第三章系统硬件电路设计

在一只电脑鼠的架构完成前必须先进行硬件的整体规划，如果架构设计略过不做的话，在实际制作中会觉得不知道从何下手，所以一个

好

的

规

划

是

非

常

重

要

的

，

图 为系统硬件架构发展流程图。

一般来说一只完整的电脑鼠主要由机身、电源、传感器、微处理器，人机界面及电机五大部分所组成，在此依照先后制作顺序来一一规划，分别为机身、微处理器、电源、电机、传感器、人机界面。如错误！未找到引用源。所示。各部分概要： ①机身：支撑电脑鼠，以及安放电路板的平台； ②电源：给整个电路提供电压，是电脑鼠动力的来源； ③电机：受微处理器控制使电脑鼠动作；

④传感器：相当于电脑鼠的眼睛，用于感知四周的墙壁情况，以及电脑鼠是否走歪；

⑤人机界面：启动电脑鼠，调节相关参数，并反映电脑鼠当前情况；

⑥微处理器：即电脑鼠的头脑，接受传感器传来的信息，然后经过判断、思考控制电机，同时能够记忆迷宫，并计算最短路径，使电脑鼠能在最短的时间内到达终点。电脑鼠硬件系统设计中的机身部分设计完成后,主要的是硬件电路的设计,主要包括LPC2138最小系统电路设计,电源电路,传感器检测电路,步进电机驱动电路和人机交互的键盘显电路.以下将分别对各个模块电路的原理进行分析,电路中元器件的参数进行计算和电路的最终设计。

传感器 电LPC2138 源 电机 人机界面 机 身

图3.1 系统硬件框图

图 3.2 系统硬件电路发展流程

3.1电脑鼠机身设计

机身是电脑鼠最基本的架构，它的设计在电脑鼠的整体规划中占有相当的地位，但却也是最关键的地方。以下将探讨机身设计时所应注意的地方。

有关于机身的设计，原则上整体结构要坚固耐用，材质要轻、重心要低，还有在设计不但要配合各零件的规格，也要符合迷宫的规格，根据规则的规定，比赛中迷宫的每一个单元格都是18cm×18cm的正方形，每一个单元格的墙壁都有1.2cm，也就是说电脑鼠的最大宽度应限定在18-1.2=16.8cm之内。但因为老鼠在迷宫中行走时要有一定的空间裕度，否则稍微有一点不稳定还没来得及调整就会撞在墙壁上，再者为了便于转弯灵活，电脑鼠应该做的尽可能的小，在本文的实际制作中，电脑鼠机身规格为：长12cm，宽8cm，高5cm，用轻制铝合金制作而成。

另外，轮子在整个机身的设计也占有相当的地位.一般来说，轮子分为主动轮和从动轮，主动轮即是电机所带动的轮子，主动轮要有两个，两主动轮之间的距离必须在16.8cm以下才能在迷宫中行走，在本设计中两轮之间的距离设定为11.2cm，安置在机身两侧的中心线上。兼于机身的高度，为了降低重心，保证电脑鼠行使的更稳，我们设计的轮子半径大小约为24mm。从动轮的选择也要注意配合，首先一定要灵活，否则会影响老鼠在行走过程中的姿态，致使控制起来很困难。其次，从动轮个数的选择要恰当，若用两个从动轮，设计精度比较高时则行走非常稳定，尤其是在转弯的时候比单个从动轮要稳定的多，但双从动轮对设计精度的要求非常高，而且不能走不平整的路，三点确定一个平面，若有两个主动轮和两个从动轮，则在设计精度不够的情况下或者是走在不平整的地面上时，会有一个轮子悬空，给控制带来不便；单个从动轮不存在这个问题，因为在任何情况下(除非老鼠飞起来)它都是三点接触地面的，但它在转弯的时候就容易造成误差。

表 3.1电脑鼠轮子设计的优劣对比

设计时注意事项 主轮 两主轮间距离要小于16.8cm（最好在10~12cm之间，以免微小的偏移就撞墙）。 单辅轮 双辅轮 优点 设计良好，则行走行走时主轮较不会空转。 十分稳定。 转弯时误差较大。 设计较困难；若设计不良，行走时容易造成主轮空转。 设计较容易； 转弯时较稳定；若缺点

在选择方案时，选用的是双主动轮，单从动轮的方案，从动轮使用万向轮，转弯时是通过两个主动轮的差速来达到转弯效果，通过读取传感器来进行及时调整消除单从动轮转动时造成的误差。电脑鼠的机械架构的如图 3.3所示:

图 3.3 电脑鼠机身框架图

3.2 LPC2138最小系统设计

微处理器是电脑鼠的大脑，是整个硬件电路设计的灵魂，负责整个硬件电路系统中各个周边电路、元件的协调。

在本设计中，选用了PHILIPS公司的基于ARM7TDMI-S核、单电源供电的LPC2138作为系统的微处理器。对于LPC2138芯片，最小系统需要两组电源、复位电路、晶振电路，P0.14脚接一个上拉电阻禁止ISP功能。LPC2138最小系统原理方框图如图 所示。

JTAG接口电路 复位电路 LPC2138 电源电路 系统时钟电路

图 3.4 LPC2138最小系统原理框图

ARM内核采用精简指令集计算机（RISC）体系结构，具有大量的通用寄存器，指令格式使用统一和长度固定，寻址方式简单，内含2套指令系统（ARM指令集和Thumb指令集）。极低的功耗，适合对功耗要求较高的应用，如便携式产品。 能够提供0.9MIPS/MHz的三

级流水线结构。LPC2138一些主要特性：

(1) 小型(2) 8KB

LQFP封装的16/32ARM7TDMI－S微控制； 片内静态RAM；

片内Flash程序存储器。128位宽度接口/加速器实现高达

(3) 32KB

60MHz的操作频率；

(4) 片内

Boot装载程序实现在系统编程（ISP）和在应用编程（IAP）。

Flash编程时间：1ms可编程256字节，扇区擦除或整片擦除只需400ms；

(5) EmbeddedICE－RT

和嵌入式跟踪接口，可实时调试和高速跟踪

执行代码；

(6) 2

个8路10位A／D转换器共包含8个模拟输入，每个通道的个32位定时器（带4路捕获和4路比较通道）、PWM单元（6

2个16C550工来标准UART、2个高速

转换时间短至2.44µs；

(7) 2

路输出）和看门狗；

(8) 多个串口行接口，包括

I2C接口（400Kb/s）、SPI和具有缓冲作用和数据长度可变功能的SSP;

(9) 向量中断控制器。可配置优先级和向量地址； (10) 多达(11) 多达

47个可承受5V电压的通用I/O口； 9个边沿或电平触发的外部中断引脚；

PLL可实现最大为60MHz的CPU操作频率；

(12) 通过片内

(13) 片内晶体振荡电路支持频率：1～30MHz； (14) 2

个低功耗模式：空闲和掉电；

(15) 通过外部中断将处理器从掉电模式中唤醒；单电源供电，含有

上电复位（POR）和掉电检测（BOD）电路。CPU操作电压为3.0～3.6V。 3.2.1电源电路

LPC2138微控制器的内核和I/O使用同一电源电压，只需单电源3.3V供电。从外部输入5V直流电源，经过C6、C7滤波，然后通过SPX1117M3-3.3将电源稳压至3.3V。当正确连接电源后，POWER灯点亮。LPC2138具有的模拟电源引脚VDDA、VSSA，为了降低噪声和出错几率，模拟电源与数字电源应该隔离。图3.5中的L1和L2就是用于电源隔离的元件（将数字电源的高频噪声隔离）,一般取10uH。

U1SPX1117M3-3.3VINGNDVCC5V3VOUT2VDD3.3L110uHC10.1uFV3.3AC20.1uFVSSAL210uHC30.1uFC44.7uFC50.1uFC.7uFC70.1uFR33KLED1POWER1 图 3.5 系统电源电路

SPX1117M3-3.3是Sipex公司生产的LDO芯片，其特点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性高。SPX1117系列LDO芯片输出电流可达800mA，输出电压的精度在±1%以内，还具有电流和热保护功能，可广泛应用在手持式仪表、数字家电和工业控制等领域。使用时，其输出端通常需要一个至少10µF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。实际电路用了一个4.7µF的钽电容。 3.2.2 复位电路

由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限低，对电源的纹波、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求。本系统中的复位电路使用带I2C存储器的电源监控芯片CAT1025JI-30，提高了系统的可靠性。其电路原理如图3.6所示。

VDD3.3VDD3.3R1R410KU11374MRRESETWPVSSVCCRESETSCLSDA8265nRSTP0.2_SCL0P0.3_SDA010KVDD3.3R21KR31KRSTR510KCAT1025SI-30 图 3.6 系统复位电路

在图3.6中，信号nRST连接到LPC2138芯片的复位RESET ,当

———————

复位按键RST按下时,CAT1025JI-30的RESET引脚立即输出复位信号,使LPC2138芯片复位。使用CAT1025JI-30芯片时，其RESET引脚上的下拉电阻和RESET引脚上的上拉电阻都是不能省略的。 3.2.3系统时钟电路

LPC2138可使用外部晶振或外部时钟源，内部PLL电路可调整系统时钟，使系统运行速度更快（CPU最大操作时钟为60MHz）。若不使用片内PLL功能及ISP下载功能，则外部晶振频率为1～30MHz，外部时钟频率为1～50MHz；若使用片内PLL功能或ISP下载功能，则外部晶振频率为10～25MHz，外部时钟频率为10～25MHz。

在本设计中，使用11.0592MHz晶振，电路如所示。用11.0592MHz晶振的原因是使串口波特率更精确，同时能支持LPC2138微控制器芯片内部PLL及ISP功能。

C1XTAL130PFC2Y111.0592MHzXTAL2———————

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30PF

图 3.7 系统时钟电路

3.2.4 JTAG接口电路

本设计中采用ARM公司提出的标准20脚JTAG仿真调试接口，JTAG信号的定义及与LPC2138的连接如图 所示。

JP1VDD3.3_OUTnTRSTTDITMSTCKRTCKTDOR14.7KGND_ARM1357911131517192468101214161820VDD3.3_OUT

图 3.8 JTAG接口电路

根据LPC2138的应用手册说明，在RTCK引脚接一个4.7K的下拉电阻，使系统复位后LPC2138内部JTAG接口使能，这样就可以直接进行JTAG仿真调试。如果用户需要使用P1.26～P1.31作I/O口，不进行JTAG仿真调试，则可以在用户程序中通过设置PINSEL2寄存器来使LPC2131内部JTAG接口禁止。 3.3 电源电路

移动电源的地位在移动式机器人中历来十分重要，可以说是机器人的生命源。移动电源需要同时满足机器人的多种能源需要，如为移动机构提供动力、为控制电路提供稳定的电压和为服务执行模块提供能源等。在移动式机器人领域，一般采用化学电池作为移动电源。理想的电池应该具有十分高的能量密度、能够在放电过程中保持恒定的电压、内阻小以便具有快速放电能力、能够耐高温、可充电以及成本低等。但实际上没有一种电池可同时具备上述优点，这就要求设计人员根据实际任务的需要，选择一种合适的电池。

在该系统中，需要使用12V、5V、3.3V的直流稳压电源，其中，驱动二个步进电机电机使用12V左右的电源,而LPC2138微处理器及外围器件需要3.3V电源，其他器件需5V电源.为简化系统设计，系统配8节电池，通过三端稳压芯片L7805CV供需要5V的器件使用，再对5V电源使用SPX1117M3-3.3降低到3.3V供ARMLPC2138微处理器及其他部分使用。5V电源电路加了工作指示灯，并且加了二极管对电路加以保护。通过绿色发光二极管LED1指示电源工作状态，R1为LED1的限流电阻。发光二极管的正常工作电压为1.5V~1.7V，正常工作电流为10mA，所以流过R1的电流应为10mA左右。R1电阻值的计算公式：

R151.510103350

在本电源电路中,R1选用1K电阻,C1选用0.01µF的电解电容滤低频，C2、C17分别选用0.01µF和10µ的陶瓷电容滤除高频。

W7805是一个典型的三端固定输出正稳压器。三端是指电压输入端、电压输出端和公共接地端。它有稳定电压的作用，只要输入的电压在6V以上，负载的变化在允许的范围内（输入电压范围+7V~+25V），它的输出都能够维持稳定的5V。需要注意的是，由于

流过它的电流很大（大约0.5~1A），元件在使用使温度会很高，所以在使用时需加散热片。

由于各个电源模块之间直接串联增加，使得整个系统的稳定性降低。为此,各个模块之间的通信用光耦隔离，减少串扰，提高稳定性。系统电源电路如图3.所示。

图3.9 电源电路

3.4 传感器检测电路

在电脑鼠硬件设计过程中,传感器的选择有着至关重要的作用,电脑鼠通过传感器来认识迷宫这个未知的世界。其原理图如错误！未找到引用源。所示。

图3.10 红外传感器测距原理图

JY043W是收发一体的红外反射式光电管,其实物图和原理图如图 所示。在本设计中使用了3个JY043W，分别安装在车身的两侧和前面，左右中间各1个。两侧的前后两端再分别放两个接收头主要用于检测车身是否偏了，需要修正，以及是否有墙；前面的那个用于感测前面的墙壁。

41412323JY043W

图 3.11 JY043W的实物图及原理图

该传感器电路参数的设置方法与直流电机测速装置的光电发射接受模块相同，本课题中该传感器使用+5V直流电源供电，R1取值方法如下：发光二极管LED0导通时压降约1.5V，一般发光二极管在电流为3mA的时候就可以起辉发亮，最高可以承受10~12mA甚至更高的电流，故

R1max=

51.5351.510=1.1kΩ，R1min=

=350Ω

为了使发光管发出的红外线强度够大，R1的电阻取330Ω；R2的作用是保护光敏三极管，且保证在光敏三极管导通时，OUT端输出一个接近于0V的低电压，这一点要看三极管导通状况如何，若是深度饱和状态，则R2一般取5K左右即可，若饱和程度不深，则要约10K，而其饱和程度又取决于光敏三极管上接收的红外线的强度。又由于其是反射式的，接收到的红外线强弱与距离又有一定的关系，因此，在R2确定的情况下，OUT的输出电压是与距离成一定的正比例关系，总结如下：

在R1和R2 一定的情况下，距离越远→反射回的光强度越小→饱和程度越低→输出电压越大。为了保证在近距离的时候能够输出较低的电压，R2取值应尽量大，但R2过大时出现的问题是：光敏三极管刚刚进入导通状态，输出电压就马上被拉的很低，没有一个相对较缓的过程。这对于后面进行灵敏度的调节和电机的控制不利。因此，R2的取值要考虑两方面的因素，选用6.8K的电阻，效果还是可以的。

R11.8KIN12345v LM324U1ALM324N1R21.6KR3100R44.6KAP0.10_CAP1.0R1710KR51.8KIN26545v LM324U1BLM324N711R61.6KR7100R84.6KBP0.11_CAP1.1R1810KR91.8KIN391045v LM324U1CLM324N811R101.6KR11100R124.6KCP0.12_AD1.3R1910KR131.8KIN4131245v LM324U1DLM324N1411R141.6KR15100R1.6KDP0.13_AD1.4R2010K11

图3.12 传感器检测电路

JY043W输出信号经过LM324运算放大器组成的比较器后,送到LPC2138中进行相应的处理.LM324 是四运放集成电路。它的内部包

含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互。由于LM324 四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。

每个运算放大器的工作原理一样，在此以第一个为例进行说明。在运算放大器的输入端口对红外传感器的输出值与设定值进行比较，电位器R18用于调节灵敏度，在不同环境、不同光源下必须通过此来调节，以减少误动作的产生。LM324是5V供电，输出端口用R2、R4分压，R3限流，以进入LPC2138的电压、电流，保证引脚的正常工作。

3.5 步进电机驱动电路

步进电机的驱动电路有很多种，可以用一片L298来驱动一个步进电机，也有专门的步进电机驱动模块，使用方便.由于步进电机控制本来就非常简单，若增加一个驱动模块势必增加成本和电路复杂度，因此，本课题中采用了最简单的用控制器I/O口来发出控制信号，通过达林顿管电压放大后来控制步进电机的控制电路。其电路图如图 3.所示：

BJP912345678161514131211109R8R91K1KMP1.21P1.20P1.19P1.18R111KR1312V1KMotor StepULN2003

图 3.13 步进电机驱动电路

ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管

组成。ULN2003的特点如下：ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。ULN2003 工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。ULN2003 采用DIP—16 或SOP—16 塑料封装。

为了防止控制紊乱造成电机的损坏，在步进电机和驱动芯片之间

连接了电阻,为了不影响驱动能力，电阻大小为10Ω，在本设计中运用了普通的10Ω电阻，在电机调试的过程中，发现该电阻发烫，说明电阻功率不够，ULN2003的最大输出电流为200mA，则在该电阻上消耗的功率为：P=I2R=0.2*0.2*10=0.4W.故应该至少选择0.5W的大功率电阻。 3.6 人机交互界面

人机交互界面即键盘和数码管显示电路，是人和电脑鼠交流的界面，使人对机器人的运行情况更好的了解，出现意外情况采取相应的对策。通过按键启动电脑鼠开始工作,在数码管上显示当前电脑鼠的速度值和其他参数的数值。

LPC2138拥有一个硬件SPI（Serial Peripheral Interface）接口。它是一个同步、全双工串行接口，最大数据位速率为时钟速率的1/8，可配置为主机或从机。在设计中使用LPC2138的SPI接口作为主机向JP1发送数据。，通过此端口将需要显示的数据的段码和位码信息在SCLK脉冲的控制下分别移入到两片74HC1和74HC595中(段码在74HC1中，位码在74HC595中)，之后通过RCLK脉冲送出位码信息完成数据显示。MISO端口是键盘检测口。在该部分的软件设计中先从MOSI端口接收数据输出显示，显示后紧接着查询MISO端口是否为低电平（只有当按键按下，同时对应位码时才为低），如果为低电平则记录送出的位码信息；之后进行第二次循环，显示数据并查询MISO端口。当MISO端口为高电平或低电平时记录的位码信息与上次不相同，则放弃键处理；当两次读MISO端口与低电平记录下的位码信息相同时，进行相应的按键处理操作。人机交互电路图如图3.14所示。

TPIC6B595是8位移位寄存器,是专为需要相对高的负载功率的系统设计的。数据分别在移位寄存器时钟和寄存器时钟的上升沿传输到移位寄存器和存储寄存器。当移位寄存器清零端为高时，存储寄存器传输数据到输出缓冲器。当/SRCLK为低时，输入端的移位寄存器被清零。当输出使能保持为高时，在输出缓冲器中所有的数据保持低电平并且所有的漏极输出是关断的。当/G保持为低时，从存储寄存器到输出缓冲器的数据是透明的。当输出缓冲器中的数据为低电平时，DMOS晶体管的输出端是关断的。

JP1123456+5VMOSIMISORCLKSCLKGNDS1S2S3S4S5S6S7S810KR1CD0CD1CD2CD3CD4CD5CD6CD7+5V+5VCD3CD2CD1CD010987654321TPIC6859512ABA1CLK/MRGNDGND11GRCK12Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7SERCLRSRCK13345610111213DRAIN3DRAIN414DRAIN2DRAIN515DRAIN1DRAIN616DRAIN0DRAIN717SER INSER OUT18VCCGND19NCNC20CD4CD5CD6CD7D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D71174211053abcdefgdpGND3GND2GND1GND012986CD7CD6CD5CD4470X8R2U1CD3CD2CD1CD0D0D1D2D3D4D5D6D71174211053abcdefgdpGND3GND2GND1GND012986+5V+5V74HC1U5470X8R9R10U2CD7CD6CD5CD412ABCLK/MRQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7345610111213DD0DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD7DD0DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD71174211053abcdefgdpGND3GND2GND1GND012986U3CD3CD2CD1CD0DD0DD1DD2DD3DD4DD5DD6DD71174211053abcdefgdpGND3GND2GND1GND01298674HC1U6图3.14 键盘显示电路

R17 U474HC1是种串行转并行的IC，采用DIP14封装。A、B为串行数据输入引脚，这两个引脚完全一样，通常将这两个引脚连接在一起，再接到串行数据源；也可将其中一脚连接到VCC，另一只引脚连接串行数据源；在此使用前者。Clear为清除引脚，当此引脚为低电平时，QA~QH并行输出引脚全部变为低电平。CLK为时钟脉冲引脚，741为上升沿触发，当CLK的电平由低变高时输出引脚的状态发生变化。74HC1的状态转换表如表 3.1所示:

表 3.2 74HC1状态转换表 输入 CLR CLK L  H L H  H  H  A   H L  B   H  L 输出 QA QB……QH L L L QA0 QB0 QH0 H QAn QGn L QAn QGn L QAn QGn 3.7 本章小结

在本章主要介绍了电脑鼠硬件系统的设计过程,首先提出了硬件系统设计的流程图,分别从机身,LPC21318最小系统,电源电路,红外检测电路,步进电机驱动电路,键盘显示电路一一介绍,分析了电路的原理,器件的选型和参数的计算,经过调试,达到设计要求,为后续的算法研究和软件设计提供的坚实的基础.