基于光學(xué)傳感器的智能玩具小車(chē)設(shè)計(jì)

智能機(jī)器人在當(dāng)今社會(huì)的應(yīng)用越來(lái)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(cè)的機(jī)器人，可以預(yù)見(jiàn)今后智能機(jī)器人的應(yīng)用將更加廣泛。普通的無(wú)線遙控車(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(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(chē)，以饗有共同愛(ài)好的讀者。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

智能小車(chē)系統(tǒng)原理是，將三維坐標(biāo)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(jiǎn)單；二為MCU（EMC-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(jiàn)的MCU，使用簡(jiǎn)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(jiǎn)單概括起來(lái)就是：讓小車(chē)能夠跟著人（或是目標(biāo)物）走。分開(kāi)來(lái)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(wèn)，為什么不判斷Y坐標(biāo)變化呢？那是因?yàn)樾≤?chē)不能上下跳躍（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為紅外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L(zhǎng)OW，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(chǎng)，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(kāi)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L(zhǎng)OW，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(chē)在運(yùn)行的過(guò)程中，需要一邊讀取傳感器傳過(guò)來(lái)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(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。