讲解光学传感器的智能玩具小车设计

发布时间：2015-06-8 阅读量：762 来源: 我爱方案网作者:

【导读】我爱方案网小编为大家介绍讲解光学传感器的智能玩具小车设计智能机器人在当今社会的应用越来越广泛。从普通的玩具机器人到工业控制机器人，从能够炒菜的机器人到可以进行太空探测的机器人，可以预见今后智能机器人的应用将更加广泛。

智能机器人在当今社会的应用越来越广泛。从普通的玩具机器人到工业控制机器人，从能够炒菜的机器人到可以进行太空探测的机器人，可以预见今后智能机器人的应用将更加广泛。

普通的无线遥控车大家都很熟悉，任天堂的电玩WII大家也都觉得很神奇。熟悉的不好玩，神奇的又玩不起，可能是很多人遇到的共同问题。本设计从全新的思维角度出发，制作一个日常生活可以玩的智能小车，以飨有共同爱好的读者。

系统总体设计

智能小车系统原理是，将三维坐标传感器安装在小车上，小车即具有智能感知功能，就会随着目标物的前后左右移动而跟着移动。系统主要有3个组件：一为三维坐标光感传感器（ETOMS-ET21X111），用于采集目标物的移动坐标，该传感器使用非常简单；二为MCU（EMC-EM78P156），读取传感器数据控制马达转动，EM78P156是市面上常见的MCU，使用简单，价格便宜；三是马达，马达选用普通直流马达即可，采用PWM控制。系统整体框架如图1所示。

图1 系统整体框架

该设计的整体功能简单概括起来就是：让小车能够跟着人（或是目标物）走。分开来讲需要实现以下3个小功能：传感器能够正确读取X、Y、Z的坐标值，这是首要条件。MCU能够正确判断X、Z坐标值的大小变化，这是关键。可能有人会有疑问，为什么不判断Y坐标变化呢？那是因为小车不能上下跳跃（上下方为Y轴）。MCU根据坐标值的大小变化控制马达转向及马达PWM的时间，这是结果。

硬件系统设计

1传感器周边电路设计

ETOMS-ET21X111是一款高性能具有X、Y、Z坐标资料输出功能的光感传感器。具有如下特点：高速资料输出，每秒钟输出坐标资料高达75frame；低电压工作，电压范围2.7～3.5V；采用标准RS232串行资料输出格式输出坐标值；使用外部晶振，范围0.5～12MHz，通常采用3.58MHz；具有可控制曝光接口EO4～EO7。

EO4～EO7这四个接口是用于曝光控制的，既可以用软件进行控制，也可以用硬件的方式进行控制。根据自己的需要选择合适的即可。本设计采用硬件的方式将这四个接口全部置为高电平。

传感器周边详细的接口电路如图2所示，从图2中可知EO4～EO7为高，这是曝光设置为硬件拉高，也可以在软件中设置。IC正常工作时，坐标数据由RS232端口输出。注意图2中的4个LED为红外LED。IC工作电压是3.3V，系统采用5V供电。IC采用3.58MHz外接晶振，上电自动复位后即可正常工作。

图2 传感器接口电路

2MCU接口电路设计

MCU周边控制电路详细设计如图3所示。图3中L、L+控制左边路马达PWM，R、R+控制右路马达PWM。RS232接收传感器坐标数据输入。IC工作于3.3V电压，上电后自动复位。系统时钟采用4MHz外接晶振。

图3 MCU接口电路

3左路马达控制电路

左路马达控制电路如图4所示。右路马达控制电路同左路的一样，图中Q3、Q4采用PNP管，L和L+不可同时为LOW，以免造成短路。

图4 左路马达控制电路

软件系统设计

系统上电后，首先进行初始化，对EMC78P156的寄存器进行设置，使能中断标志寄存器，等待中断。图5是主程序流程图。

图5主程序流程图

中断产生时进入中断处理子程序，首先要关闭中断标志且保护好现场，然后读取并解析XYZ坐标值，分成以下几种情况。

（1）判断X轴变化，如果X值在大于14小于等于17时，马达不左右转动，然后再判断Z轴坐标值的变化，如果Z值也在大于14小于等于17时，马达不前后转动。

（2）如果X轴坐标值大于17，判断Z轴坐标，若Z值大于17，则反转右马达，之后左右马达后转；若Z值小于14，则正转左马达，之后左右马达前转；否则马达不转动。

（3）如果X轴坐标值小于14，判断Z轴坐标，若Z值大于17，则反转左马达，之后左右马达后转；若Z值小于14，则正转右马达，之后左右马达前转；否则马达不转动。

中断处理子程序的流程如图6所示。

图6 中断处理子程序流程

设计技巧

1传感器的设计技巧

ET21X111对红外线的光谱响应最好，但自然光中含有大量的红外线，所以强烈的自然光会影响传感器的数据，导致输出的坐标与实际坐标有较大的偏差，解决方法是加滤光片，但这也只能起到衰减作用，具体应用视情况而定。

2马达控制电路设计技巧

设计控制马达正反转的电路时要注意：因MCU在上电的时候，I/O的状态是不确定的，所以程序在一开始就要将Q3、Q4的两个I/O设成HI（Q3、Q4为PNP管，如果为NPN管则I/O设成LOW），以防止在上电的时候两个I/O都为LOW，使Q3、Q4导通形成短路。另外需要注意的是在同一时间Q3、Q4只能有一个是导通的。

3MCU设计技巧

在电刷直流马达启动或转动的时候，会产生很大的电源毛刺。这对MCU的工作非常不利，所以加入此LCπ型滤波电路，如图7所示。

图7 滤波电路
4程序设计技巧

智能小车在运行的过程中，需要一边读取传感器传过来的坐标数据，一边控制马达的PWM输出。传感器会每12ms输出一次坐标资料，所以最好的方式是采用中断来读传感器资料，而在没有资料输出的时间做PWM输出的动作。

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