灭火机器人的设计与制作之电路设计

在前几篇文章中介绍了灭火机器人的概况，在本文中主要介绍了在主控板上各功能模块的电路设计方案，文中主要介绍了微处理器、指示灯、按键等、A/D采样模块、电机驱动模块、稳压电源模块等，并提供了原理图下载、当然设计中也参考了一些其它设计。

考虑到灭火机器人功能模块较多，需要实时处理的数据量大，并且系统比较复杂。所以要求MCU具有：集成度高、体积小、速度快等特点。

在对比了多款MCU后，结合自己的使用习惯，选择了调试接口简单、体积小、速度快的基于ARM7内核的LPC2148微处理器。

LPC2148是NXP公司出品的一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32位ARM7 TDMI-S CPU微控制器，并带有32kB片内SRAM和512kB嵌入的高速Flash存储器。这使得不必外扩RAM或ROM即可完成程序的存储及运行，大大简化了外围电路的设计。

LPC2148有2个32位定时器、2个10位ADC（共14路）、1个10位DAC、1个PWM控制器、45个高速GPIO口以及多达9个边沿或电平触发的外部中断管脚，如此丰富的资源完全可以胜任系统的要求。

通过一个可编程的片内 PLL（100us 的设置时间）可实现最大为 60MHz 的 CPU工作频率。在本系统中，为了能给串口通信提供准确的时钟信号，使用了频率为11.0592MHz的外部晶振，通过片内PLL四倍频将系统时钟提高到44.2368MHz。

系统采用两节锂电池串联作为电源，锂电池正常放电电压为7.2V，充满电时，电压可以达到8V，低于5V时将停止工作。锂电池无记忆效应，电能转化效率高，但对充放电要求比较高，过充和过放都会降低锂电池的使用寿命，为了降低电路复杂度，在系统中没有设置低压检测以及充电电路。在使用过程中，为防止过放电，工作一段时间就充电，充电时使用外部现成的充电器。

在本系统中共有三路稳压电源，一路3.3V为CPU供电、一路5V为其它外围器件供电、一路12V为电机供电。

LPC2148操作电压范围为3.0V~3.6V(3.3 V±10%)，在这里采用最大电流为800mA的低压差三端稳压块SPX1117-3.3，输出电压误差为2%，满足CPU稳定工作的要求。

5V稳压模块采用开关稳压芯片LM2575T-5.0，LM2575是美国国家半导体公司生产的1A集成稳压电路，它内部集成了一个固定的振荡器，只须极少外围器件便可构成一种高效的稳压电路，可大大减小散热片的体积，而在大多数情况下不需散热片；内部有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等；芯片可提供外部控制引脚。相对于传统的线性稳压芯片，它采用开关式的电源IC，就这使的电源转换效率提高，减少了电能的浪费，是传统三端式稳压集成电路的理想替代产品。

本系统中使用的电机是额定电压为6V的直流电机，为了使机器人能达到更快的速度，采用加电提速法。经过实验，电机可以短时间内工作在12V左右。因此，使用DC-DC升压芯片LM2577T-12将电压提高并稳定在12V，这样可以使电机高速运行，并且保证了电机供电电压的稳定性，消除了电机转速与控制信号由于电压下降产生的不一致性。

在拥有A/D转换的电路中，为了降低电路噪声对采样电路的影响，一般来说会将数字电路和模拟电路分开，即电源下游有两组稳压电源，一组数字电源给MCU及其它数字电路供电，另一组模拟电源专门给传感器及MCU上的A/D转换器供电，降低互相之间的干扰。并且数字地与模拟地之间需单点共地，即数字电源的地线与模拟电源的地线通过跳线、零欧电阻或电感相连，确保两组电源保持同一参考电势，且不构成回路。

A/D转换器工作时需要有两个基准电压，通过将输入的信号电压与基准电压相比较，最终将输入的模拟信号转换成数字信号。基准电压的稳定性直接关系到输出数字信号的准确性和稳定性。系统中下基准定为0V即直接接地，上基准使用MC1403AU芯片产生的2.5V基准电压，该芯片的输出电压误差为1%即0.025V，在10位AD转换器上会产生10.23的偏差，通过软件滤波后的输出值可以满足系统对精度的要求。

LPC2148有两个A/D转换器，共提供14路模拟输入，本系统中使用其中的10路作为外扩A/D，使用三脚排针引出用来连接传感器。在模拟信号输入与5V电源之间使用地线隔开降低干扰，并且在模拟信号输入端加入小电阻限流，防止因外部电路短路导致输入电流过大而烧毁ARM芯片。

为了机器人能够支持声音启动方式，在控制主板上加入了声音检测电路，规则中要求是能检测到3kHz～4kHz频率的声音才能启动机器人，在系统中为了降低设计难度，采用判断声音强弱的方式来启动机器人。

麦克风采集到声音信号后通过LM386音频运放进行放大，放大倍数为200，没有声音时输出电压在2.5V左右，当有声音时输出电压会在2.5V上下波动，通过电阻和电容构成高频滤波，滤去电路板其他元器件产生的高频噪声。

在本系统中使用两片LMD18200分别驱动两个直流电机为机器人提供动力。LMD18200是美国国家半导体公司推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件，同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件。此种芯片瞬间驱动电流可达6A，正常工作电流可达3A，具有很强的驱动能力。

LMD18200的5脚为PWM波输入端，通过改变PWM的占空比就可调节电机的速度，改变3脚的高低电平即可控制电机的正反转，改变4脚的高低电平可以使能或禁能电机驱动。

在最初的调试过程中发现，有刷直流电机运行过程中的电磁干扰对电源电路的影响很大。通过示波器观察发现，电机在运行过程中，电源信号中会有很多周期性的高频干扰。电源电压不稳定导致传感器的输出信号非常不稳定。为了降低电机对A/D采样电路的影响，采用光耦将控制电路与电机驱动电路隔离，使用单独的一组电源为电机驱动电路供电。实践证明，隔离后电机对A/D采样电路的影响非常小，可以满足系统要求。

原理图：点击下载

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