移動(dòng)音樂(lè )機器人系統電路設計

　　系統原理：該移動(dòng)音樂(lè )機器人以英飛凌16 位單片機XE162FN 處理器為核心，英飛凌開(kāi)發(fā)的16/32 位微控制器具有高度系統集成、無(wú)需外設附加器件及相關(guān)軟件開(kāi)銷(xiāo)、提供系統安全和故障保護機制等功能。藍牙是一種全球開(kāi)放性的、低成本的無(wú)線(xiàn)通信規范。另外，由于藍牙具有傳輸距離遠，抗干擾能力強、功耗低、傳輸速率高的優(yōu)點(diǎn)，設計采用了藍牙無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，設計主體為一輪式移動(dòng)小車(chē)機器人，擁有跟隨主人行走、播放音樂(lè )、遙控運行、彩燈隨拍手頻率閃爍以及家庭安防等多項功能。機器人的移動(dòng)采用驅動(dòng)直流電機帶動(dòng)輪子轉動(dòng)實(shí)現，跟隨主人行走的功能由紅外發(fā)射與接收來(lái)判斷主人手中的手持設備和移動(dòng)音樂(lè )機器人之間的方位，進(jìn)而驅動(dòng)機器人跟隨主人行走。無(wú)線(xiàn)遙控運行由藍牙通信實(shí)現。在安防功能上，該移動(dòng)音樂(lè )機器人配備了典型的用于檢測火災的煙霧傳感器，并且如果檢測到有煙霧或者煤氣泄露時(shí)，本地聲音報警以及通過(guò) GSM 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )控制短信發(fā)送模塊發(fā)送報警短信給指定的手機號碼。GSM 網(wǎng)絡(luò )是在蜂窩系統的基礎上發(fā)展而來(lái)的一種無(wú)線(xiàn)數字網(wǎng)絡(luò )標準，具有網(wǎng)絡(luò )容量大、業(yè)務(wù)種類(lèi)齊全、信號穩定性強、具有較高的保密性和安全性以及靈活的切換處理和自動(dòng)漫游功能等眾多優(yōu)點(diǎn)。在手持設備的設計上，配備了一塊320*240 的觸摸屏以實(shí)現直觀(guān)方便的無(wú)按鍵遙控控制，以及一個(gè)加速度傳感器感知傾斜角度從而控制機器人運動(dòng)。

　　智能跟隨紅外發(fā)送接收電路設計

　　系統的智能跟隨功能是通過(guò)紅外實(shí)現的，音樂(lè )機器人上的紅外接收器感知到紅外線(xiàn)時(shí)，會(huì )追蹤紅外發(fā)射源，感知不到時(shí)，會(huì )原地旋轉重新搜索紅外發(fā)射源，直至 重新 定位方向。紅外發(fā)射源是由10 個(gè)紅外發(fā)射管組成，將10 個(gè)紅外發(fā)射管均勻擺放在一個(gè)球體表面，使得紅外發(fā)射源可以向四面八方輻射紅外線(xiàn)，保證音樂(lè )機器人更加快速準確地尋找到紅外發(fā)射源。紅外發(fā)射管發(fā)射的載波頻 率為38 kHz 占空比為50%的方波。紅外的發(fā)射和接收電路如圖4所示，10.0 連接一個(gè)普通I/O 引腳，控制紅外線(xiàn)的通斷，即接通4 ms，然后關(guān)斷11 ms，反復進(jìn)行接通與關(guān)斷。 連接一路PWM 方波，方波的頻率是38 kHz.一共有10 路紅外發(fā)射管。

　　紅外接收裝置采用2 個(gè)紅外接收器1838，分別安裝在音樂(lè )機器人的頭部和尾部。兩個(gè)接收器的輸出引腳分別連接單片機的10.2 和10.7 引腳。紅外接收器1838 對38 kHz 頻率的紅外線(xiàn)敏感，所以紅外接收器1838 可以檢測到紅外發(fā)射源的方位，從而驅動(dòng)電機向外發(fā)射源的方向前進(jìn)。

　　圖4 智能跟隨紅外發(fā)送接收電路

　　拍手信號捕獲電路設計

　　拍手彩燈功能的實(shí)現主要分為拍手信號的捕獲和彩燈的旋轉點(diǎn)亮，彩燈的旋轉點(diǎn)亮較為簡(jiǎn)單，但拍手信號捕獲上由于拍手產(chǎn)生的信號不是標準的階躍信號，當用示波器進(jìn)行波形的觀(guān)察時(shí)，實(shí)際上波形在上升沿和下降沿的地方出現比較多的毛刺，也就是說(shuō)一次拍手信號產(chǎn)生了多次階躍信號。如果單片機記錄2 次上升沿的時(shí)間間隔時(shí)，由于毛刺的存在，使得單片機錯誤的將毛刺當做上升沿而捕捉，造成兩次上升沿的時(shí)間間隔的變小。解決的辦法是利用包絡(luò )檢測電路進(jìn)行包絡(luò )檢測，再通過(guò)電壓比較器選取合適的比較電壓值，從而產(chǎn)生比較理想的階躍信號，即一次拍手產(chǎn)生一次階躍信號。

　　電路利用麥克風(fēng)采集聲音信號，然后利用LM324 對采集來(lái)的信號進(jìn)行比例放大，放大的比例為100 倍，然后接過(guò)兩個(gè)1N5819 和一個(gè)104 獨石電容進(jìn)行包絡(luò )線(xiàn)檢測，最后利用LM358 作為電壓比較器，利用1 K 電阻和880Ω電阻分壓獲得比較電壓值，其電路如圖5 所示。機器人的移動(dòng)采用驅動(dòng)直流電機帶動(dòng)輪子轉動(dòng)實(shí)現，即控制直流電機的正反轉和速度，系統直流電機驅動(dòng)芯片采用SGS 公司的L298N，內部有4 通道邏輯驅動(dòng)電路。用三極管組成H 型平衡橋，驅動(dòng)功率大，驅動(dòng)能力強。同時(shí)H 型PWM 電路工作在晶體管的飽和狀態(tài)與截止狀態(tài)，具有非常高的效率。

　　圖5 拍手信號捕獲電路

　　直流電機驅動(dòng)電路設計

　　電機的轉速取決于3 個(gè)因素：負載、電壓和電流。對于一個(gè)給定的負載，可以通過(guò)脈沖寬度調制的方法來(lái)使電機保持穩定的速度。通過(guò)改變施加在直流電機上的脈沖寬度，可以增加或減小電機的轉速。調整脈沖寬度，即改變占空比，調整電機的速度。驅動(dòng)板采用6 個(gè)高速光耦6N137 實(shí)現驅動(dòng)電路與邏輯電路的隔離，這樣可以有效地避免驅動(dòng)電路與邏輯電路之間的相互干擾。驅動(dòng)板的電路原理圖如圖6 所示。

　　圖6 直流電機驅動(dòng)電路

　　通過(guò)軟件編程可以自由改變單片機兩路PWM脈沖信號的占空比，電機的A 端連接PWM 脈沖信號，電機的B 端連接單片機的一個(gè)I/O 引腳。當這個(gè)I/O 引腳置1 時(shí)，電流從電機的B 端流向電機的A 端;當這個(gè)I/O 引腳置0 時(shí)，電流從電機的A 端流向電機的B 端，這樣電機就可以改變電機旋轉方向，同時(shí)控制PWM 脈沖信號的占空比值還可以改變電機旋轉速度，實(shí)現轉向和轉速的控制。