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电动玩具

玩具车方案设计开发


智能玩具对儿童智力开发有很好的作用,因此受到了广大家长的喜爱。中国作为世界上玩具第一生产大国,电子智能玩具具有很好的市场前景。单片机作为智能玩具电动车的控制核心,可以提高玩具的智能化水平。

一、玩具小车方案开发技术介绍

单片微型计算机(Sin~e Clip M icrocom puter)简称单片机。将中央处理器、只读存储器、定时/计数器、输人输出接口电路等拥有不同功能的部件集成在一个芯片上,便可构成一个完整的微型计算机。现如今,更新型、更高能的单片机相继出现,并可以实现不同操作要求。单片机具有运算速度快、存储容量大、运算能力强等优势,类型有通用型和专用型,被广泛应用于工业、农业、国防军事、科研、教育以及日常生活的各个领域,成为其智能化工具,推动了各行业技术改造,有利于产品不断创新。

智能玩具电动车控制系统属于一个综合系统,包含了计算机控制技术、传感技术、机械工程和人工智能等多方面的技术。控制方式有单片机控制方式、光学传感器控制方式、语音控制方式等。其功能包括对外界环境感知、动态决策和规划、行为控制和执行等。

二、智能玩具电动车的工作原理

智能玩具电动车以单片机为核心控制芯片,单片机、循迹、电机驱动、电源以及传感器避障等部件作为硬件电路。智能玩具电动车设计多采用后驱动方式,两个后轮分别各由一个电机控制,前轮是一个万向轮,用来保持平衡。当调整驱动轮转速、转动方向时,就能够控制玩具电动车的转向。玩具电动车底盘两侧分别安装两个红外传感器,当电动车其中一侧的传感器检测到黑线时,此侧电机受到单片机控制芯片控制停止供电,并且电动车向此侧修正。玩具电动车通过前端三个红外传感器探测前方是否有障碍物,单片机将检测到的信息进行分析和判断,从而自动规避障碍物。将二极管和语音播报功能加入到智能玩具电动车设计中,就可以将电动车的行驶状态等信息以语音、发光的形式表现出来,实现玩具电动车的智能化控制。

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三、智能玩具电动车的系统设计

3.1电动玩具车硬件系统设计

(1)单片机部分设计。智能玩具电动车采用单片机作为主要控制器。单片机由于具有处理效率高、抗干扰能力强、使用温度范围广、体积小、功率低、控制功能强、外部总线丰富等优点,被广泛应用于智能电子产品当中。现在市场上单片机种类丰富、功能各异,因此,要根据产品的实际系统情况,选择适合的单片机型号。智能玩具电动车多采用STC89C 51单片机,这款单片机适合多控制的复杂电子产品使用。

(2)循迹部分设计。循迹部分包含4个红外传感器,主要安装在智能玩具电动车的底盘。当红外传感器感应到前方物体时,输出的电压根据不同的物体发出相应的改变,并经过LM 32比较采集高低电平,进行信号检测,单片机获得相关的路面信息,改变控制命令,使电动车作出合适动作,实现循迹功能。

(3)传感器避障部分。传感器避障有两种技术:一种是超声波避障,在一定范围内,超声波会进行多次反射,传感器之间容易相互干扰,导致对障碍物方向判断失误;另一种是红外线避障,与超声波避障相比,传感器之间不会相互干扰,遇到近距离的障碍物反应速度灵敏,不会发生误判情况。因此,红外线避障和超声波避障相比,智能玩具电动车传感器避障设计多选择后者。传感器避障设置在智能玩具电动车前后两端,共6个红外传感器,工作原理与循迹相同,采用反射式接收。

(4)电机部分。在电动车两个后轮旁分别安置一个直流电机,并使用同一个控制端。控制端有4个通道逻辑驱动电路,通过单片机的I/0输入改变控制端的电平,可以控制电动车向前、后、左、右四个方向行驶,避开障碍物。

(5)电源部分。电源是整个智能电子玩具电动车设计的重要部分。电源为电动车正常使用提供电能,一般采用电池串联供电的方式,有利于保持电压的稳定性。智能玩具电动车系统各个部分所需要的电压各不相同,单片机、寻迹、传感器避障部分所需要电压为5V,电机部分所需电压为12V,语音播报部分所需电压为3.3V。

(6)语音播报部分。语音播报部分的功能是将智能玩具电动车正在发生的状态通过语音提示的形式展现出来。采用一种永久记忆型语音录放电路,主要由定时器、内部时钟、前置放大器、解码器和收发器等组成,录音时长60秒,可重复录放数十万次。将语音录制完成储存于芯片中,当电动车发生不同的动作时,就可以播报出相应的语音信息。

3.2智能玩具小车软件系统设计

软件系统主要是通过程序编写对检测信息进行分析和处理,并作出相应的指令,控制和改变玩具电动车的行为。各个模块上,控制流程分别为电机流程、避障流程、循迹流程。

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四、直流伺服电机在智能玩具小车中的编程应用

随着计算机技术高速发展,基于单片计算机技术的数字化智能控制系统得到了广泛的用,而直流伺服电机在智能控制装置的动力驱动系统中一直充当着重要的角色,根据一款智能玩具小车控制器的动力驱动部分的硬件和软件设计,介绍一种连续旋转伺服电机在智能玩具中的编程应用方法。

4.1智能玩具车硬件设计

智能玩具控制器的系统总体设计方案采用“MCU+感知系统+执行机构”的框架,因本文主要介绍其执行机构中的动力驱动设计,故不涉及到感知系统中的外部数据信息采集系统设计。

4.2智能玩具车软件设计

直流伺服电机的控制程序采用C语言编程实现,控制程序的基本原理是根据具体电机的控制时序,对单片机编程,使之输出符合电机运转规律的控制波形,本系统所使用的直流伺服电机采用的是PARALLAX公司生产的连续旋转伺服电机,它有三条控制线,分别为:电源、地线及控制线,电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源,控制信号要求是一个周期性的正向脉冲信号,这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms—2ms之间,而低电平时间应在5ms到20ms之间。的控制信号时序是:低电平时间固定为20ms,高电平为1.3ms-1.7ms之间,该伺服电机的控制信号要求用具体的信号波形描述如下。

上面给出了伺服电机在停止,全速正转和全速反转三种旋转状态的控制信号波形,在1.3ms-1.5ms-1.7ms时间范围内改脉冲宽度,还可以获得控制伺服电机不同旋转方向和转速的各种波形,根据上述时序要求,确定电机的基本控制函数的编程流程图。

有了基本控制函数流程图,再结合玩具小车的实际运动规律,不难编制出控制智能玩具小车实现前进、后退、左转弯、右转弯以及加减速的控制子函数。

4.3智能玩具小车系统运行和调试

(1)运行程序:根据硬件电路设计要求在智能玩具小车控制器的外接连接伺服电机,编译程序,将产生的可执行文件烧写到控制器上的单片机程序存储器,然后开机运行,具体操作步骤如下:

步骤1:启动Keil uVision2IDE,完成对控制程序的编辑、编译和调试,产生可执行的HEX文件。

步骤2:将ISP下载线一端连接到PC机的并行接口上,另一端(小端)连接到智能玩具小车控制器的程序下载端口上,打开ISP下载软件将步骤1获得的HEX文件下载到智能玩具小车控制器的单片机内部程序存储器,开启控制器电源,运行程序。

观察伺服电机的运转情况,同时用示波器测量单片机输出控制信号的引脚,可测出使伺服电机不同控制程序所对应的信号波形。

(2)对伺服电机进行零点标定:在上述系统运行的过程中,可能发现伺服电机的实际运转情况并非完全与控制程序相符,这是因为还未对直流伺服电机进行零点标定。

所谓伺服电机零点标定是指当发送一个使伺服电机转速为零的控制信号给伺服电机时,让电机保持静止不动的过程,伺服电机在出厂时没有预先标定,因此需要调整。具体做法是:将使电机转速为零的控制程序加载到单片机程序存储器,开机运行,若电机有旋转,说明未标定,用螺丝刀调整伺服电机上的电位器,同时观察电机的旋转情况,直到电机停止转动,表明已经标定。

电机标定后,用各种伺服电机控制信号测试电机的旋转方向和速度,观察电机的运行情况,实现对电机的不同旋转方向和速度的控制。

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总结

在实际调试中,在软件的控制下,直流伺服电机基本能够驱动玩具小车完成动作要求,但有两个问题需要作进一步讨论。

首先,在硬件连接中,因为伺服电机安装在车架上的朝向刚好相反,其中一个电机如果原来是正转,那么掉转朝向之后就变成了反转,所以要使两个电机带动两个轮子朝一致的方向转动,所以在软件控制的配合上就必须让两个伺服电机的旋转方向为一正一反。

其次,因为受到单片机的编程限制,两个电机的控制脉冲并没有在时间上保持绝对的同步,这样看起来似乎一个电机要先动作,而另一个电机稍微有点滞后,并且由此引起的低电平持续时间也不再是时序图规定的20ms,不过这点小误差在系统实际运行中的影响可以被忽略。

综上所述,具有高科技含量的智能化玩具是我国玩具产业的重要发展项目。单片机作为智能化核心控制器,对玩具产业的技术改造以及提高玩具智能化水平有很大推动作用。

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