3.2.3传感器模块整体电路:
整体电路图
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右上图可知,传感器模块中主要有电阻、电容、探头(使用红外线发射和接收管等分立元器件间组成)、LM393电压比较器等组成。并在比较器之后加入了一级反射器,使输出信号更加干净。
LM393在此组成一个滞回电压比较器(也称作施密特触发器)电路,通过R4引入电压正反馈,电压比较器在输入Uin=U- =U+时发生跳变。与无正反馈的单限比较器相比当输入信号在门限值附近有微小扰动时,输出电压就不会产生相应的抖动,如果接单片机不会造成信号扰动。同相输入端电位有两种可能的取值,U上限和U下限,而输出端则是Uoh和Uol,U上限和U下限只差称为滞回宽度,只要干扰信号不超过滞回宽度,输出的电压值就是稳定的,因而抗干扰能力强。右上图(b)可知,当Uin由小变大变化过U上限时输出电压由Uoh跳变到Uol,当Uin由大变小变化过U下限时输出电压由Uol跳变到Uoh。
传感器模块的的工作原理:
当电路通电,每一路的传感器的红外发射管不断发射红外线,当发射出的红外线没有被反射回来或者被反射回来但强度不够大时,红外接收管一直处于关断状态,此时模块的TTL输出端为高电平,即接近VCC的电平,相应指示二极管一直处于熄灭状态;当被检测物体出现在检测范围时,红外线被反射回来且强度足够大,红外接收管导通,此时同相端电压相当于被加强,是输入端变化大于滞回电压,此时模块的TTL输出端为低电平,指示二极管被点亮。
3.3 电机驱动电路
本设计采用L298N电机专用驱动芯片带动两个12V的直流电动机。 直流电机由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子,定子的主要作用是产生磁场,由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装
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置等组成。运行时转动的部分称为转子,其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势,是直流电机进行能量转换的枢纽,通常又称为电枢,由转轴、电枢铁心、电枢绕组、换向器等组成。
其中L298N是ST公司的产品,比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N,内部包含4通道逻辑驱动电路。可以驱动两个直流电机或驱动两个二相电机,也可单独驱动一个四相电机,输出电压最高可达50V。直接通过电源来调节输出电压,直接通过单片机的IO端口提供信号,使得电路简单,使用更方便。L298N可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS,VSS通常接4.5~7V的电压。4脚VS接电压源,VS可接电压范围VIH为2.5~46V。L298N芯片输出电流可达2.5 A,可驱动电感负载。
L298N是一个内部有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动芯片,可以用来驱动直流电动机、步进电动机。使用标准逻辑电平信号控制,直接连接单片机管脚,具有两个使能控制端,使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。L298N有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作。
3.3.1 L298N引脚结构
图3.5 L298N 驱动芯片 表3.3 L298N引脚编号与功能
引脚编号
1 2
3 4 5 6 7
名称 电流传感器A 输出引脚1 输出引脚2 电机电源端 输入引脚1 使能端A 输入引脚2
功能
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流 内置驱动器A的输出端1,接至电机A 内置驱动器A的输出端2,接至电机A 电机供电输入端,电压可达46V 内置驱动器A的逻辑控制输入端1 内置驱动器A的使能端
内置驱动器A的逻辑控制输入端2
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8 9 10 11 12 13 14 15
逻辑地 逻辑电源端 输入引脚3 使能端B 输入引脚4 输出引脚3 输出引脚4 电流传感器B
逻辑地
逻辑控制电路的电源输入端为5V 内置驱动器B的逻辑控制输入端1 内置驱动器B的使能端
内置驱动器B的逻辑控制输入端2 内置驱动器B的输出端1,接至电机B
内置驱动器B的输出端2,接至电机B
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
3.3.2 电机驱动原理
电路的形状很像字母H。四个三极管就是H桥的四条垂直线,而电机就是H中的横线。
图3.6 L298N内部H桥驱动电路
图3.6为一个典型的直流电机的控制电路。被命名为“H桥驱动电路”主要是因为电路的形状很像字母H。四个三极管就是H桥的四条垂直线,而电机就是H中的横线。
如图所示,H桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电机。电机运转,必须遵循导通对角线上的一对三极管。基于不同三极管对的导通情况可以控制电机的转向,电流可可以从左至右流过电机,也可以从右至左流过电机。
如图3.6所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机,然后再经Q4回到电源负极,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
下面分析另一对三极管Q2和Q3,当两个三极管同时导通的情况下,电流将从右至左流过电机。从而驱动电机沿逆时针方向转动。
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,可能烧坏三极管。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。
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下图(a)(b)为电机驱动模块的主要电路图:
(a)
单片机的信号通过 IN输入端输入到L298N模块中,再由OUT端口输出,通过此部分控制电机的转动。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。板子上的ENA和ENBA为高电平时有效,这里的电平值指的是TTL电平。ENA为A1和A2的使能端,ENB为B1和B2的使能端。
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