基于光學(xué)傳感器的智能玩具小車(chē)設計

智能機器人在當今社會(huì )的應用越來(lái)越廣泛。從普通的玩具機器人到工業(yè)控制機器人，從能夠炒菜的機器人到可以進(jìn)行太空探測的機器人，可以預見(jiàn)今后智能機器人的應用將更加廣泛。普通的無(wú)線(xiàn)遙控車(chē)大家都很熟悉，任天堂的電玩WII大家也都覺(jué)得很神奇。熟悉的不好玩，神奇的又玩不起，可能是很多人遇到的共同問(wèn)題。本設計從全新的思維角度出發(fā)，制作一個(gè)日常生活可以玩的智能小車(chē)，以饗有共同愛(ài)好的讀者。

系統總體設計


智能小車(chē)系統原理是，將三維坐標傳感器安裝在小車(chē)上，小車(chē)即具有智能感知功能，就會(huì )隨著(zhù)目標物的前后左右移動(dòng)而跟著(zhù)移動(dòng)。系統主要有3個(gè)組件：一為三維坐標光感傳感器（ETOMS-ET21X111）,用于采集目標物的移動(dòng)坐標，該傳感器使用非常簡(jiǎn)單；二為MCU（EMC-EM78P156），讀取傳感器數據控制馬達轉動(dòng)，EM78P156是市面上常見(jiàn)的MCU，使用簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜；三是馬達，馬達選用普通直流馬達即可，采用PWM控制。系統整體框架如圖1所示。



圖1 系統整體框架


該設計的整體功能簡(jiǎn)單概括起來(lái)就是：讓小車(chē)能夠跟著(zhù)人（或是目標物）走。分開(kāi)來(lái)講需要實(shí)現以下3個(gè)小功能：傳感器能夠正確讀取X、Y、Z的坐標值，這是首要條件。MCU能夠正確判斷X、Z坐標值的大小變化，這是關(guān)鍵?？赡苡腥藭?huì )有疑問(wèn)，為什么不判斷Y坐標變化呢？那是因為小車(chē)不能上下跳躍（上下方為Y軸）。MCU根據坐標值的大小變化控制馬達轉向及馬達PWM的時(shí)間，這是結果。

硬件系統設計


1 傳感器周邊電路設計


ETOMS-ET21X111是一款高性能具有X、Y、Z坐標資料輸出功能的光感傳感器。具有如下特點(diǎn)：高速資料輸出，每秒鐘輸出坐標資料高達75frame；低電壓工作，電壓范圍2.7～3.5V；采用標準RS232串行資料輸出格式輸出坐標值；使用外部晶振，范圍0.5～12MHz，通常采用3.58MHz；具有可控制曝光接口EO4～EO7。


EO4～EO7這四個(gè)接口是用于曝光控制的，既可以用軟件進(jìn)行控制，也可以用硬件的方式進(jìn)行控制。根據自己的需要選擇合適的即可。本設計采用硬件的方式將這四個(gè)接口全部置為高電平。


傳感器周邊詳細的接口電路如圖2所示，從圖2中可知EO4～EO7為高，這是曝光設置為硬件拉高，也可以在軟件中設置。IC正常工作時(shí)，坐標數據由RS232端口輸出。注意圖2中的4個(gè)LED為紅外LED。IC工作電壓是3.3V，系統采用5V供電。IC采用3.58MHz外接晶振，上電自動(dòng)復位后即可正常工作。





圖2 傳感器接口電路


2 MCU接口電路設計


MCU周邊控制電路詳細設計如圖3所示。圖3中L、L+控制左邊路馬達PWM，R、R+控制右路馬達PWM。RS232接收傳感器坐標數據輸入。IC工作于3.3V電壓，上電后自動(dòng)復位。系統時(shí)鐘采用4MHz外接晶振。



圖3 MCU接口電路


3 左路馬達控制電路


左路馬達控制電路如圖4所示。右路馬達控制電路同左路的一樣，圖中Q3、Q4采用PNP管，L和L+不可同時(shí)為L(cháng)OW，以免造成短路。



圖4 左路馬達控制電路

軟件系統設計


系統上電后，首先進(jìn)行初始化，對EMC78P156的寄存器進(jìn)行設置，使能中斷標志寄存器，等待中斷。圖5是主程序流程圖。



圖5 主程序流程圖


中斷產(chǎn)生時(shí)進(jìn)入中斷處理子程序，首先要關(guān)閉中斷標志且保護好現場(chǎng)，然后讀取并解析XYZ坐標值，分成以下幾種情況。


（1）判斷X軸變化，如果X值在大于14小于等于17時(shí)，馬達不左右轉動(dòng)，然后再判斷Z軸坐標值的變化，如果Z值也在大于14小于等于17時(shí)，馬達不前后轉動(dòng)。


（2）如果X軸坐標值大于17，判斷Z軸坐標，若Z值大于17，則反轉右馬達，之后左右馬達后轉；若Z值小于14，則正轉左馬達，之后左右馬達前轉；否則馬達不轉動(dòng)。


（3）如果X軸坐標值小于14，判斷Z軸坐標，若Z值大于17，則反轉左馬達，之后左右馬達后轉；若Z值小于14，則正轉右馬達，之后左右馬達前轉；否則馬達不轉動(dòng)。
中斷處理子程序的流程如圖6所示。



圖6 中斷處理子程序流程

設計技巧


1 傳感器的設計技巧


ET21X111對紅外線(xiàn)的光譜響應最好，但自然光中含有大量的紅外線(xiàn)，所以強烈的自然光會(huì )影響傳感器的數據，導致輸出的坐標與實(shí)際坐標有較大的偏差，解決方法是加濾光片，但這也只能起到衰減作用，具體應用視情況而定。


2 馬達控制電路設計技巧


設計控制馬達正反轉的電路時(shí)要注意：因MCU在上電的時(shí)候，I/O的狀態(tài)是不確定的，所以程序在一開(kāi)始就要將Q3、Q4的兩個(gè)I/O設成HI（Q3、Q4為PNP管，如果為NPN管則I/O設成LOW），以防止在上電的時(shí)候兩個(gè)I/O都為L(cháng)OW，使Q3、Q4導通形成短路。另外需要注意的是在同一時(shí)間Q3、Q4只能有一個(gè)是導通的。


3 MCU設計技巧


在電刷直流馬達啟動(dòng)或轉動(dòng)的時(shí)候，會(huì )產(chǎn)生很大的電源毛刺。這對MCU的工作非常不利，所以加入此LCπ型濾波電路，如圖7所示。



圖7 濾波電路


4 程序設計技巧


智能小車(chē)在運行的過(guò)程中，需要一邊讀取傳感器傳過(guò)來(lái)的坐標數據，一邊控制馬達的PWM輸出。傳感器會(huì )每12ms輸出一次坐標資料，所以最好的方式是采用中斷來(lái)讀傳感器資料，而在沒(méi)有資料輸出的時(shí)間做PWM輸出的動(dòng)作。
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