)送數據。傳輸波特率由Baud_0、Baud_1兩個(gè)引腳決定，設計中采用的是9600bps。單片機的P1.1與芯片RESET端相連以控制芯片復位。

　　設計了一個(gè)嵌入式智能移動(dòng)定位終端，經(jīng)過(guò)實(shí)物調試成功。巧妙利用低成本硬件實(shí)現了GPS的信號采集、處理、傳輸等的功能。設計通過(guò)低成本的設備改良制作出了智能移動(dòng)終端，實(shí)現總臺對保安位置等信息的掌握，監控。本設計巧妙地運用原有對講機網(wǎng)絡(luò )作為數字通信媒介，使得成本更低應用更方便。另外語(yǔ)音合成文本芯片的運用簡(jiǎn)化了硬件的開(kāi)發(fā)。