基于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。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

2 MCU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。

3 MCU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。