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4 系统硬件电路设计
4.1 电源模块的设计
电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，单片机必须与大电
流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运行。本设计中在J1处接入9V电池，经两个L7805稳压芯片后为产生两路稳定的5V电压，其中一路为单片机供电，另一路为功率较大的模块如电机模块、循迹模块、避障模块等供电。
图4.1 电源模块原理图
4.2 单片机最小系统的设计
单片机是控制中心，单片机最小系统的合理设计是本设计平稳运行的前提，所谓最小系
统，就是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计。单片机最小系统电路如图4.2：
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图4.2 单片机最小系统原理图
图4.2中的51 单片机最小系统由以下几个部分组成：
1. 晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具
体电路为图中的Y1、C2、C3。
2. 复位电路，在复位脚加高电平2个机器周期（即24个振荡周期）可使单片机复位。单片
机在启动时都需要复位，以使CPU及系统各部件处于确定的初始状态，并从初态开始工作。本系统采用的手动复位：按钮按下，复位脚得到VCC的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。
4.3 电机驱动模块
驱动方式为两电机四驱，差速转向，其优点是转向性能好，能实现原地360°转向，且
在循迹行走的时候能比较稳定的行驶。由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。电机常用的驱动芯片很多，为了电路设计简单，采用电机专用驱动芯片L298，其驱动电流大，瞬时电流最高可达2A，为电机驱动专门设计。 驱动模块的核心实际上是H桥驱动电路组成的L298芯片。 4.3.1 H桥驱动电路的内部原理解析
图4.3中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的
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形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠（注意：图4.3及随后的两个图都只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）。
如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
图4.3 H桥驱动电路
要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图4.4所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经 Q4回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q1和Q4导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向 转动（电机周围的箭头指示为顺时针方向）。
图4.4 H桥电路驱动电机顺时针转动
图4.5所示为另一对三极管Q2和Q3导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管Q2和Q3导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动（电机周围的箭头表示为逆时针方向）。
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图4.5 H桥驱动电机逆时针转动
4.3.2 使能控制和方向逻辑
驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。
图4.6 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本H桥电路的基础上增加了4个与门和2个非门。4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。而2个非门通过提供一种方向输入，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。（与本节前面的示意图一样，图4.5所示也不是一个完整的电路图，特别是图中与门和三极管直接连接是不能正常工作的。）
图4.6 具有使能控制和方向逻辑的H桥电路
采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机（如图4.7所示）；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。
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图4.7 使能信号与方向信号的使用
实际使用的时候，用分立元件制作H桥是很麻烦的，好在现在市面上有很多封装好的H桥集成电路，接上电源、电机和控制信号就可以使用了，在额定的电压和电流内使用非常方便可靠。比如常用的L293D、L298N、TA7257P、SN754410等。 4.3.3 恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N
L298是SGS公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。
L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46 V。输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB连接控制使能端，控制电机的停转。当EnA为低电平时，输入电平对电机控制起作用，当EnA为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。
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