基于光學傳感器的智能玩具小車設計

分類：解決方案日期：2009-06-08 10:20:25 來源：中國傳感器

智能機器人在當今社會的應用越來越廣泛。從普通的玩具機器人到工業控制機器人，從能夠炒菜的機器人到可以進行太空探測的機器人，可以預見今后智能機器人的應用將更加廣泛。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。本設計從全新的思維角度出發，制作一個日常生活可以玩的智能小車，以饗有共同愛好的讀者。

系統總體設計

智能小車系統原理是，將三維坐標傳感器安裝在小車上，小車即具有智能感知功能，就會隨著目標物的前后左右移動而跟著移動。系統主要有3個組件：一為三維坐標光感傳感器（ETOMS-ET21X111）,用于采集目標物的移動坐標，該傳感器使用非常簡單；二為MCU（EMC-EM78P156），讀取傳感器數據控制馬達轉動，EM78P156是市面上常見的MCU，使用簡單，價格便宜；三是馬達，馬達選用普通直流馬達即可，采用PWM控制。系統整體框架如圖1所示。

該設計的整體功能簡單概括起來就是：讓小車能夠跟著人（或是目標物）走。分開來講需要實現以下3個小功能：傳感器能夠正確讀取X、Y、Z的坐標值，這是首要條件。MCU能夠正確判斷X、Z坐標值的大小變化，這是關鍵。可能有人會有疑問，為什么不判斷Y坐標變化呢？那是因為小車不能上下跳躍（上下方為Y軸）。MCU根據坐標值的大小變化控制馬達轉向及馬達PWM的時間，這是結果。

硬件系統設計

1 傳感器周邊電路設計

ETOMS-ET21X111是一款高性能具有X、Y、Z坐標資料輸出功能的光感傳感器。具有如下特點：高速資料輸出，每秒鐘輸出坐標資料高達75frame；低電壓工作，電壓范圍2.7～3.5V；采用標準RS232串行資料輸出格式輸出坐標值；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這四個接口是用于曝光控制的，既可以用軟件進行控制，也可以用硬件的方式進行控制。根據自己的需要選擇合適的即可。本設計采用硬件的方式將這四個接口全部置為高電平。

傳感器周邊詳細的接口電路如圖2所示，從圖2中可知EO4～EO7為高，這是曝光設置為硬件拉高，也可以在軟件中設置。IC正常工作時，坐標數據由RS232端口輸出。注意圖2中的4個LED為紅外LED。IC工作電壓是3.3V，系統采用5V供電。IC采用3.58MHz外接晶振，上電自動復位后即可正常工作。

2 MCU接口電路設計

MCU周邊控制電路詳細設計如圖3所示。圖3中L、L+控制左邊路馬達PWM，R、R+控制右路馬達PWM。RS232接收傳感器坐標數據輸入。IC工作于3.3V電壓，上電后自動復位。系統時鐘采用4MHz外接晶振。

3 左路馬達控制電路

左路馬達控制電路如圖4所示。右路馬達控制電路同左路的一樣，圖中Q3、Q4采用PNP管，L和L+不可同時為LOW，以免造成短路。

軟件系統設計

系統上電后，首先進行初始化，對EMC78P156的寄存器進行設置，使能中斷標志寄存器，等待中斷。圖5是主程序流程圖。

中斷產生時進入中斷處理子程序，首先要關閉中斷標志且保護好現場，然后讀取并解析XYZ坐標值，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，馬達不左右轉動，然后再判斷Z軸坐標值的變化，如果Z值也在大于14小于等于17時，馬達不前后轉動。

（2）如果X軸坐標值大于17，判斷Z軸坐標，若Z值大于17，則反轉右馬達，之后左右馬達后轉；若Z值小于14，則正轉左馬達，之后左右馬達前轉；否則馬達不轉動。

（3）如果X軸坐標值小于14，判斷Z軸坐標，若Z值大于17，則反轉左馬達，之后左右馬達后轉；若Z值小于14，則正轉右馬達，之后左右馬達前轉；否則馬達不轉動。
中斷處理子程序的流程如圖6所示。

設計技巧

1 傳感器的設計技巧

ET21X111對紅外線的光譜響應最好，但自然光中含有大量的紅外線，所以強烈的自然光會影響傳感器的數據，導致輸出的坐標與實際坐標有較大的偏差，解決方法是加濾光片，但這也只能起到衰減作用，具體應用視情況而定。

2 馬達控制電路設計技巧

設計控制馬達正反轉的電路時要注意：因MCU在上電的時候，I/O的狀態是不確定的，所以程序在一開始就要將Q3、Q4的兩個I/O設成HI（Q3、Q4為PNP管，如果為NPN管則I/O設成LOW），以防止在上電的時候兩個I/O都為LOW，使Q3、Q4導通形成短路。另外需要注意的是在同一時間Q3、Q4只能有一個是導通的。

3 MCU設計技巧

在電刷直流馬達啟動或轉動的時候，會產生很大的電源毛刺。這對MCU的工作非常不利，所以加入此LCπ型濾波電路，如圖7所示。