磁阻傳感器在機(jī)器人玩具中的應(yīng)用

0 背景

機(jī)器人玩具控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中對(duì)方向的控制尤其重要，直接體現(xiàn)了機(jī)器人玩具的控制精度和整體效果。在本文中要解決的問(wèn)題就是控制好機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方向和球門(mén)之間的夾角，讓其能夠在運(yùn)行中實(shí)時(shí)地自我調(diào)整，準(zhǔn)確地把球送入球門(mén)。

本文的課題背景是一個(gè)機(jī)器人玩具的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，主芯片采用的是以摩特羅拉公司的MC86EZ328芯片，只完成與通信、運(yùn)算等有關(guān)的主要操作，在沒(méi)有操作時(shí)，由運(yùn)行于其上的操作系統(tǒng)uClinux來(lái)維護(hù)。對(duì)于所有與EZ328的核心運(yùn)算、控制、通信、操作無(wú)關(guān)的外圍設(shè)備的維護(hù)和控制都通過(guò)一塊AT89C52來(lái)完成，它與EZ328的底層通信協(xié)議為同步串口協(xié)議(SPI)，在AT89C52中由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。C52包含的部件主要是A/D轉(zhuǎn)換器，鍵盤(pán)接口，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。硬件結(jié)構(gòu)電路圖如下圖1：

圖1

1 磁阻傳感器及其詳細(xì)采集過(guò)程

1.1 磁阻傳感器HMC1022簡(jiǎn)介

機(jī)器人玩具的方向控制的核心部件就是HMC1022兩維磁阻微電路芯片，它的機(jī)構(gòu)是四臂的惠斯通電橋，將磁場(chǎng)轉(zhuǎn)化為差動(dòng)輸出的電壓，可以檢測(cè)低至85微高斯的磁場(chǎng)信號(hào)，這種低成本的傳感器相比傳統(tǒng)型號(hào)的同類(lèi)產(chǎn)品具有更小的體積和更低的功耗。供電電源為3V-10V直流電壓。本設(shè)計(jì)中采用的HMC0122采用的是16腳SOIC封裝，集成了兩路的惠斯通電橋，測(cè)出平面的X軸和Y軸的磁場(chǎng)信號(hào)，這樣就可以獲得水平面上方向的完整信號(hào)。

比較特殊的是Honeywell公司的這種磁阻傳感器帶有一個(gè)獲得專(zhuān)利的置位/復(fù)位電路。

圖2和圖3分別是HMC1022內(nèi)部電橋和置位/復(fù)位電路電路設(shè)計(jì)。

圖2

圖3

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1.2 磁阻傳感器工作原理

HMC的輸出電壓為磁場(chǎng)強(qiáng)度為0時(shí)傳感器的輸出。所以當(dāng)U0為0時(shí)， Uout正比于磁場(chǎng)強(qiáng)度B。如圖4，假設(shè)機(jī)器人處于水平面上，X為機(jī)器人行進(jìn)方向，Y為水平面上垂直X的方向向右(即X順時(shí)針轉(zhuǎn)90)，地里北極方向和地磁北極方向如圖所示。H為地磁場(chǎng)，Hx、Hy分別是H在X、Y方向的水平分量， β為機(jī)器人行進(jìn)方向和地磁北極方向的夾角， γ為地磁北極和地理北極方向的夾角，K就是機(jī)器人行進(jìn)方向與地理北極方向之間的夾角，也就是我們最終要求的角度。(此處的β、γ、 K都是由前者出發(fā)順時(shí)針到達(dá)后者的角度)由圖可明顯看出，K= β-γ。而在地球上不同方位的γ可查表得出，所以關(guān)鍵就是求得 。由磁阻傳感器可以得出Hx、Hy，(此處忽略了機(jī)器人在Z軸方向的傾斜，所以二維傳感器就夠用了)，。

圖4

1.3 磁阻傳感器信號(hào)采集模塊電路設(shè)計(jì)

從HMC1022輸出的電壓信號(hào)非常微弱，我的測(cè)試是0到3mv(具體每個(gè)芯片的輸出不是完全一致),需要經(jīng)過(guò)放大器的放大，放大器選用的是AN622,放大倍數(shù)選定為600倍，這種放大器可以加上一個(gè)2.5v的偏置電壓，所以輸出到A/D的電壓為2.5v+(0～3mv)*600,兩路采集到的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后連接到ADC0832。ADC0832是個(gè)兩通道8位精度的逐次逼近式模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，通過(guò)一個(gè)串行的I/O口DI輸入一個(gè)MUX ADDRESS序列，來(lái)配置A/D成差分方式并選擇哪一路通道的信號(hào)。2051通過(guò)一路I/O來(lái)串行讀入轉(zhuǎn)換后的數(shù)值。

用max662a作為RST/SET部分的恒壓源，電路的工作原理及流程如下：

1. 由2051的14端(P1.7)輸出高電平，SR電路set功能選通

2. 通過(guò)2051 P1各相應(yīng)端子控制ADC0832，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vset 。

3. 2051的P1.7輸出低電平，SR電路reset功能選通

4. 通過(guò)2051 P1各相應(yīng)端子控制AD0832，完成一次A/D轉(zhuǎn)換，記下此次讀入的電壓值Vrst

5. 求出1022的輸出偏置電壓V0=(Vset+Vrst)/2。

6. 通過(guò)2051控制AD0832完成A/D轉(zhuǎn)換，將每一次讀入的值Vrst減去V0就得到計(jì)算需要用的電壓Vread=Vrst-V0;(包括兩個(gè)軸方向的電壓Vready、Vreadx)

7. 求得

8. K=β-γ, goto 6

經(jīng)過(guò)2051處理后得出的數(shù)值，在時(shí)鐘的配合下用一個(gè)I/O口模擬PWM輸出，傳給C52單片機(jī)。

2 結(jié)束語(yǔ)

整個(gè)電路設(shè)計(jì)作為機(jī)器人玩具的可加載模塊，在實(shí)際使用中的效果很好，對(duì)方向的分辯率完全滿(mǎn)足在5度以?xún)?nèi)，從性?xún)r(jià)比來(lái)看，這種電路設(shè)計(jì)是比較成功的設(shè)計(jì)。