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儿童玩具

客户成功故事与项目成功案例

智能电动玩具车控制板设计


一、智能玩具电动车设计所用的技术

1.1单片机技术

单片微型计算机(Single Clip Microcomputer),主要是由中央处理器、只读存储器、随机存储器、定时/计数器和输入输出接口电路等组成的,将这些不同功能的单元部件集成在同一块芯片上,即可构成一个完整的微型计算机系统。

单片机发展迅速,各种高性能单片机不断发展起来。迄今为止,适用于不同领域要求的单片机相继出现。其特点是运算速度快,存储容量大,运算能力强。类型有通用型和专用型。单片机的特点决定了它的应用范围非常广泛,单片机已经成为农业、工业、国防、教育、科研和日常生活等各个领域的智能工具。

1.2智能玩具电动车技术

随着计算机科学、传感器技术、人工智能技术和其它相关学科领域的飞速发展,电动玩具车正向着智能化控制的方向发展。智能电动车控制系统包含了计算机控制技术、传感器技术、机械工程和人工智能等多方面的学科知识,可以说它是一个综合的控制系统,它不仅包含有单片机控制的方式,还有光学传感器控制方式,有的甚至还有语音控制方式等。其总体功能是可以进行对外界环境的感知,还可以进行动态分析以及决策,并进一步展开行为控制和执行等等。

二、智能玩具车总体设计方案

2.1智能玩具车系统整体框图

根据设计思路的要求,采用单片机控制,设计出如图1所示系统整体框图,主要包括主控、检测、避障、电机驱动和显示等模块。

图 1 智能玩具车系统整体框图

2.2玩具车各个模块的设计与分析

(1)主控模块:现在一般具有智能功能的电子产品均是采用单片机作为主要控制器,但是现在单片机产品种类繁多,功能各异。常用的有Intel公司的MCS-51系列单片机、Ateml公司AT89系列单片机等。由于本系统是一个较为复杂的控制系统,需要具有多开关量输入,因此选用Ateml公司的STC89C51单片机,此款单片机适合用于处理多开关量。

(2)检测模块:检测模块可采用的方案也是比较多的,比如使用超声波探测器,它具有测量距离远的特点,但是超声波测距也具有一定的盲区,所以可能导致测量不精准的问题;还比如说采用视频采集装置,这种方法可以做到精确度最高,但是相对成本会大大提高,所以一般在玩具电动车中不使用。

鉴于综合考虑,本文选用光电对管探测,但是这种方案需要注意的问题是光电管的探测距离,玩具车电机的制动距离至少是10cm,因此要保证完好地避障就要选择光电管的探测距离大于10cm,这样才能保证探测的准确度。

(3)避障模块:对于检测模块的方案比较,避障模块采用红外对管进行避障检测,将六个红外对管安装于玩具车的正前方、左前方、右前方、正后方、左后方和右后方,采用反射式接收方式,即只有物体反射回红外光时才有信号输入,并且信号的强度和距离成正比。

其中可以利用四个传感器来检测离小车较近距离的一些障碍物,将检测到的信号送入单片机的P2.0-P2.3口,另外两个传感器可以用来检测较远距离的一些障碍物,并将检测到的信号送入单片机的P2.5口和P2.6口。

(4)电机驱动模块:本系统是利用传感器构成信号检测电路实时检测电动车的运行速度及位置等信息,通过单片机接收信号并发出指令进行智能化控制。电机驱动模块可以采用L298N,这种驱动模块内部集成了H桥式驱动电路,从而可以用来驱动电机。系统利用单片机发出PWM信号给L298N电路来控制小车的速度以及起停等功能。

(5)显示模块:液晶显示器具有功耗低、无辐射、影像稳定、画面效果好等特点,另外液晶显示器与单片机的连接电路比较简单,占用的I/O口较少。因此本文采用液晶显示屏(LCD1602)显示时间和路程等信息,并且可以显示一些汉字,使得界面更加直观。

(6)电源模块:采用干电池组进行电源供给,这样不仅可以减轻玩具电动车的负重,并且可以得到较稳定的电压。本文中可以采用四节干电池通过降压得到5V作为单片机和其他单元电路的供电系统,另外采用六节干电池作为电机以及光电开关的供电系统。这样可以很好的避免电机启动时对单片机及其它单元电路的电压干扰,可以保证系统正常的运作。

三、玩具车系统性能分析

系统噪声可能会引起程序计数器状态出错等问题,从而导致整体程序运行产生错误,因此在本系统中必须考虑如何提高可靠性的问题。本文中提出的防治干扰的方案是有一定的效果的,但是想要程序可靠运行以及碰到紧急情况和需要自动恢复等问题时,则需要考虑从软件设计来完善。为提高可靠性,可在软件程序中采取各种措施,比如数字滤波、设置陷阱、指令冗余等。

结语

本文介绍的系统是利用传感器所构成的信号检测电路来实时地监测玩具电动车的运转速度、运行位置及运行的状况等,通过单片机接收信号,并且处理由检测电路得到的各种数据信息,然后再由单片机发出正确的控制指令,使得电动车实现智能化控制。虽然文中只是针对玩具电动车的智能控制给出了大致的方案设计,但是如果完善整个系统的话,以后甚至可以考虑在汽车中使用,比如驾驶员一时分心偏离轨道,避障系统就会及时发出报警,如果驾驶员没有能够及时反应,汽车就会自动根据系统控制来完成减速等操作。或者在一些无人操作的小车中也可以应用,比如月球的探测车等。因此这个系统的应用范围还是比较广泛的,我们的研究不仅是到此为止,后续还需要做很多工作来完善整个系统以适应市场的需求。

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