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基于光學(xué)傳感器的智能玩具小車設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2010-8-2 11:57    發(fā)布者:lavida
關(guān)鍵詞: 光學(xué)傳感器 , 玩具小車
智能機(jī)器人在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用越來越廣泛。從普通的玩具機(jī)器人到工業(yè)控制機(jī)器人,從能夠炒菜的機(jī)器人到可以進(jìn)行太空探測的機(jī)器人,可以預(yù)見今后智能機(jī)器人的應(yīng)用將更加廣泛。

普通的無線遙控車大家都很熟悉,任天堂的電玩WII大家也都覺得很神奇。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題。本設(shè)計(jì)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,以饗有共同愛好的讀者。  

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)  

智能小車系統(tǒng)原理是,將三維坐標(biāo)傳感器安裝在小車上,小車即具有智能感知功能,就會(huì)隨著目標(biāo)物的前后左右移動(dòng)而跟著移動(dòng)。系統(tǒng)主要有3個(gè)組件:一為三維坐標(biāo)光感傳感器(ETOMS-ET21X111),用于采集目標(biāo)物的移動(dòng)坐標(biāo),該傳感器使用非常簡單;二為MCUEMC-EM78P156),讀取傳感器數(shù)據(jù)控制馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng),EM78P156是市面上常見的MCU,使用簡單,價(jià)格便宜;三是馬達(dá),馬達(dá)選用普通直流馬達(dá)即可,采用PWM控制。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。  

  
圖1 系統(tǒng)整體框架  

該設(shè)計(jì)的整體功能簡單概括起來就是:讓小車能夠跟著人(或是目標(biāo)物)走。分開來講需要實(shí)現(xiàn)以下3個(gè)小功能:傳感器能夠正確讀取X、Y、Z的坐標(biāo)值,這是首要條件。MCU能夠正確判斷X、Z坐標(biāo)值的大小變化,這是關(guān)鍵�?赡苡腥藭�(huì)有疑問,為什么不判斷Y坐標(biāo)變化呢?那是因?yàn)樾≤嚥荒苌舷绿S(上下方為Y軸)。MCU根據(jù)坐標(biāo)值的大小變化控制馬達(dá)轉(zhuǎn)向及馬達(dá)PWM的時(shí)間,這是結(jié)果。  

硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)  

1 傳感器周邊電路設(shè)計(jì)  

ETOMS-ET21X111是一款高性能具有X、Y、Z坐標(biāo)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(biāo)資料高達(dá)75frame;低電壓工作,電壓范圍2.7~3.5V;采用標(biāo)準(zhǔn)RS232串行資料輸出格式輸出坐標(biāo)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(jù)自己的需要選擇合適的即可。本設(shè)計(jì)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(xì)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(shè)置為硬件拉高,也可以在軟件中設(shè)置。IC正常工作時(shí),坐標(biāo)數(shù)據(jù)由RS232端口輸出。注意圖2中的4個(gè)LED紅外LED。IC工作電壓是3.3V,系統(tǒng)采用5V供電。IC采用3.58MHz外接晶振,上電自動(dòng)復(fù)位后即可正常工作。   


  

  
圖2 傳感器接口電路  

2 MCU接口電路設(shè)計(jì)  

MCU周邊控制電路詳細(xì)設(shè)計(jì)如圖3所示。圖3中L、L+控制左邊路馬達(dá)PWM,R、R+控制右路馬達(dá)PWM。RS232接收傳感器坐標(biāo)數(shù)據(jù)輸入。IC工作于3.3V電壓,上電后自動(dòng)復(fù)位。系統(tǒng)時(shí)鐘采用4MHz外接晶振。  

  
圖3 MCU接口電路  

3 左路馬達(dá)控制電路  

左路馬達(dá)控制電路如圖4所示。右路馬達(dá)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LOW,以免造成短路。  

  
圖4 左路馬達(dá)控制電路  

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)  

系統(tǒng)上電后,首先進(jìn)行初始化,對(duì)EMC78P156的寄存器進(jìn)行設(shè)置,使能中斷標(biāo)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(biāo)志且保護(hù)好現(xiàn)場,然后讀取并解析XYZ坐標(biāo)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(dá)不左右轉(zhuǎn)動(dòng),然后再判斷Z軸坐標(biāo)值的變化,如果Z值也在大于14小于等于17時(shí),馬達(dá)不前后轉(zhuǎn)動(dòng)。  
(2)如果X軸坐標(biāo)值大于17,判斷Z軸坐標(biāo),若Z值大于17,則反轉(zhuǎn)右馬達(dá),之后左右馬達(dá)后轉(zhuǎn);若Z值小于14,則正轉(zhuǎn)左馬達(dá),之后左右馬達(dá)前轉(zhuǎn);否則馬達(dá)不轉(zhuǎn)動(dòng)。  
(3)如果X軸坐標(biāo)值小于14,判斷Z軸坐標(biāo),若Z值大于17,則反轉(zhuǎn)左馬達(dá),之后左右馬達(dá)后轉(zhuǎn);若Z值小于14,則正轉(zhuǎn)右馬達(dá),之后左右馬達(dá)前轉(zhuǎn);否則馬達(dá)不轉(zhuǎn)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(shè)計(jì)技巧  

1 傳感器的設(shè)計(jì)技巧  
ET21X111對(duì)紅外線的光譜響應(yīng)最好,但自然光中含有大量的紅外線,所以強(qiáng)烈的自然光會(huì)影響傳感器的數(shù)據(jù),導(dǎo)致輸出的坐標(biāo)與實(shí)際坐標(biāo)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(yīng)用視情況而定。  

2 馬達(dá)控制電路設(shè)計(jì)技巧  
設(shè)計(jì)控制馬達(dá)正反轉(zhuǎn)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,所以程序在一開始就要將Q3、Q4的兩個(gè)I/O設(shè)成HI(Q3、Q4為PNP管,如果為NPN管則I/O設(shè)成LOW),以防止在上電的時(shí)候兩個(gè)I/O都為LOW,使Q3、Q4導(dǎo)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(dǎo)通的。  

3 MCU設(shè)計(jì)技巧  
在電刷直流馬達(dá)啟動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)的時(shí)候,會(huì)產(chǎn)生很大的電源毛刺。這對(duì)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(shè)計(jì)技巧  

智能小車在運(yùn)行的過程中,需要一邊讀取傳感器傳過來的坐標(biāo)數(shù)據(jù),一邊控制馬達(dá)的PWM輸出。傳感器會(huì)每12ms輸出一次坐標(biāo)資料,所以最好的方式是采用中斷來讀傳感器資料,而在沒有資料輸出的時(shí)間做PWM輸出的動(dòng)作。
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