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小车硬件设计

2025-09-29 17:15:25 责编:小OO

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第二章智能车硬件设计

2.1智能车硬件设计

基于无线协同搜索的运输车的原型的硬件构成如下图2-1所示。

图2-1 智能车硬件框图

Figure2-1 Hardware block diagram of the smart car

2.1动力电源设计

电源是向电子设备提供功率的装置，也称电源供应器，它提供系统中所有部件所需要的电能。电源功率的大小，电流和电压是否稳定，将直接影响系统的的工作性能和使用寿命。电源是系统的能量之源，所以电源的好坏直接影响系统的稳定性。由于智能车采用4节1.2V电池供电，其中电机工作电压在9V所以采用三级结构进行供电。系统供电部分分配图示如2-2所示。

图2-2系统供电部分分配图

Figure2-2 System power supply section allocation map

● 第一级为从4.8V的电池供电升压至9V的动力电源；

● 第二级为从9V的电源降至5V的系统电源

● 第三级为从5V的电源降至3.3V的控制器电源

电源有多重分类，例如开关电源、线性稳压电源、逆变电源、交流稳压电源等等。线性稳压电源是比较早使用的一类直流稳压电源。线性稳压直流电源的特点是：输出电压比输入电压低；反应速度快，输出纹波较小；工作产生的噪声低；效率较低（现在经常看的LDO就是为了解决效率问题而出现的）；发热量大（尤其是大功率电源），间接地给系统增加热噪声。

而线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区,靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大,需要安装一个很大的散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz)上,所以重量较大。所以使用线性稳压电源会加大系统的负担[3]。本系统采用采用开关稳压电源作为系统的总电源。

2.1.1开关电源设计

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成[4]。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

1.工作原理

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

图2-3 开关电源的伯德图

Figure 2-3 Bode diagram of the switching power supply

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

工作特点：

● 体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。

● 功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电电源只有30～40%。

开关电源选型:根据智能车的系统参数要求选择TI公司设计的集成开关电源芯片LM2623。LM2623引脚图及逻辑功能图如图2-4所示。

LM2623引脚图 LM2623逻辑功能图

图2-4LM2623引脚图及逻辑功能图

Figure2-4 LM2623 pin diagram and logic diagram

2.性能以及参数

LM2623采用4mm×4mm耐热增强LLP封装。LM2623是一个高效率、通用、升压型DC-DC切换为电池供电和低输入电压系统的稳压器。她接受一个0.8V和14V之间的输入电压转换成1.24V-14V的稳压输出电压。效率高达90%的LM2623实现。为了适应许多应用，LM2623允许设计师改变输出电压，工作频率和占空比部分的性能优化。选定的值可以固定或可以随电池或输入输出电压比。LM2623规定当他到达的规线通过跳开关周期[5]。

各参数对应的关系如图2-5所示。

转换效率温度特性

输入电电压与开关频率关系图启动电压与温度关系图

图2-5各参数对应的关系

Figure2-5 Figure 2-6 The parameters corresponding relationship

LM2623特点：

● 很宽的负载范围内效率高；

● 低输出电压文波；

● 高度集成，小封装减少PCB面积；

● 高达2MHZ的开关频率；

● 1.8V至14V工作电压，1.1V启动电压；

● 1.24V至14V的可调输出电压；

● 效率高达90%，80uA典型工作电流；

LM2623电路原理图如图2-6所示。

图2-6 LM2623电路原理图

Figure 2-6 LM2623 circuit diagram

参数选择：

由于输出电压为9V所以根据LM2623计算公式：

(1)

化简得：

(2)

其中1.24V为基准电压。

根据LM2623数据手册，RF2变化范围在50 K至100 K，而则根据公式（1）推出。这里选用精度为1％的金属膜电阻52.3K：

把与带入公式（1）得：

由于电阻标称值中没有327K的电阻，所以选用330 K作为的电阻值。

把

带入公式（2）中得：

所得到的电压符合设计要求。

选择150 K，则根据图2-7，得知：开关频率为1M。

图2-7频率与输入电压关系

Figure 2-7 Frequency with Input Voltage

● L1选用4.7uH功率屏蔽电感

● C20选用220UF极性电容

● D1选用1A快速开关二极管

● C21选用100UF极性电容

最终设计图2-8为:

图2-8升压电路最终设计图

Figure 2-8 Final boost circuit design

PCB布局：

减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰；

使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力[6]。最终升压电源部分的PCB设计如下图2-9所示。

● 选择单点接地，底层采取大面积敷铜；

●将控制器系统电路与模拟电路分开；

图2-9升压电源部分的PCB设计

Figure2-9 PCB design boost power supply part

2.1.2系统电源设计

采用线性稳压电源方案，采用TI公司的LM7805集成线性稳压集成芯片进行9V至5V系统电源的转换，其内部框图如图2-10所示。电气参数表如2-1所示。7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多种固定的输出电压，应用范围广[7]。内含过流、过热和过载保护电路。

图2-10 LM7805内部框图

Figure2-10 LM7805 internal block diagram

表2-1电气参数

根据要求系统电源的供电电流大于600MA小于800MA，所以选用LM7805C。LM7805连接图及静态电流与输入电压关系如图2-12所示。

实际设计图静态电流与输入电压关系图

图2-12 LM7805连接图及静态电流与输入电压关系

Figure2-12 LM7805 Connection Diagram and quiescent current and input voltage relationship

前段使用C22 104电容进行滤波，电压输出端采用C23与C26进行滤波是电压更为平稳。由于LM7805输入端为动力电源的输出9V电压，根据静态电流与输入电压关系图可知LM7805在正常工作时的静态电流为5.2MA，符合设计要求。

2.1.3.控制系统电源设计

控制系统电源是向控制部件进行供电，需要将5V进行降压至3.3V，这里采用LM1117。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。它与国家半导体的工业标准器件LM317有相同的管脚排列如下图2-13所示。

图2-13 LM1117管脚图

Figure 2-13 LM1117 pin diagram

特性：

● 节省空间的SOT-223和LLP封装

● 电流和热保护功能

● 输出电流可达800mA

● 线性调整率：0.2% (Max)

● 负载调整率：0.4% (Max)

● 温度范围

－LM1117：0℃~125℃

－LM1117I：-40℃~125℃

LM1117内部功能框图如图2-14所示，其电气参数如图2-15。

图2-14 LM1117内部功能框图

Figure 2-14 LM1117 internal functional block diagram

图2-15基本电器参数

Figure 2-15 Basic electrical parameters

参数选取：

输入旁路电容选取104电容，输出电容对于保持输出电压的稳定性起着非常重要的作用，它必须同时满足最小容值和ESR（等效串联阻值）的要求。如果使用钽电容，LM1117要求输出电容的最小值为10uF。输出电容值的增加提高了回路的稳定性和瞬态响应。输出电容的ESR值必须在0.3Ω~22Ω之间，这里用104电容与10UF电容并联开稳定输出[8]。短路电流以及温度稳定性关系如图2-16所示。

短路电流温度稳定性

图2-16 短路电流及温度稳定性关系

Figure2-16 Relationship between the short-circuit current and temperature stability

最终设计电路为如图2-17所示：

图2-17 LM1117设计图

Figure 2-17 LM1117 design

2.2核心控制器设计

2.2.1控制器部分电路设计

控制器选型：基于无线协同搜索的运输车需要采集大量模拟数据进行转换与分析，同时负载将收集到的信息进行优化运算，再将运算结果以及系统本身的运行状态通过无线模块发给同类型的基于无线协同搜索的运输车控制中心。所以核心控制器采用ST意法半导体生产制造的基于CORTEX M3构的STM32F103RBT6控制芯片。STM32系列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。

STM32F103RBT6简介：

具业界领先架构的Cortex-M3内核

● 哈佛结构

● 1.25 DMIPS/MHz和0.19 mW/MHz

● Thumb-2指令集以16位的代码密度带来了32位的性能

● 单周期乘法指令和硬件除法指令

● 内置了快速的中断控制器

● 优越的实时特性

● 中断间的延迟时间降到只需6个CPU周期

● 从低功耗模式唤醒的时间只需6个CPU周期

● 与ARM7TDMI®相比运行速度最多可快35%且代码最多可节省45%

出众的功耗效率：高性能并非就意味着高耗电。Stm32经过特殊的处理针对市场上主要的三种能耗需求进行了优化：

● 运行模式下高效率的动态耗电机制

● 待机状态时极低的电能消耗

● 电池供电时的低电压工作能力

其他特性：

● 内核：ARM32位Cortex-M3 CPU，最高工作频率72MHz，1.25DMIPS/MHz。单周期乘法和硬件除法。

● 存储器：片上集成32-512KB的Flash存储器。6-KB的SRAM存储器。

● 时钟、复位和电源管理：2.0-3.6V的电源供电和I/O接口的驱动电压。POR、PDR和可编程的电压探测器（PVD）。4-16MHz的晶振。内嵌出厂前调校的8MHz RC振荡电路。内部40 kHz的RC振荡电路。用于CPU时钟的PLL。带校准用于RTC的32kHz的晶振。

● 低功耗：3种低功耗模式：休眠，停止，待机模式。为RTC和备份寄存器供电的VBAT。

● 调试模式：串行调试（SWD）和JTAG接口。

● DMA：12通道DMA控制器。支持的外设：定时器，ADC，DAC，SPI，IIC和UART。

● 2个12位的us级的A/D转换器（16通道）：A/D测量范围：0-3.6 V。双采样和保持能力。片上集成一个温度传感器。

● 2通道12位D/A转换器：STM32F103xC,STM32F103xD,STM32F103xE独有。

● 最多高达112个的快速I/O端口：根据型号的不同，有26，37，51，80，和112的I/O端口，所有的端口都可以映射到16个外部中断向量。除了模拟输入，所有的都可以接受5V以内的输入。

● 最多多达11个定时器：4个16位定时器，每个定时器有4个IC/OC/PWM或者脉冲计数器。2个16位的6通道高级控制定时器：最多6个通道可用于PWM输出。2个看门狗定时器（看门狗和窗口看门狗）。Systick定时器：24位倒计数器。2个16位基本定时器用于驱动DAC。

● 最多多达13个通信接口：2个IIC接口（SMBus/PMBus）。5个USART接口（ISO7816接口，LIN，IrDA兼容，调试控制）。3个SPI接口（18 Mbit/s），两个和IIS复用。CAN接口（2.0B）。USB 2.0全速接口。SDIO接口。

● 10.4μA低功耗运行模式，32kHz运行频率

● 6.1 μA低功耗睡眠模式，一个计时器工作

● 1.3 μA 停机模式：实时时钟(RTC)运行，保存上下文，保留RAM内容

● 0.5 μA 停机模式：无实时时钟运行，保存上下文，保留RAM内容

● 1.0μA待机模式：实时时钟运行，保存后备寄存器

● 270nA待机模式：无实时时钟运行，保存后备寄存器

STM32F103RBT6管脚图如2-18所示。

图2-18 STM32F103RBT6管脚图

Figure 2-18 STM32F103RBT6 pin map

STM32F系列新增低功耗运行和低功耗睡眠两个低功耗模式，通过利用超低功耗的稳压器和振荡器，微控制器可大幅度降低在低频下的工作功耗。稳压器不依赖电源电压即可满足电流要求。STM32F还提供动态电压升降功能，这是一项成功应用多年的节能技术，可进一步降低芯片在中低频下运行时的内部工作电压。在正常运行模式下，闪存的电流消耗最低230μA/MHz，STM32F的功耗/性能比最低185μA/DMIPS。

系统控制器部分电路设计如下图2-19所示：

图2-19 控制器部分电路图

Figure 2-19 Controller part of the circuit

2.2.2 STM32RBT6调试以及下载电路设计

STM32RBT6有两种方式进行代码烧录，第一种采用JTAG同时可以在线仿真，第二种为采用串口ISP烧写，但是此种方式不能再线调试。

1 JTAG仿真电路

2 串口ISP烧写电路

PL2303 用于实现 USB 和标准 RS-232 串行端口之间的转换，两个的大型缓冲用于两种总线的连接.大型数据缓冲器用于 USB 的批量数据传输.自动握手模式可用于串行通讯，因而可以达到远大于标准 UAR T 控制器的波特率。

2.3用户接口电路设计

2.3.1液晶显示模块

调试信息显示模块采用MzLH04-128，该模块为一块128×点阵的LCD显示模组，模组自带两种字号的汉字库（包含一、二级汉字库）以及两种字号的ASCII码西文字库；并且自带基本绘图功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等；此外该模块特色的地方就是还自带有直接数字显示。模组为串行SPI接口，接口简单、操作方便；与各种MCU均可进行方便简单的接口操作。实物及尺寸关系如图2-20所示。

图2-20实物及尺寸关系

Figure 2-20 Physical and size relationships

● 128 × 点阵FSTN ；

● 串行SPI接口方式（仅写入）；

● 自带12×12点和16×16点汉字库（包含一级和二级汉字库）；

● 自带6×10、8×16点ASCII码西文字库（96个字符）；

● 自带基本绘图GUI功能（绘点、直线、矩形、矩形框、实心圆形、圆形框）；

● 自带整型数显示功能，直接输入整型数显示，而无需作变换；

● 带有背光控制指令，只需一条指令便可控制背光亮度等级（0~127）。

MzLH04模块的显示面板上，共分布着128×个单色像素点，每个像素点均与模块中的显示控制器中的显存有着对应关系，控制器有1K byte的显存映射着整个屏幕的显示区域；不过与一般的单色液晶模块不同，MzLH04模块内部的显示控制器是不需要用户来直接控制这些显存的数据来改变显示的画面的，而只需要通过控制器所提供的各种接口指令就可以完成各种显示了。

MzLH04将显示区域性以X和Y轴进行二维的坐标划分，将横向和纵向以X轴地址（X Address）和Y轴地址（Y Address）表示，分别可以寻址的范围为X Address=0~127，Y Address = 0~63，X Address和Y Address交叉对应着一个像素点。

MzLH04模块的像素点地址关系如图2-21所示。

图2-21 MzLH04模块的像素点地址关系

Figure2-21 Pixel MzLH04 module addresses the relationship

图2-22液晶屏电路连接图

Figure 2-22 LCD circuit connection diagram

MzLH04模块当中有一个LCD显示控制器，以及存放字库的存储器，用户在使用该模组时，一般只需要使用串行SPI接口对控制器写入规定的指令以及指令的数据，即可完成绘制像素点、画直线、实心矩形、矩形框或者是实心圆、圆框，以及在屏幕上的任意位置显示西文（ASCII字符）、一二级汉字库中的汉字。当然，如果用户需要显示自己提取的汉字字模或者是位图图像，也可以通过对控制器写入位图指令及相关的尺寸数据后，跟着连续写入要显示的字模的数据即可。

2.3.2按键电路

本系统中另外添加用户按键以及用户指示灯，方便信息调试以及工作模式选择。按键及指示灯电路图如2-23所示。

图2-23按键及指示灯电路图

Figure 2-23 Schematic buttons and LEDs

2.3无线模块设计

系统需要将大量的迷宫数据中得节点坐标不断传输到另外一个原型机中，所以选用传输数据量大的nRF24L01。nRF24L01芯片引脚图如下图2-24所示。

图2-24 nRF24L01芯片引脚图

Figure 2-24 nRF24L01 chip pin diagram

NRF24L01是NORDIC公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用FSK调制，内部集成NORDIC自己的Enhanced Short Burst 协议。可以实现点对点或是1对6的无线通信。无线通信速度可以达到2M（bps）。nRF24L01特别适合采用电池供电的2.4G应用，整个解决方案包括链路层和MultiCeiver功能提供了比现有的 nRF24XX 更多的功能和更低的电源消耗，这一点已经把竞争对手远远的抛在后面，与目前的蓝牙技术相比在提供更高速率的同时，而只需花更小的功耗。

主要特点：

● 2.4Ghz 全球开放ISM 频段免许可证使用；

● 最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强特别适合工业控制合；

● 126 频道，满足多点通信和跳频通信需要；

● 内置硬件CRC 检错和点对多点通信地址控制

● 低功耗1.9 - 3.6V 工作，待机模式下状态为22uA；掉电模式下为900nA；

● 内置2.4Ghz 天线，体积小巧 15mm X29mm；

● 模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据（提供中断指示)，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便；

● 工作于Enhanced ShockBurst 具有Automatic packet handling, Auto packet transaction handling,具有可选的内置包，应答机制，极大的降低丢包率。

系统的模块结构如2-25所示。

图2-25模块结构

Figure 2-25 Module structure

NRF2401有工作模式有四种：

收发模式、配置模式、空闲模式、关机模式，工作模式由PWR_UP register 、PRIM_RX register和CE决定。配置模式与相关寄存器位的关系如下图2-26所示。

图2-26配置模式与相关寄存器位的关系

Figure 2-26 Configuration Mode with relevant register bits

NRF2401的所有配置工作都是通过SPI完成，共有30字节的配置字。推荐NRF24L01工作于Enhanced ShockBurstTM 收发模式，这种工作模式下，系统的程序编制会更加简单，并且稳定性也会更高。nRF24L01无线收发模块的电路如下图2-27所示。

图2-27 nRF24L01无线收发模块的电路

Figure2-27 nRF24L01 wireless transceiver module circuit diagram

2.4检测模块电路设计

基于无线协同搜索的运输车通过感应地面上黑色引导线，所以这里使用高功率红外管ST188来检测黑线。即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外接收管可以接受到，在小车行驶过程中红外发射管不断发出红外线，当发出的红外线射入黑线时，此时只有少量红外光被反射，其余红外光将被黑色引导线吸收，红外输出低的电压，若红外接收管没有在黑线上方则可以接收到经轨道地板反射回大部分光线则输出高的电压，将输出的高低电压送到控制器的AD端口，此时经AD转换后呈现的是连续变化的数值，方便使用PID算法进行循线。光电特性表如表2-2所示。ST188实物图示及内部原理图如图2-28所示。

表2-2 ST188光电特性表

图2-28 ST188实物图示及内部原理图

Figure2-28 ST188 Physical and internal schematic diagram

电路设计：这里采用把5个发射管串接的方式，保证在同一电源变化下每个光电管发射的功率一致，让接收管接受到的信号波动幅度也保持一直，具体电路原理图如2-30所示。

图2-30 ST188红外检测电路原理图

Figure 2-30 ST188 Infrared detection circuit schematics

相关参数关系曲线如下图2-31所示：

图2-31相关参数关系曲线

Figure2-31 Curve parameters

2.5电机选型以及电机驱动

在本系统中采用有刷直流减速电机为驱动机构，采用PWM进行调速。

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