以奥斯卡最佳动画长片《机器人总动员》中的“瓦力机器人”为原型，仿造制作的一款机器人。
把瓦力机器人搬到现实中，可用手机控制，功能如下：
- 机器人移动
- 机械臂动作
- 带WiFi实时画面传输
- 超声波传感器
- 温度传感器
- 电压检测
- 手机上可看到传感器数据
一、系统硬件电路设计概述
本章主要叙述机器人的电路设计，包括锂电池充放电电路、WiFi图传电路以及机器人运动控制电路。
电路设计总框图
其中包含5个板块：
1.ESP32-S
用于处理OV2640摄像头的图像，通过WiFi网络发送到手机；
2.HC-05蓝牙模块
用于接收手机发送的数据以及对手机发送的信号；
3.ATmega2560单片机
用于处理蓝牙模块接收到的数据，对电机驱动电路发送信号控制电机；
4.超声波模块
用于测量距离；
5.TFT显示屏
用于显示机器人当前电量。
下文详细解说五部分：下文均围绕原理图进行详细解说
- 锂电池充放电电路设计；
- WiFi图传电路设计；
- 机器人运动控制电路；
- HC-05蓝牙模块；
- 电机驱动电路。
二、锂电池充放电电路设计
锂电池是一类由锂金属或锂合金为正/负极材料、使用非水电解质溶液的电池。
优点：能量比高、使用寿命长、自放电率低、重量轻等。
比较适合用于机器人项目。
电路结构包括以IP5209组成的外围电路、输入输出电路、锂电池保护电路和升压输出电路。
1.主控部分——IP5306
IP5306是一款多功能电源管理芯片，内部集成了升压转换器、锂电池充放电管理以及电池电量显示。
IP5306电路符号
该芯片采用ESOP8封装，能够提供高达2.4A的输出电流和2.1A充电电流，其电能转换效率可达92%，在芯片空载能够进入休眠状态。
2.主控外围电路
输入端VIN及输出端VOUT、VOUT2均加电容进行滤波。
其中：
- VOUT给除电机驱动芯片外全部电路供电
- VOUT2给电机驱动芯片供电
这样分开供电的好处是：
- 即使电机启动时电流过大也不会使单片机端电压下降，保证了整个控制电路正常运行；
- 电路使用4颗LED灯用于电量显示，使用按键进行触发；
- 使用1uH功率电感用于升压输出，同时IP5306对输出端电压进行测量，做到闭环控制。
IP5306充放电电路
3.锂电池充放电保护电路
XB8886A为单节锂电池保护IC。
采用SOP8-PP封装。
内部集成功率MOS以及高精度电压检测电路和延时电路。
有电芯反接、过热、过充电、过放电、过电流和负载短路等保护。
广泛应用于单芯锂离子电池组、锂聚合物电池、移动电源等领域。
电路原理图如下图，其中B+接锂电池正极，B-接负极。
锂电池充放电保护电路
4.电源输入电路
由于本设计没有快充要求，所以选择了6Pin的Type-c母座作为电能输入接口。
Type-c母座电路符号
6Pin母座相较于16Pin或24Pin母座引脚面积更大，能够提供更大的输入电流。
同时也相对容易焊接，价格也更便宜。
在满足设计要求的同时降低了制作成本。
5.升压稳压电路
该电路用于给电机驱动芯片供电。
电机驱动芯片供电有两种。
- 一种是直接用IP5209芯片输出的5V电压；
- 另一种是将前面的5V电压进行升降压处理。
显然第二种供电方式适用的电机更广，电机的输出力矩可以通过调压来改变，有更多的容错。
电路控制芯片选用SX1308，SX1308是一款固定频率。
SOT23-6封装的电流模式升压转换器，高达1.2MHz的工作频率使得外围电感电容可以选择更小的规格。
内部集成80mΩ功率MOSFET，输入电压2V-24V，输出电压最高28V，其输出电压可以通过分压电阻来调节。
升压稳压电路连接图
三、WiFi图传电路设计
该电路使用ESP32-S作为主模块。
主功能是把OV2640摄像头数据通过WiFi发送到手机。
电路主要包括：
- 以ESP32-S为主的外围电路
- 复位电路
- 电源电路
- PSRAM电路
- OV2640摄像头连接电路及复位电路
- TF卡连接电路。
1.主控模块——ESP32-S
ESP32-S是一款通用型WiFi-BT-BLE MCU模组。
功能强大用途广泛。
可以用于低功耗传感器网络和要求极高的任务。
例如：语音编码、音频流和MP3解码等。
ESP32-S电路符号
此模组的核心是乐鑫科技开发的ESP32芯片：
- 内置520KB的SRAM
- 主频支持80MHz、160MHz和240MHz
具有可扩展、自适应的特点。
需要注意的是：
由于全金属机身对信号的屏蔽作用。
本设计中没有使用到ESP32-S的板载天线。
用的是外接天线。
需要把ESP32-S电路板上的0欧姆电阻转接到板载的一代IPEX天线座上。
便于外接天线。
2.ESP32-S外围电路
外围电路相对简单，包括一个退藕电容、下载电路和复位电路。
下载程序时需将ESP32-S的IO0引脚接地，方法就是通过按键接地，按键对应原理图中的SW1。
复位电路由10k电阻、100nF电容和一个按键组成。
ESP32-S外围电路连接图
3.电源电路
该电路用于给整个WiFi图传电路供电。
电路包括三只线性稳压器，分别是：
- AMS1117-3.3V
- ME6211-2.8V
- ME6211-1.2V
前者负责摄像头外的元件供电。
后两者用于摄像头供电。
电路还包括一只用于判断线性稳压器是否正常工作的LED灯。
电源电路连接图
4.摄像头连接电路
摄像头选用的是OV2640，使用24Pin的FPC连接座连接到PCB上。
摄像头连接电路
摄像头需要三种供电电压，分别是：
- 1.2V
- 2.8V
- 3.3V
5.存储电路
存储电由一个PSRAM电路和TF卡连接电路组成。
存储电路电路图
PSRAM全称为伪静态随机存储器，用于扩展ESP32-S的存储空间。
使用到的是一颗APS6404芯片，该芯片具有：
- 高速；
- 低引脚数接口；
- 拥有四个SDR I/O引脚；
- 以高达144MHz的频率在SPI或QPI模式下运行。
TF卡使用自弹式TF卡座连接。
四、机器人运动控制电路
该电路控制机器人的所有动作机构，包括左右两个主动轮和拥有三个自由度的机械臂，以及处理各种传感器的数据，作出相应的动作。
考虑到整个机器人需要多个电机以及传感器。
主控选择ATmega2560单片机。
ATmega2560参数列表
ATmega2560的100引脚封装
1.主控及外围电路
主控使用ATmega2560。
外围电路包括：
- 晶振电路
- 复位电路
- 烧录电路
- 超声波传感器连接电路
- 温度传感器电路
- TFT屏幕连接电路
- 散热风扇控制电路等。
晶振选择四引脚16MHz无源晶振。
对应原理图中的X1，连接时需在XTAL1和XTAL2间接1M欧姆电阻。
复位电路使用按键加电阻电容来实现。
分别对应原理图中的：
- SW4
- R26
- C37
可以实现上电自动复位和按键复位。
烧录
烧录电路包括烧录引导程序（BootLoader）的电路和使用串口进行烧录的电路，对应原理图中的J1和P1，都是使用单排针进行连接；
烧录引导程序是一个全新单片机第一件要做的事，否则后续程序将无法烧录进单片机中。
超声波传感器改装
超声波传感器使用的是HC-SR04，对应原理图中的H2。
需要对传感器进行一点改装，就是把两个超声波头和排针拆下，方便在电路板上焊接。
而拆下的超声波头则是使用XH2.54-2P连接座连接到超声波模块上，连接座对应原理图中的CN11和CN12。
ATmega2560及外围电路连接图
温度传感器使用的DS18B20。
对应原理图中的U13，DS18B20是常用的数字温度传感器。
其输出的是数字信号，具有体积小，硬件开销低，抗干扰能力强，精度高的特点。
使用时需在信号端和电源端接10k欧姆上拉电阻。
TFT屏幕
使用8Pin的FPC连接座连接到单片机，对应原理图中的FPC2，需要注意的是屏幕使用的是3.3V的电压供电，超过会烧毁屏幕。
散热风扇
使用的是额定电压5V、长宽都是30mm的风扇，对应原理图中的CN4，风扇由一只S8050三极管控制。
五、HC-05蓝牙模块
与手机之间进行通信使用的是：HC-05蓝牙串口模块。
通过蓝牙接收手机发出的控制>>>然后通过串口发送给单片机来控制机器人的运动。
蓝牙模块指令表
HC-05是主从一体的蓝牙模块，默认为从机，支持：
- 跟模块通信
- 跟手机通信
具有两种工作模式：
- 串口透传通信模式
- AT指令模式
模块又可分为三种工作角色：
- 主（Master）
- 从（Slave）
- 回环（Loopback）
当模块处于自动连接工作模式时，将自动根据事先设定的方式连接设备并进行数据传输。
比如：跟手机蓝牙连接，可通过手机APP给蓝牙模块发送数据。
T指令模式时能执行下述所有AT命令，用户可向模块发送各种 AT 指令，为模块设定控制参数或发布控制命令。
AT 指令不区分大小写，均以回车、换行字符结尾。
蓝牙模块电路连接图
六、电机驱动电路
该电路用来驱动;
- 直流有刷电机；
- 二相四线步进电机。
驱动电路一共设计了五组。
其中四组用来驱动步进电机，其余用来驱动有刷直流电机。
由于单片机I/O口的驱动能力有限，而且单片机直接驱动电机对单片机有风险，可能会直接烧毁单片机，所以专业的事情还是给专业的芯片来做。
单片机负责输出控制信号给电机驱动芯片，然后电机驱动芯片再驱动电机。
电机驱动电路连接图
DRV8848为家用电器和其他机电应用提供了双h桥电机驱动器。
该装置可用于驱动：
- 一个或两个直流电机
- 一个双极步进电机
- 其他负载
一个简单的PWM接口可以方便地与控制器电路连接。
这里使用的芯片是DRV8848，该芯片采用双H桥设计能够驱动：
- 一个或者两个直流电机
- 一个两相四线步进电机
- 其他负载
每个H桥使用固定的断路时间斩波方案来调节绕组电流，每个能够输出高达2A驱动电流，在并联模式下能够输出4A驱动电流。
该芯片拥有睡眠模式。
它能关闭内部电路，实现非常低的静态电流。
睡眠模式可以通过nFAULTra引脚来设置。
芯片内部集成了短路保护、过温保护等功能。
该芯片为功率器件，本身具备一定内阻，电路的发热与负载电流、功率管导通内阻以及环境温度密切相关。
内部设计有芯片级温度检测电路。
实时监控芯片内部发热，当芯片内部温度超过设定值时，产生功率管关断信号，关闭负载电流，避免因异常使用导致的温度持续升高，进而造成塑料封装冒烟、起火等严重安全事故。
芯片内置温度迟滞电路。
确保电路恢复到安全温度后，才允许重新对功率管进行控制。
七、设计图
接线回路尽量短就行，按照原理图连就完事了
正文到此结束。
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