基于光學傳感器的智能玩具小車設計

1、基于光學傳感器的智能玩具小車設計1系統(tǒng)總體方案設計系統(tǒng)總體框圖如圖2-1所示?？偟南到y(tǒng)設計由傳感器、單片機、電機驅(qū)動等三個部分電路組成。圖2-1 系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總的原理圖設計如圖2-2所示：在傳感器部分，本設計采用了ETOMS-ET21X111傳感器來檢測目標的信號，讀取目標的移動坐標數(shù)據(jù)。ET21X111傳感器是一款能夠讀取一定范圍內(nèi)指定目標的三維坐標數(shù)據(jù)（X、Y、Z），并通過RS232串行輸出端口來輸出數(shù)據(jù)。在單片機部分，本設計采用了C8051F330D單片機來接收傳感器傳送來的數(shù)據(jù)，控制驅(qū)動電機芯片，使小車的兩路直流電機實現(xiàn)前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)的功能。C8051F330D單片機是一片

2、內(nèi)部資源豐富，運行速度快，應用廣泛，內(nèi)部有三路PWM可供使用。在本設計中，只需利用一個IO端口就可控制四種電機運行方式。在電機驅(qū)動部分，本設計采用了L293D驅(qū)動芯片，L293D是一種直流電機控制器件，一片驅(qū)動芯片L293D可以驅(qū)動兩個電機，可以對電機進行正反轉(zhuǎn)操作，可以方便單片機的操作，可以滿足直流電機速度增減的要求。圖2-2 總的原理圖設計2 系統(tǒng)硬件設計2.1 傳感器部分電路設計傳感器周邊詳細的接口電路如下圖3-1所示，從圖3-1中可知EO4EO7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(shù)據(jù)由RS232端口輸出。注意圖中的4個LED為紅外LED。IC工作電壓

3、是3.3V，系統(tǒng)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。ET21X111 芯片采用28引腳的 PLCC封裝，使用芯片時，須將微型光學鏡頭安插在芯片頂部的矩形凹槽中。這樣才能使芯片正常工作。圖3-1 傳感器部分電路原理圖2.1.1 傳感器芯片介紹ET21X111是一款內(nèi)含 CMOS影像傳感陣列、信號處理電路和8位微控制器的集成傳感芯片；具有集成度高、功耗低和體積小的優(yōu)點；可廣泛應用于各種低分辨率圖像信號采集、移動目標偵查和字圖辨認等應用系統(tǒng)中。et21x111的性能特點高速資料輸出，每秒輸出坐標資料高達75 frame，有了如此高的坐標資料輸出，我們就可以非常靈

4、活精準的對小車進行控制，因為每一個細微的改變都會被感測器捕捉到。 低電壓工作，電壓范圍：2.V-3.5V。它幾乎能和所有的普通的微控器(MCU)共用電源。而且也很容易讓我們選擇電池方案。28PIN采用PLLC or BQFN封裝。11mm11mm大小。和大多數(shù)感測器的封裝形式相同，ET21X111采用的是PLLC封裝，也即BQFN封裝。 采用標準RS232串行資料輸出格式輸出坐標值。坐標的輸出順序依次是XYZ，並且有編碼對應。非常容易掌握，且不會出錯。 使用外部振蕩器，范圍0.5MHz12MHz，通常采用3.58MHz。外部振蕩器的大小你可以根據(jù)自己的實際情況進行選擇，通常頻率越高，輸出資料的

5、速度就會越快。一般選擇的是3.58MHz的晶振。 具有可控制曝光介面EO4EO7。EO4EO7這四個介面是用于曝光控制的，當然我們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(jù)自己的需要選擇合適的即可。 et21x111的引腳功能傳感器ET21X111引腳如圖3-2所示圖3-2 ET21X111的引腳圖VDD： 供電電壓。GND： 接地。AVDD： 類似于供電電壓端。AGND： 類似于接地端。/RESET：系統(tǒng)復位。EO（7：4）：感光時間選擇。選擇方式如表3-1所示:表3-1 感光時間選擇EO7EO4感光時間1111255個感光單元1000143個感光單元000131個感光單元000

6、015個感光單元/STR： A/D轉(zhuǎn)換指示信號。FS： 幀指示信號。VOUTS：影象資料輸出。BS，BG： 工作模式選擇。選擇方式如表3-2所示：表3-2 工作模式和數(shù)據(jù)輸出方式選擇BS，BG元件類型數(shù)據(jù)輸出模式0032*32像素等效亮點輸出模式，有背景消躁功能1032*32像素行掃描成像輸出模式，有背景消躁功能0132*32像素等效亮點輸出模式，沒有背景消躁功能1132*32像素行掃描成像輸出模式，沒有背景消躁功能RS232： 串行輸出數(shù)據(jù)信號。LED-EN：二次感光源控制調(diào)LED控制。 當LED-EN輸出低電平時，可用來控制點亮紅外LED二極管的驅(qū)動電路。XTL-IN： 晶體振蕩器的輸入端

7、。XTL-OUT：晶體振蕩器的輸出端。VRT： 最高電壓范圍電阻的AD轉(zhuǎn)換器連接電容器到地。VRM： 最高電壓范圍電阻的AD轉(zhuǎn)換器連接電容器到地。VRB： 電壓底部的參考電阻的AD轉(zhuǎn)換器等于電壓的VREF（參考電壓傳感器）連接電容器到地。ET21X111的工作方式ET21X111傳感器有兩種工作模式：行掃描成像輸出模式(ROW Data )和等效亮點輸出模式( X Y Coordinate)。 改變芯片引腳的連接可以選擇其工作模式。等效亮點輸出模式： 傳感器按一定的算法對采集到的1幀圖像信號全部進行計算。計算結(jié)果是得到一組可以表征該幀圖像特征的數(shù)據(jù)(稱為等效亮點)。傳感器輸出該點的數(shù)據(jù)，即等效

8、亮點的坐標(X、Y)和亮度(Z)。ET21X111 芯片采用 28引腳的 PLCC封裝。ET21X111芯片由CMOS傳感陣列、模擬信號放大與處理模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、狀態(tài)控制模塊和算法模塊五部分構成，如圖 3-3所示。AD轉(zhuǎn)換電路RR狀態(tài)控制模塊32*32像素陳列模似量處理放大電路XY坐標算法模塊BLOCKCLK圖3-3 ET21X111傳感器的構成CMOS傳感陣列感光后，每個感光單元中的 CMOS晶體管會發(fā)生電荷變化，形成一個模擬電壓。該模擬電壓經(jīng)過放大以后，由A/D轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號。芯片內(nèi)置的微控制器按照外接引腳電平的選擇， 確定芯片的工作模式、參數(shù)設置、輸出方式、系統(tǒng)復位、圖像信

9、號處理、算法處理以及RS232串行協(xié)議處理等。背景消噪功能：對影像目標進行二次感光，其中有一次是添加紅外光時的感光， 將二次感光所得到的圖像信號相減，可以抵消CMOS器件本身的噪聲。 無論對成像或是等效亮點模式都可以通過改變引腳選擇使用。當需要二次感光時，芯片輸出引腳 LED_ EN 輸出低電平， 可使用該信號去控制點亮紅外LED二極管的驅(qū)動電路，傳感器芯片會自動對二次感光的信號進行處理，達到消除背景噪聲的目的。2.2 單片機部分電路設計單片機周邊控制電路詳細設計如圖3-4所示。RS232接收傳感器坐標數(shù)據(jù)輸入。IC工作于3.3V電壓，上電后自動復位。系統(tǒng)時鐘采用12MHz外接晶振。圖3-4

10、單片機部分電路原理圖2.2.1 單片機芯片介紹C8051F單片機是完全集成混合信號系統(tǒng)級芯片（SOC），具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，于MCS51指令集完全兼容，可以使用標準803805X匯編器和編譯器進行軟件開發(fā)。除了具有標準8051的數(shù)字外設部件之外，片內(nèi)還集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其它數(shù)字外設及功能部件。這些外設或功能部件包括模擬多路選擇器、可編程增益放大器、ADC、DAC、電壓比較器、電壓基準、溫度傳感器、SMBUS、12C、UART、SPI、定時器、可編程計數(shù)器、定時器陣列(PCA) 、數(shù)字I/O端口、電源監(jiān)視器、看門狗定時器(WDT)和時鐘振蕩器等。所有

11、器件都有內(nèi)置的FLASH程序存儲器和256字節(jié)的內(nèi)部RAM，有些器件內(nèi)部還有位于外部數(shù)據(jù)存儲器空間的RAM，即XRAM。C8051F單片機的引腳功能：C8051F單片機的引腳圖如圖3-5所示：圖3-5 單片機的引腳圖引腳說明：VDD：電源GND：地/RST(C2CK)：器件復位，內(nèi)部上電或VDD監(jiān)視器的漏極開 路輸出。一個外部電源可以通過該引腳驅(qū)動為低電平（至少10us）來啟動一次系統(tǒng)復位。（C2調(diào)試接口的時鐘信號）。P2.0(C2D)：端口P2.0（C2調(diào)試接口的雙向數(shù)據(jù)信號）。P0.0(VREF)：端口P0.0(外部VREF輸入)數(shù)字I/O或模擬輸入。P0.1(IDA0)：端口P0.1(I

12、DA0輸出)數(shù)字I/O或模擬輸入模擬輸出。P0.2(XTAL1)：端口P0.1(外部時鐘輸入，對于晶體或陶瓷諧振器，該隱教師外部振蕩器電路的反饋輸入)數(shù)字I/O或模擬輸入。P0.3(XTAL2)：端口P0.3(外部時鐘輸出，該引腳是晶體或陶瓷諧振器的激勵驅(qū)動器。對于CMOS時鐘、電容或RC振蕩器配置，該引腳是外部時鐘輸入)。P0.4：端口P0.4數(shù)字I/O或模擬輸入。P0.5：端口P0.5數(shù)字I/O或模擬輸入。P0.6(CNVSTR)：端口P0.6（ADC0外部轉(zhuǎn)換啟動輸入或IDA0更新源駛?cè)耄?。P0.7：端口P0.7數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.0：端口P1.0數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.1：

13、端口P1.1數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.2：端口P1.2數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.3：端口P1.3數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.4：端口P1.4數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.5：端口P1.5數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.6：端口P1.6數(shù)字I/O或模擬輸入。P1.7：端口P1.7數(shù)字I/O或模擬輸入。工作方式： ADC0的最高轉(zhuǎn)換速度為200ksps。ADC0的轉(zhuǎn)換時鐘由系統(tǒng)時鐘分頻得到，分頻數(shù)由ADC0CF寄存器的AD0SC位決定（轉(zhuǎn)換時鐘為系統(tǒng)時鐘/（AD0SC+1），0AD0SC31）。C8051F單片機的主要特點C8051F單片機使用Silabs的專利CIP-51核。CIP-5核采用流水線

14、結(jié)構，機器周期由標準8051F的12個系統(tǒng)時鐘同期降為1個系統(tǒng)時鐘周期，處理能力大大提高。在采用相同振蕩器頻率的情況下，C8051F單片機的峰值執(zhí)行速度的標準8051的12倍。CIP-51擴展了標準的中斷系統(tǒng)，這個擴展的中斷系統(tǒng)可以提供22個中斷源（標準8051F只有7個中斷源）允許大量的模擬和數(shù)字外設中斷微控制器。一個中斷驅(qū)動的系統(tǒng)需要較少的MCU干預，卻有更高的執(zhí)行頻率。在設計一個多任務實時系統(tǒng)時，這些增加的中斷源是非常有用的。C8051F單片機可有多達7個復位源：一個片內(nèi)VDD監(jiān)視器、一個看門狗定時器、一個時鐘丟失檢測器、一個由比較器O提供的電壓檢測器、一個強制軟件復位、CNVSTR引腳

15、及外部復位引腳。外部復位引腳是雙向的，可接受外部復位或?qū)?nèi)部產(chǎn)生的上電復位信號輸出到外部復位引腳。除了VDD監(jiān)視器復位和外部引腳復位以外，每個復位源都可以由用戶用軟件禁止。C8051F單片機內(nèi)部有一個能獨立工作的時鐘發(fā)生器件并具有外部振蕩器驅(qū)動電路。在復位后內(nèi)部時鐘發(fā)生器被默認為系統(tǒng)時鐘。外部振蕩器可以使用晶體、陶瓷諧震器、電容、RC電路或外部時鐘源產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘。如果需要，時鐘源可以在運行期間在內(nèi)部振蕩器和外部振蕩器之間切換。這種時鐘切換功能在低功耗系統(tǒng)中是非常有用的，它允許MCU從一個低頻率（節(jié)電）外部晶體源運行，當需要時再周期性地切換到高速的內(nèi)部振蕩器。C8051F單片機中具有可在系統(tǒng)和在

16、應用編程的FLASH程序存儲器。在應用編程特性允許將FLASH存儲器用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并可以通過用戶軟件對FLASH編程，這就允許現(xiàn)場更新8051固件，為產(chǎn)品的軟件升級提供了極大的方便。FLASH存儲器還具有安全機制，可以保護程序代碼和數(shù)據(jù)，以防止程序或數(shù)據(jù)被讀取或意外改寫。C8051F單片機具有片內(nèi)JTAG和調(diào)試電路,通過4腳的JTAG接口并使用安裝在最終應用系統(tǒng)中的器件就可以進行非侵入式、全速的在系統(tǒng)調(diào)試。Silabs調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器、支持斷點、觀察點、堆棧指示器和單步執(zhí)行。調(diào)試時不需要額外的目標RAM、程序存儲器、定時器或通信通道，并且所有的模擬和數(shù)字外設都正常的

17、工作。當MCU單步執(zhí)行或遇到斷點而停止運行時，所有的外設（ADC除外）都停止運行，以保持同步。對于開發(fā)和調(diào)試嵌入式應用來說。該系統(tǒng)的調(diào)試功能比采用標準MCU仿真器要優(yōu)越得多。標準的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目標電纜，還需要在應用板上有MCU的插座。Silabs的調(diào)試環(huán)境既便于使用又能保證精確模擬外設的性能。2.3 電機驅(qū)動電路設計在本設計中，馬達的選用沒有特別的要求，只需要普通的直流馬達，采用PWM控制即可。馬達驅(qū)動電路設計如圖3-6所示：圖3-6 電機驅(qū)動電路原理圖電機驅(qū)動使能由引腳1、2 EN控制電機1；引腳3、4 EN控制電機2，當EN引腳置為高電平,與之相對應的電機就處于使能狀態(tài)

18、, 從而激活電機控制輸出。與 VCC2 端口隔離的 VCC1 端口可提供邏輯輸入,以減小電源功耗。L293D可以工作在 0 70的范圍內(nèi)。2.3.1 電機驅(qū)動芯片介紹L293D是一種直流電機控制器件, 該器件具有外圍電路簡單、 易于集成、 控制等特點。該器件具有 4個大電流半 H 驅(qū)動結(jié)構, 這種結(jié)構可以在 4.5 V 36 V 電壓的下提供高達 600 mA的電流。該器件主要用于驅(qū)動感性負載,如繼電器、螺線管、直流或者雙極性步進電機等。L293D具有如下特性:l 每個電機可提供高達 600 mA的驅(qū)動電流;l 每個驅(qū)動提供高達 1.2 A的脈沖電流;l 寬電壓范圍 4.5 V36 V;l 隔

19、離的邏輯電平電源;l 熱耗少;l 內(nèi)部 ESD保護;l 抗噪性能好。L293D的引腳排列如圖3-7 所示。圖3-7 L293D引腳圖 引腳 1A、 2A、 3A、 4A為控制信號輸入端, 用于控制電機的工作狀態(tài)。而引腳 1Y、 2Y、 3Y、 4Y 為電機控制輸出端, 用于直接控制電機的動作。該器件的所有輸入與 TTL兼容, 其輸出采用達林頓晶體管接收器和偽達林頓源構成的 “ 圖騰柱”驅(qū)動電路。3 系統(tǒng)軟件設計3.1 軟件設計方法選擇用C語言明顯優(yōu)于其它高級語言，許多大型應用軟件都是用C語言編寫的。C語言的特點：（1）簡潔緊湊、靈活方便。C語言一共只有32個關鍵字，9種控制語句，程序書寫自由，主要用小寫字母表示。它把高級語言的基本結(jié)構和語句與低級語言的實用性結(jié)合起來。C語言可以象匯編語言一樣對立、字節(jié)和地址進行操作，面這三者是計算機最基本的工作單元。鑒于此，本次單片機程序就采用C語言編寫，采用C51編譯器實現(xiàn)。3.2 軟件設計的工作原理由于智能小車在運行的過程中，需要一邊讀取傳感器傳過來的坐標數(shù)據(jù)，一邊控制馬達的PWM輸出