电池一体式舵机控制电路

技术领域

本发明涉及一种电池一体式舵机控制电路。属于控制电路技术领域。

背景技术

现有的穿戴式驱动设备如单关节外骨骼机器人舵机控制电路以CPU电路、通讯电路和舵机控制电路为主，需要额外配置适配的电源、传感检测电路等模块，之间采用线缆的方式连接，这样的方式缺点有三：一是导致安装空间过大，质量重，不便于穿戴；二是多模块组合会加大硬件故障概率；三是布置成本高。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足，提供了一种电池一体式舵机控制电路。

本发明的目的是这样实现的：

一种电池一体式舵机控制电路，其特点是：包括电池充电电路、电池及电池充放电保护电路、降压电路、基准电压电路、模拟量传感器电路、处理器电路、舵机控制电路、USB转串口电路、CAN通讯电路和灯组电路；

所述电池充电电路、舵机控制电路、降压电路均与所述电池及电池充放电保护电路连接，所述基准电压电路、模拟量传感器电路、灯组电路、USB转串口电路和CAN通讯电路均一端与所述降压电路连接，另一端与处理器电路连接，所述降压电路、舵机控制电路均与处理器电路连接。

进一步的，所述电池充电电路，包括双节锂电池充电管理芯片U2及其外围电路；

进一步的，外接9V-18V电源通过充电头JP1为所述电池充电电路1供电，所述双节锂电池充电管理芯片U2通过检测电池电压来决定其充电状态：预充电、恒流充电、恒压充电；当电池电压小于Vmin时，处于预充电状态，电流较小；预充电使电池电压达到Vmin后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流Id可以通过外围电阻R2调整，R2(kΩ)＝0.15V/充电电流(A)；当电池电压上升到Vd时，进入恒压充电模式，直至充电电流小于阈值Imin，充电结束，恒压电压Vd可由外围电阻R3调整，Vd＝(R5(kΩ)*0.01V)+8.4V。

进一步的，所述电池及电池充放电保护电路，包括双节锂电池组与电池保护电路，为降压模电路与舵机提供稳定安全的电源电压7.4V；所述双节锂电池组，用于放置串联的双节锂电池，提供供电与储能的功能；所述电池及电池充放电保护电路包括双节锂电池放电保护芯片U4和双N沟道增强型场效应管芯片U5及其外围电路，通过采样放电电流，根据其大小通断所述双节锂电池组负极与电路地极，实现锂电池安全稳定充放电。

进一步的，所述双节锂电池放电保护芯片U4通过采样所述双节锂电池组电压来进行过电压放电保护判断，通过VM端采样外围电阻R8电流来进行过电流放电保护判定。正常情况下，双节锂电池放电保护芯片U4的Cout端和Dout端均输出高电平，使所述双N沟道增强型场效应管芯片U5内两个N-MOSFET管均导通，使电池能够通过负载使电池放电或进行充电；当过电压或过电流放电发生时，双节锂电池放电保护芯片U4的Cout端和Dout端由高电平变为低电平，使所述双N沟道增强型场效应管芯片U5内两个N-MOSFET管均截止，所述双节锂电池无法与其他电路形成闭环，断开充放电过程。

进一步的，所述降压电路，包括5V降压电路与3.3V降压电路，用于将所述电池及电池充放电保护电路提供的7.4V电源电压转换成5V与3.3V。

所述5V降压电路包括5V稳压芯片U9及其外围电路，用于将7.4V电源电压转换成5V，为所述USB转串口电路、CAN通讯电路、3.3V降压电路供电。

所述3.3V降压电路包括5V转3.3V降压芯片U3及其外围电路，用于将5V降压电路输出的5V电源电压转换成3.3V，为所述基准电压电路、模拟量传感器电路、灯组电路、处理器电路、USB转串口电路供电。

进一步的，所述双节锂电池组输出电压VBAT+通过拨动开关JP2连接至5V稳压芯片U9输入端，通过5V稳压芯片U9输出5V电压，为所述USB转串口电路、CAN通讯电路供电，并输出至5V转3.3V降压芯片U3的输入端，降压输出3.3V电压，为所述基准电压电路、模拟量传感器电路、灯组电路、处理器电路、USB转串口电路供电。

进一步的，所述基准电压电路，用于生成基准电压，并将基准电压输出至所述处理器电路；

所述模拟量传感器电路，用于外接特定的传感器，给其供电，并接收模拟量电压输出，并将该电压输出至所述处理器电路；

所述舵机控制电路，用于外接舵机，给舵机供电，通过接收所述处理器电路发送的所述舵机控制电路，并发送至舵机，实现驱动；

所述灯组电路，通过接收所述处理器电路发送的所述灯组显示信号，实现灯组的控制；

所述USB转串口电路，包括USB转串口芯片U7及其外围电路，用于与上位机实现串行通讯；

所述CAN通讯电路，包括CAN通讯芯片U8及其外围电路，用于扩展支持CAN通信的设备实现多机协同作业。

进一步的，所述舵机控制电路包括舵机接口JP4、高效整流二极管D5、电解电容C21、上拉电阻R13和NPN型三极管Q1，所述上拉电阻R13和NPN型三极管Q1组成三极管开关驱动结构，Q1基极与处理器芯片U1的136脚连接，接收处理器芯片U1输出的PWM形式的舵机控制信号，再通过三极管开关驱动输出至所述舵机接口JP4，所述舵机接口JP4外接舵机，为舵机供电并输出舵机控制信号。所述高效整流二极管D5与电解电容C21起到稳压的作用；

所述灯组电路包括红色LED灯LED2与绿色灯LED3，分别与所述处理器芯片U1的21脚和22脚进行控制，当对应引脚输出低电平时，该灯点亮，当对应引脚输出高电平时，该灯熄灭，可通过处理器芯片U1的编程实现固定的显示策略。

进一步的，所述处理器电路，包括处理器芯片U1及其外围电路，用于对所述模拟量传感器电路的输出电压与基准电压电路的基准电压进行比较，根据所述模拟量传感器电路的输出电压与基准电压电路的基准电压的比较结果计算生成舵机运动控制信号和灯组显示信号，并将所述舵机运动控制信号输出至所述舵机控制电路，将所述灯组显示信号输出至所述灯组电路。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

可以很好地实现穿戴式驱动设备的感知与驱动，可以通过USB转串口电路对所述处理器芯片U1进行编程设定所述舵机控制电路输出的PWM信号与所述模拟量传感器电路的输出电压之间的跟随关系，实现穿戴式驱动设备与人体之间的人机交互；具有如下优点

1、结构紧凑体积小，质量轻，更适用于穿戴式驱动设备；

2、锂电池供电，无需额外电源，必要时可拆卸更换；

3、成本低。

附图说明

图1为本发明一种电池一体式舵机控制电路的系统原理框图。

图2为本发明的电池充电电路的结构图。

图3为本发明的电池及电池充放电保护电路的结构图。

图4-1为本发明的5V降压电路的结构图。

图4-2为本发明的3.3V降压电路的结构图。

图5为本发明的基准电压电路的结构图。

图6为本发明的模拟量传感器电路的结构图。

图7为本发明的处理器电路的结构图。

图8为本发明的舵机控制电路的结构图。

图9为本发明的USB转串口电路的结构图。

图10为本发明的CAN通讯电路的结构图。

图11为本发明的灯组电路的结构图。

图12为本发明一种电池一体式舵机控制电路的实施方法示意图。

图中：

电池充电电路1，电池及电池充放电保护电路2，降压电路3，基准电压电路4，模拟量传感器电路5，处理器电路6，舵机控制电路7，USB转串口电路8，CAN通讯电路9，灯组电路10。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

参见图1，本发明涉及一种电池一体式舵机控制电路，包括电池充电电路1、电池及电池充放电保护电路2、降压电路3、基准电压电路4、模拟量传感器电路5、处理器电路6、舵机控制电路7、USB转串口电路8、CAN通讯电路9和灯组电路10。

所述电池充电电路1、舵机控制电路7、降压电路3均与所述电池及电池充放电保护电路2连接，所述基准电压电路4、模拟量传感器电路5、灯组电路10、USB转串口电路8和CAN通讯电路9均一端与所述降压电路3连接，另一端与处理器电路6连接，所述降压电路3、舵机控制电路7均与处理器电路6连接。

参见图2，所述电池充电电路1，包括双节锂电池充电管理芯片U2及其外围电路，用于为所述电池及电池充放电保护电路2中电池进行充电.

具体地，图2中，外接9V-18V电源通过充电头JP1为所述电池充电电路1供电，所述双节锂电池充电管理芯片U2通过检测电池电压来决定其充电状态：预充电、恒流充电、恒压充电；当电池电压小于Vmin时，处于预充电状态，电流较小；预充电使电池电压达到Vmin后，进入恒定电流充电的快速充电状态，充电电流Id可以通过外围电阻R2调整，R2(kΩ)＝0.15V/充电电流(A)；当电池电压上升到Vd时，进入恒压充电模式，直至充电电流小于阈值Imin，充电结束，恒压电压Vd可由外围电阻R3调整，Vd＝(R5(kΩ)*0.01V)+8.4V。

参见图3，所述电池及电池充放电保护电路2，包括双节锂电池组与电池保护电路，为降压模电路与舵机提供稳定安全的电源电压7.4V；所述双节锂电池组，用于放置串联的双节锂电池，提供供电与储能的功能；所述电池保护电路2包括双节锂电池放电保护芯片U4和双N沟道增强型场效应管芯片U5及其外围电路，通过采样放电电流，根据其大小通断所述双节锂电池组负极与电路地极，实现锂电池安全稳定充放电。

具体地，图3中，所述双节锂电池放电保护芯片U4通过采样所述双节锂电池组电压来进行过电压放电保护判断，通过VM端采样外围电阻R8电流来进行过电流放电保护判定。正常情况下，双节锂电池放电保护芯片U4的Cout端和Dout端均输出高电平，使所述双N沟道增强型场效应管芯片U5内两个N-MOSFET管均导通，使电池能够通过负载使电池放电或进行充电；当过电压或过电流放电发生时，双节锂电池放电保护芯片U4的Cout端和Dout端由高电平变为低电平，使所述双N沟道增强型场效应管芯片U5内两个N-MOSFET管均截止，所述双节锂电池无法与其他电路形成闭环，断开充放电过程。

参见图4，所述降压电路，包括5V降压电路与3.3V降压电路，用于将所述电池及电池充放电保护电路提供的7.4V电源电压转换成5V与3.3V。

进一步地，所述5V降压电路包括5V稳压芯片U9及其外围电路，用于将7.4V电源电压转换成5V，为所述USB转串口电路、CAN通讯电路、3.3V降压电路供电。

进一步地，所述3.3V降压电路包括5V转3.3V降压芯片U3及其外围电路，用于将5V降压电路输出的5V电源电压转换成3.3V，为所述基准电压电路、模拟量传感器电路、灯组电路、处理器电路、USB转串口电路供电。

具体地，参见图2和图4，所述双节锂电池组输出电压VBAT+通过拨动开关JP2连接至5V稳压芯片U9输入端，通过5V稳压芯片U9输出5V电压，为所述USB转串口电路、CAN通讯电路供电，并输出至5V转3.3V降压芯片U3的输入端，降压输出3.3V电压，为所述基准电压电路、模拟量传感器电路、灯组电路、处理器电路、USB转串口电路供电。

参见图5，所述基准电压电路，用于生成基准电压，并将基准电压输出至所述处理器电路。

参见图6，所述模拟量传感器电路，用于外接特定的传感器，给其供电，并接收模拟量电压输出，并将该电压输出至所述处理器电路。

参见图7，所述处理器电路，包括处理器芯片U1及其外围电路，用于对所述模拟量传感器电路的输出电压与基准电压电路的基准电压进行比较，根据所述模拟量传感器电路的输出电压与基准电压电路的基准电压的比较结果计算生成舵机运动控制信号和灯组显示信号，并将所述舵机运动控制信号输出至所述舵机控制电路，将所述灯组显示信号输出至所述灯组电路。

参见图8，所述舵机控制电路，用于外接舵机，给舵机供电，通过接收所述处理器电路发送的所述舵机控制电路，并发送至舵机，实现驱动。

具体地，图8中，所述舵机控制电路包括舵机接口JP4、高效整流二极管D5、电解电容C21、上拉电阻R13和NPN型三极管Q1，所述上拉电阻R13和NPN型三极管Q1组成三极管开关驱动结构，Q1基极与处理器芯片U1的136脚连接，接收处理器芯片U1输出的PWM形式的舵机控制信号，再通过三极管开关驱动输出至所述舵机接口JP4，所述舵机接口JP4外接舵机，为舵机供电并输出舵机控制信号。所述高效整流二极管D5与电解电容C21起到稳压的作用。

参见图11，所述灯组电路，通过接收所述处理器电路发送的所述灯组显示信号，实现灯组的控制。

具体地，所述灯组电路包括红色LED灯LED2与绿色灯LED3，分别与所述处理器芯片U1的21脚和22脚进行控制，当对应引脚输出低电平时，该灯点亮，当对应引脚输出高电平时，该灯熄灭，可通过处理器芯片U1的编程实现固定的显示策略。

参见图9，所述USB转串口电路，包括USB转串口芯片U7及其外围电路，用于与上位机实现串行通讯。

参见图10，所述CAN通讯电路，包括CAN通讯芯片U8及其外围电路，用于扩展支持CAN通信的设备实现多机协同作业。

具体地，图2-11电路结构图中，主要元器件功能说明如下表所示：

本发明提供的一种电池一体式舵机控制电路，可以很好地实现穿戴式驱动设备的感知与驱动，可以通过USB转串口电路对所述处理器芯片U1进行编程设定所述舵机控制电路输出的PWM信号与所述模拟量传感器电路的输出电压之间的跟随关系，实现穿戴式驱动设备与人体之间的人机交互。

具体实施例：

下面以一种典型的穿戴式踝关节外骨骼机器人的关节助力控制过程为例，对本发明提供的一种电池一体式舵机控制电路的工作原理进行详细说明。

图12所示为一种电池一体式舵机控制电路与舵机、传感器组合使用的实施方法，通过所述模拟量传感器电路采集安装在足跟底部的压力传感器的足跟底部与地面之间的压力信息，输出给处理器芯片U1的41脚，并在处理器芯片U1内部实现ADC模数转换，得到数字化的足跟底部与地面之间的压力值，当压力值小于Vmin时，人体足跟准备离地，处理器芯片U1的136脚以PWM波形式输出舵机控制信号至所述舵机控制电路，舵机根据舵机控制信号，通过牵拉线提拉脚后跟实现踝关节助力。

在上述实施例中，仅对本发明进行示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。