熱門關鍵詞：霍爾效應電感 PTC 運算放大器紅外

DIY：自制紅外避障小黃人“別摸我”

發布時間：2014-2-6 11:59 發布者：lichen

關鍵詞： DIY

請自行腦補小黃人那賤賤的笑聲~(實物是有聲音的)

這個玩具還有個NB名字：BMW（別摸我）

制作背景

本玩具誕生于芯世界、創客空間、英特爾等機構組織的極創48小時HACKATHON的比賽。并有幸獲得了本次比賽的第一名，感謝之前所有支持過我們的果殼er們��！

在我們一群開發人猿的努力下，這個純手工制作的小黃人誕生了。

制作難度：3星

制作時間：比賽時我們3-4人工作了約8小時

制作材料電路控制部分

Arduino Mega2560*1
紅外傳感器*3
舵機*2
揚聲器*1
LM386*1
導線、面包板、洞洞板*N

骨架與裝飾材料

可樂瓶*1
木板*N
A4紙*N
工具部分：
彩筆*N
鋸條、螺絲刀、螺絲釘等常見工具

實現原理

我們在小黃人的眼睛和雙手的位置分別裝了三個紅外傳感器（眼睛里的那個是不是毫無違和感呢，哈哈）。當人手靠近傳感器時，傳感器的信號會發生變化。Arduino控制器接收到這種變化后，會控制對應的舵機轉動到相應的角度，保持一段時間后恢復原位。我們總共有兩個舵機，分別控制小黃人的向后倒和左右閃躲。同時，Arduino控制器通過LM386芯片驅動揚聲器，播放小黃人笑聲的wav音頻。

電路控制部分連接紅外傳感器到Arduino控制器

紅外反射式傳感器可以發射紅外線，并檢測紅外線是否被反彈回來。這個傳感器因為內部已經集成了放大、濾波等電路，使用起來非常方便。傳感器有3個引腳，分別是電源、地和信號。經過測量，當傳感器前方有遮擋物時，信號線電壓變低。

直接將信號線接到Arduino的數字端口上，判斷這個數字端口的值是否為0，即可判斷傳感器前方是否有手靠近了。

如果紅外傳感器的質量不太好的話（產生的信號電壓不穩或者不夠低），則可以將信號線連接到Arduino的模擬信號引腳上，使用Arduino的AnalogRead函數（封裝好的函數用起來就是簡單）就可以讀出這個信號線上的電壓。設置一個電壓閾值，就可以判斷傳感器前方是否有手靠近了。

連接舵機到Arduino控制器

關于舵機的使用，DIY站的前輩寫了一篇很好的文章：DIYer修煉：舵機知識掃盲

這里簡單描述一下：

舵機收到一個用PWM波模擬的電壓值，就會讓驅動軸帶動舵盤旋轉到一個固定的角度。而在Arduino中，完全可以利用封裝好了舵機的控制函數，命令舵機轉到對應的角度即可。

下圖中展示了一個舵機和一系列的舵盤。

這里使用兩個舵機分別控制小黃人前后旋轉和左右旋轉。

結合第一步中的紅外傳感器，此時便已經可以實現如下功能：

當紅外傳感器檢測到小黃人前方有手時，就命令前后舵機向后轉動90度；當左方有手時，就命令左右舵機向右旋轉90度；當右方有手時，就命令左右舵機向左旋轉90度。

當然，控制邏輯還可以有更多花樣。比如，當我使出“雙峰貫耳”時，小黃人會前撲進行反擊~

PS：舵機在工作時會對電源電壓產生一定的干擾，因此需要接電容濾波或者是單獨供電。否則會影響紅外傳感器的正常工作。

連接揚聲器到Arduino控制器

由于器材限制，我們采用了比較簡單的音頻播放方法。使用單片機的PWM波來近似播放PCM編碼的單聲道音頻。為了操作簡單（不用外接flash或者ram），我們將音頻直接固化在程序中了。

這一段里我將介紹如何產生WAV音頻文件、如何將音頻文件固化在程序中、如何修改Arduino的PWM波產生函數的基本參數。

之前說了兩次Arduino封裝函數的方便，這里要來吐槽一下啦：有一些操作，在普通的單片機，包括Arduino套件所采用的AVR中實現比較簡單，但是在函數高度封裝后的Arduino上，處理起來略有麻煩。

產生WAV音頻文件

截取：這步比較簡單，我是用KMPlayer從電影中抓取了1.5s的小黃人的笑聲音頻。
轉碼：之后用GoldWave將其轉碼成WAV格式，參數選擇是PCM unsigh 8-bit mono，并將其采樣率降低到8KHz（語音信號的采樣率的最低要求是6.8KHz，這里就先不多解釋了）。8bit單聲道的PCM的編碼，就是用一個8bit的值表示當時的聲音強弱，一秒鐘8000個點，我的音頻總共12000個點。因此，只要Arduino能夠如實的將這12000個點的值變成電壓值，去驅動喇叭，就可以發聲了。
取值：我用ultraedit打開wav文件，在16進制的模式下能看到值，但是無法復制。最后被迫用了matlab去讀取wav文件，將12000個值取了出來。如果誰會更簡單的方法告訴我一下吧~

音頻文件固化在程序中

12000個8bit的數的大小約是12KB。Arduino的RAM大小只有8KB，而其程序Flash的大小有128KB。因此最簡單的方法就是將它直接寫到程序里。

在Arduino中，直接定義數組的方法是：

const byte sound[]={………………………………}；

這樣的話，數組中的內容作為變量會被要求加載到RAM，于是RAM就爆了。

固化到程序里的方法是：

#include //開頭要引用這個文件const byte sound[] PROGMEM={………………};//定義時候要加上關鍵字…………a=pgm_read_byte(&sound);//程序中的數組的使用方法用PWM波模擬聲音
PWM波使用不同占空比的方波，來模擬不同的直流電壓，就可以模擬一個模擬信號。（中文有點怪，英文是emulate an analog signal）
Arduino可以很方便的產生一個指定模擬電壓的PWM，使用函數AnalogWrite即可。因此我們讓Arduino依次將12000個聲音點的值，用PWM波模擬出來，理論上就只要再通過濾波和放大就大功告成了。
這里需要的一個前提是，PWM波的頻率要遠高于聲音的采樣頻率（8kHz）。否則會很難濾波甚至發生錯誤。
不幸的是，AnalogWrite中無法指定PWM的頻率。查閱資料后發現，PWM波的默認頻率只有幾百赫茲，因此剛開始實驗時喇叭里全是噪聲。參考了Arduino的官方網站的使用教程 [url=http://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheethttp://playground.arduino.cc/Main/TimerPWMCheatsheet]Adjusting PWM Frequencies[/url] 中的資料，將PWM波的頻率改成312500Hz。終于能夠實現聲音的播放了。
此時直接將揚聲器接到PWM的輸出端口上，已經可以聽到聲音了（揚聲器本身的結構具有低通濾波器的特性，可以濾去高頻分量）
后續的濾波器以及功放電路就不描述了，時間倉促，設計的也不好。
至此，電路部分已經設計完成。此時用手擋住任何一個紅外傳感器，均會有一個舵機開始旋轉，并且有賤賤的笑聲。
機械部分
由于我們沒有人是學機械或者設計的，不會畫CAD圖，無法使用高級的切割設備，只能采用手工加工木板。首先引用一段對舵機用法的介紹，出自于前面提到的 DIYer修煉：舵機知識掃盲。
舵機的支架和連接裝置

6.jpg

想在你的項目中用上舵機，就要滿足兩個條件：一是需要個能把舵機固定到基座上的支架，二是得有個能將驅動軸和物體連在一起的連接裝置。支架一般舵機上就有，而且帶有擰螺絲用的安裝孔。如果你僅僅是測試的話，用點兒熱熔膠或者雙面泡沫膠帶就能輕松的固定住舵機。
怎樣連接驅動軸呢，你會發現舵機都附帶了一些有孔的小東西，這就是舵盤，它可以套在驅動軸，臂上打上了些小孔。你只要用連接棒或者線把物體連到孔上，就可以將舵機的旋轉運動變成物體的直線運動了，當然了，選用不同的舵盤或固定孔就能產生不同的運動啦。
圖示的是幾種不同的舵盤。前面4個白色的是舵機附帶的舵盤，右邊四個是用激光切割機切割塑料得到的DIY舵盤。最右邊的2個是舵盤和支架的組合，如果你想實現兩個舵機的組合運動，把這個舵盤的支架固定到另一個舵機的支架上就OK了。

接下來的機械設計介紹，這可能會是你在果殼中看到的最坑爹的表達方式，大家對著實物圖和我畫的“偽三視圖”努力辨認一下吧…

7.jpg

我們用了兩個舵機實現了兩個自由度。整個設備從下往上依次是：
大木板A
一個大木板A上豎直的固定了一個小木板B，固定方式用的是一個直角的金屬，名字未知……
在小木板B上挖了一個槽，將一個舵機卡到了里面，并用螺絲固定。
在舵機的驅動轉盤上固定一個小木板C，這個木板會隨著這個舵機的驅動轉盤實現前后旋轉。
小木板C上用螺絲固定了第二個舵機。
第二個舵機的驅動轉盤上固定木條D，這個木條D可以在驅動轉盤的帶動下，實現左右旋轉。
在木條D上固定大可樂瓶，在可樂瓶的適當位置開洞，固定3個紅外傳感器。
最后，在可樂瓶外側，用白紙畫上小黃人的外觀，就大功告成啦！

2.gif

PS. 小黃人還在繼續成長中~我們將會在這個簡單的小黃人的基礎上，開發出一款真正的玩具。嗯？那款玩具會是什么樣的？現在還不能告訴你，肯定會更可愛，更聰明（或者更笨），變得會學習、會有情緒，也許還可以和很多人一起玩。敬請期待吧！

本文地址：http://m.qingdxww.cn/thread-126155-1-1.html 【打印本頁】

本站部分文章為轉載或網友發布，目的在于傳遞和分享信息，并不代表本網贊同其觀點和對其真實性負責；文章版權歸原作者及原出處所有，如涉及作品內容、版權和其它問題，我們將根據著作權人的要求，第一時間更正或刪除。