兒童玩具娛樂
玩具車方案開發(fā)
智能玩具對兒童智力開發(fā)有很好的作用，因此受到了廣大家長的喜愛。中國作為世界上玩具第一生產(chǎn)大國，電子智能玩具具有很好的市場前景。單片機(jī)作為智能玩具電動車的控制核心，可以提高玩具的智能化水平。
一、玩具小車方案開發(fā)技術(shù)介紹
單片微型計算機(jī)(Sin~e Clip M icrocom puter)簡稱單片機(jī)。將中央處理器、只讀存儲器、定時/計數(shù)器、輸人輸出接口電路等擁有不同功能的部件集成在一個芯片上，便可構(gòu)成一個完整的微型計算機(jī)?，F(xiàn)如今，更新型、更高能的單片機(jī)相繼出現(xiàn)，并可以實(shí)現(xiàn)不同操作要求。單片機(jī)具有運(yùn)算速度快、存儲容量大、運(yùn)算能力強(qiáng)等優(yōu)勢，類型有通用型和專用型，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防軍事、科研、教育以及日常生活的各個領(lǐng)域，成為其智能化工具，推動了各行業(yè)技術(shù)改造，有利于產(chǎn)品不斷創(chuàng)新。
智能玩具電動車控制系統(tǒng)屬于一個綜合系統(tǒng)，包含了計算機(jī)控制技術(shù)、傳感技術(shù)、機(jī)械工程和人工智能等多方面的技術(shù)?？刂品绞接袉纹瑱C(jī)控制方式、光學(xué)傳感器控制方式、語音控制方式等。其功能包括對外界環(huán)境感知、動態(tài)決策和規(guī)劃、行為控制和執(zhí)行等。
二、智能玩具電動車的工作原理
智能玩具電動車以單片機(jī)為核心控制芯片，單片機(jī)、循跡、電機(jī)驅(qū)動、電源以及傳感器避障等部件作為硬件電路。智能玩具電動車設(shè)計多采用后驅(qū)動方式，兩個后輪分別各由一個電機(jī)控制，前輪是一個萬向輪，用來保持平衡。當(dāng)調(diào)整驅(qū)動輪轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向時，就能夠控制玩具電動車的轉(zhuǎn)向。玩具電動車底盤兩側(cè)分別安裝兩個紅外傳感器，當(dāng)電動車其中一側(cè)的傳感器檢測到黑線時，此側(cè)電機(jī)受到單片機(jī)控制芯片控制停止供電，并且電動車向此側(cè)修正。玩具電動車通過前端三個紅外傳感器探測前方是否有障礙物，單片機(jī)將檢測到的信息進(jìn)行分析和判斷，從而自動規(guī)避障礙物。將二極管和語音播報功能加入到智能玩具電動車設(shè)計中，就可以將電動車的行駛狀態(tài)等信息以語音、發(fā)光的形式表現(xiàn)出來，實(shí)現(xiàn)玩具電動車的智能化控制。
三、智能玩具電動車的系統(tǒng)設(shè)計
3.1電動玩具車硬件系統(tǒng)設(shè)計
(1)單片機(jī)部分設(shè)計。智能玩具電動車采用單片機(jī)作為主要控制器。單片機(jī)由于具有處理效率高、抗干擾能力強(qiáng)、使用溫度范圍廣、體積小、功率低、控制功能強(qiáng)、外部總線豐富等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能電子產(chǎn)品當(dāng)中。現(xiàn)在市場上單片機(jī)種類豐富、功能各異，因此，要根據(jù)產(chǎn)品的實(shí)際系統(tǒng)情況，選擇適合的單片機(jī)型號。智能玩具電動車多采用STC89C 51單片機(jī)，這款單片機(jī)適合多控制的復(fù)雜電子產(chǎn)品使用。
(2)循跡部分設(shè)計。循跡部分包含4個紅外傳感器，主要安裝在智能玩具電動車的底盤。當(dāng)紅外傳感器感應(yīng)到前方物體時，輸出的電壓根據(jù)不同的物體發(fā)出相應(yīng)的改變，并經(jīng)過LM 32比較采集高低電平，進(jìn)行信號檢測，單片機(jī)獲得相關(guān)的路面信息，改變控制命令，使電動車作出合適動作，實(shí)現(xiàn)循跡功能。
(3)傳感器避障部分。傳感器避障有兩種技術(shù)：一種是超聲波避障，在一定范圍內(nèi)，超聲波會進(jìn)行多次反射，傳感器之間容易相互干擾，導(dǎo)致對障礙物方向判斷失誤；另一種是紅外線避障，與超聲波避障相比，傳感器之間不會相互干擾，遇到近距離的障礙物反應(yīng)速度靈敏，不會發(fā)生誤判情況。因此，紅外線避障和超聲波避障相比，智能玩具電動車傳感器避障設(shè)計多選擇后者。傳感器避障設(shè)置在智能玩具電動車前后兩端，共6個紅外傳感器，工作原理與循跡相同，采用反射式接收。
(4)電機(jī)部分。在電動車兩個后輪旁分別安置一個直流電機(jī)，并使用同一個控制端。控制端有4個通道邏輯驅(qū)動電路，通過單片機(jī)的I/0輸入改變控制端的電平，可以控制電動車向前、后、左、右四個方向行駛，避開障礙物。
(5)電源部分。電源是整個智能電子玩具電動車設(shè)計的重要部分。電源為電動車正常使用提供電能，一般采用電池串聯(lián)供電的方式，有利于保持電壓的穩(wěn)定性。智能玩具電動車系統(tǒng)各個部分所需要的電壓各不相同，單片機(jī)、尋跡、傳感器避障部分所需要電壓為5V，電機(jī)部分所需電壓為12V，語音播報部分所需電壓為3.3V。
(6)語音播報部分。語音播報部分的功能是將智能玩具電動車正在發(fā)生的狀態(tài)通過語音提示的形式展現(xiàn)出來。采用一種永久記憶型語音錄放電路，主要由定時器、內(nèi)部時鐘、前置放大器、解碼器和收發(fā)器等組成，錄音時長60秒，可重復(fù)錄放數(shù)十萬次。將語音錄制完成儲存于芯片中，當(dāng)電動車發(fā)生不同的動作時，就可以播報出相應(yīng)的語音信息。
3.2智能玩具小車軟件系統(tǒng)設(shè)計
軟件系統(tǒng)主要是通過程序編寫對檢測信息進(jìn)行分析和處理，并作出相應(yīng)的指令，控制和改變玩具電動車的行為。各個模塊上，控制流程分別為電機(jī)流程、避障流程、循跡流程。
四、直流伺服電機(jī)在智能玩具小車中的編程應(yīng)用
隨著計算機(jī)技術(shù)高速發(fā)展，基于單片計算機(jī)技術(shù)的數(shù)字化智能控制系統(tǒng)得到了廣泛的用，而直流伺服電機(jī)在智能控制裝置的動力驅(qū)動系統(tǒng)中一直充當(dāng)著重要的角色，根據(jù)一款智能玩具小車控制器的動力驅(qū)動部分的硬件和軟件設(shè)計，介紹一種連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)在智能玩具中的編程應(yīng)用方法。
4.1智能玩具車硬件設(shè)計
智能玩具控制器的系統(tǒng)總體設(shè)計方案采用“MCU+感知系統(tǒng)+執(zhí)行機(jī)構(gòu)”的框架，因本文主要介紹其執(zhí)行機(jī)構(gòu)中的動力驅(qū)動設(shè)計，故不涉及到感知系統(tǒng)中的外部數(shù)據(jù)信息采集系統(tǒng)設(shè)計。
4.2智能玩具車軟件設(shè)計
直流伺服電機(jī)的控制程序采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，控制程序的基本原理是根據(jù)具體電機(jī)的控制時序，對單片機(jī)編程，使之輸出符合電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)規(guī)律的控制波形，本系統(tǒng)所使用的直流伺服電機(jī)采用的是PARALLAX公司生產(chǎn)的連續(xù)旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)，它有三條控制線，分別為：電源、地線及控制線，電源線與地線用于提供內(nèi)部的電機(jī)及控制線路所需的能源，控制信號要求是一個周期性的正向脈沖信號，這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間，而低電平時間應(yīng)在5ms到20ms之間。的控制信號時序是：低電平時間固定為20ms，高電平為1.3ms-1.7ms之間，該伺服電機(jī)的控制信號要求用具體的信號波形描述如下。
上面給出了伺服電機(jī)在停止，全速正轉(zhuǎn)和全速反轉(zhuǎn)三種旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的控制信號波形，在1.3ms-1.5ms-1.7ms時間范圍內(nèi)改脈沖寬度，還可以獲得控制伺服電機(jī)不同旋轉(zhuǎn)方向和轉(zhuǎn)速的各種波形，根據(jù)上述時序要求，確定電機(jī)的基本控制函數(shù)的編程流程圖。
有了基本控制函數(shù)流程圖，再結(jié)合玩具小車的實(shí)際運(yùn)動規(guī)律，不難編制出控制智能玩具小車實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)彎、右轉(zhuǎn)彎以及加減速的控制子函數(shù)。
4.3智能玩具小車系統(tǒng)運(yùn)行和調(diào)試
（1）運(yùn)行程序：根據(jù)硬件電路設(shè)計要求在智能玩具小車控制器的外接連接伺服電機(jī)，編譯程序，將產(chǎn)生的可執(zhí)行文件燒寫到控制器上的單片機(jī)程序存儲器，然后開機(jī)運(yùn)行，具體操作步驟如下：
步驟1：啟動Keil uVision2IDE，完成對控制程序的編輯、編譯和調(diào)試，產(chǎn)生可執(zhí)行的HEX文件。
步驟2：將ISP下載線一端連接到PC機(jī)的并行接口上，另一端（小端）連接到智能玩具小車控制器的程序下載端口上，打開ISP下載軟件將步驟1獲得的HEX文件下載到智能玩具小車控制器的單片機(jī)內(nèi)部程序存儲器，開啟控制器電源，運(yùn)行程序。
觀察伺服電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)情況，同時用示波器測量單片機(jī)輸出控制信號的引腳，可測出使伺服電機(jī)不同控制程序所對應(yīng)的信號波形。
（2）對伺服電機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定：在上述系統(tǒng)運(yùn)行的過程中，可能發(fā)現(xiàn)伺服電機(jī)的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)情況并非完全與控制程序相符，這是因?yàn)檫€未對直流伺服電機(jī)進(jìn)行零點(diǎn)標(biāo)定。
所謂伺服電機(jī)零點(diǎn)標(biāo)定是指當(dāng)發(fā)送一個使伺服電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制信號給伺服電機(jī)時，讓電機(jī)保持靜止不動的過程，伺服電機(jī)在出廠時沒有預(yù)先標(biāo)定，因此需要調(diào)整。具體做法是：將使電機(jī)轉(zhuǎn)速為零的控制程序加載到單片機(jī)程序存儲器，開機(jī)運(yùn)行，若電機(jī)有旋轉(zhuǎn)，說明未標(biāo)定，用螺絲刀調(diào)整伺服電機(jī)上的電位器，同時觀察電機(jī)的旋轉(zhuǎn)情況，直到電機(jī)停止轉(zhuǎn)動，表明已經(jīng)標(biāo)定。
電機(jī)標(biāo)定后，用各種伺服電機(jī)控制信號測試電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，觀察電機(jī)的運(yùn)行情況，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的不同旋轉(zhuǎn)方向和速度的控制。
總結(jié)
在實(shí)際調(diào)試中，在軟件的控制下，直流伺服電機(jī)基本能夠驅(qū)動玩具小車完成動作要求，但有兩個問題需要作進(jìn)一步討論。
首先，在硬件連接中，因?yàn)樗欧姍C(jī)安裝在車架上的朝向剛好相反，其中一個電機(jī)如果原來是正轉(zhuǎn)，那么掉轉(zhuǎn)朝向之后就變成了反轉(zhuǎn)，所以要使兩個電機(jī)帶動兩個輪子朝一致的方向轉(zhuǎn)動，所以在軟件控制的配合上就必須讓兩個伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)橐徽环础?br/>
其次，因?yàn)槭艿絾纹瑱C(jī)的編程限制，兩個電機(jī)的控制脈沖并沒有在時間上保持絕對的同步，這樣看起來似乎一個電機(jī)要先動作，而另一個電機(jī)稍微有點(diǎn)滯后，并且由此引起的低電平持續(xù)時間也不再是時序圖規(guī)定的20ms，不過這點(diǎn)小誤差在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中的影響可以被忽略。
綜上所述，具有高科技含量的智能化玩具是我國玩具產(chǎn)業(yè)的重要發(fā)展項(xiàng)目。單片機(jī)作為智能化核心控制器，對玩具產(chǎn)業(yè)的技術(shù)改造以及提高玩具智能化水平有很大推動作用。
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