基于AVR的智能玩具車精確驅(qū)控系統(tǒng)研究

1、 0引言玩具集光、機、電于一體,智能玩具已成為當今世界玩具發(fā)展的主流。外國玩具設計師往往把科學家在智能機器人研究方面的發(fā)明或高新技術(shù)中的一種技術(shù)應用到智能玩具中,以增強玩具的趣味性、可玩性和附加值。如日本玩具設計師利用語音嵌入式系統(tǒng)技術(shù)研制開發(fā)了能識別主人聲音的智能玩具。AVR 系列單片機是ATMEL 公司研發(fā)出的增強型內(nèi)置Flash的RISC(ReducedInstructionSetCPU精簡指令集高速8位單片機1。在智能玩具中運用AVR 單片機,具有開發(fā)周期短、性價比高、可靠性好、功能強大等優(yōu)點,因而應用前景廣闊。1AT90S8535單片機整體結(jié)構(gòu)AT90S8535是基于新的精簡指令RI

2、SC 結(jié)構(gòu),綜合了半導體集成技術(shù)和軟件性能的新型AVR 單片機。由于采用了大型、快速存取寄存器文件和快速單周期指令,AVR 單片機在目標代碼大小、性能及功耗方面更加優(yōu)化。AT90S8535單片機中,32個8位通用寄存器可以在單一時鐘周期內(nèi)執(zhí)行一個A L U 操作,被稱作快速訪問寄存器堆。這也是AT90S8535單片機之所以運行速度快的本質(zhì)原因,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。收稿日期:2007-02-19作者簡介:廖春藍(1979-,女,四川宜賓人,碩士研究生,研究方向為智能玩具、機電一體化控制。Journal of Ningbo Polytechnic寧波職業(yè)技術(shù)學院學報2007年4月第11卷第2期Apr

3、, 2007V ol. 11 No.2基于AVR 的智能玩具車精確驅(qū)控系統(tǒng)研究摘要:以采用AT90S8535型AVR 單片機設計制作的智能玩具車為例,介紹了AVR 單片機的特點和工作機理。闡述了基于AVR 單片機的精確驅(qū)動控制系統(tǒng)的設計與開發(fā)方法,對智能玩具的開發(fā)設計具有一定的參考和推廣價值。關(guān)鍵詞:AVR 單片機;精確驅(qū)動控制系統(tǒng);智能玩具中圖分類號:TP368.1文獻標識碼:A 文章編號:1671 - 2153(200702 - 0049 - 03(廣州番禺職業(yè)技術(shù)學院機械與電子系,廣州511483廖春藍圖1AT90S8535單片機AVR 增強型RISC 結(jié)構(gòu)8位數(shù)據(jù)總線程序存儲器指令寄存

4、器指令譯碼器控制線程序計數(shù)器狀態(tài)與測試S R A M 通用寄存器E P R O MA L U控制寄存器中斷單元SPI 串行U A R T 定時計數(shù)器模擬比較器32根I/O 線. 49 .2007年第2期 2精確驅(qū)控系統(tǒng)設計2.1系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)電路主要由AT90S8535單片機、左右輪檢測電路和左右輪驅(qū)動電路組成。其中AT90S8535單片機是核心元器件,該單片機包含兩個8位定時器(T0和T2和一個16位定時器(T1。其中兩個8位定時器分別作為左右車輪轉(zhuǎn)速測量計數(shù)器,通過PB0和PC6兩個引腳接收檢測電路傳輸過來的轉(zhuǎn)速信號,并經(jīng)過比較之后根據(jù)邏輯運算輸出控制結(jié)果至16位定時器(T1。16位定時

5、器(T1工作在PWM 模式下,通過PD4和PD5兩個引腳直接輸出控制信號實時控制左右車輪的轉(zhuǎn)速,使其左右輪按照預定的速度運動2,系統(tǒng)電路如圖2所示。2.2電機運動控制系統(tǒng)電機運動控制系統(tǒng)由兩組推挽三極管(VT 1VT 4構(gòu)成直流電機正反轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng),由兩個與門控制電機正反轉(zhuǎn)速度,如圖3所示。圖3中,1和2腳分別接PC0和PC1控制電機的正反轉(zhuǎn),3腳接PD5(OC1A,作為速度控制。當OC1A 值為0時,VT 2和VT 4截止,電機停止轉(zhuǎn)動;當OC1A 值為1時,電機可以轉(zhuǎn)動,但轉(zhuǎn)動方向由PC0和PC1控制,如表1所示。圖3中VD 1VD 4用于保護三極管,以免被電機停轉(zhuǎn)時的感應電動勢擊穿。T 1

6、定時/計數(shù)器工作在PWM 模式下,與輸出比較寄存器OCR1X(X 為A 或B,下同形成無尖峰、自運行的PWM。T 1作為向上/向下往復計數(shù)器,由0計數(shù)到頂,然后反向減到0,當計數(shù)器中的值與OC1X 的值相等時,OC1X 相應被置1或置0,其輸出值分別控制左右輪的轉(zhuǎn)速3,如圖4所示。當寄存器OCR1X 中的值改變時,PWM 輸出的OC1X 脈寬相應改變,從而調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。2.3速度檢測機構(gòu)速度檢測機構(gòu)主要由紅外發(fā)光二極管、光敏三表1引腳控制電機轉(zhuǎn)向示意P C 00011P C 10101電機轉(zhuǎn)向停轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)停轉(zhuǎn)說明VT 2和V T 4截止,電機停轉(zhuǎn)VT 3和V T 2導通,電機反轉(zhuǎn)VT 1和V

7、T 4導通,電機正轉(zhuǎn)VT 1和V T 3截止,電機停轉(zhuǎn)比較值改變同步O C R 1X 鎖定計數(shù)器值比較值P W M 輸出O C 1X圖4PWM 工作模式寧波職業(yè)技術(shù)學院學報圖2AVR 單片機系統(tǒng)電路123R 1IC1A &CD4081R 2V T 19012VccMV T 29013V D 1IN4148V D 2IN4148V D 4IN4148V D 3IN4148V T 49012V T 39013R 4R 3IC1B &CD4081Vss2007年第2期. 50 .極管和光柵輪組成,其中光柵輪由玩具車的車輪驅(qū)動,它直接反映車輪的實際轉(zhuǎn)速,原理如圖5所示。圖5中,隨著光柵

8、輪的轉(zhuǎn)動,光敏三極管間斷的導通與截止,產(chǎn)生的方波信號由C 腳輸出。運用AVR 單片機中的兩個8位定時器/計數(shù)器T0和T2接收方波信號,通過檢測一定時間間隔內(nèi)的方波個數(shù)就可以檢測左右輪的實際轉(zhuǎn)速。3程序控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制流程如圖6所示。由圖6可以看出,程序控制系統(tǒng)比較給定的速度和當前檢測到的玩具車輪的實際速度,如兩者不相等則調(diào)整PWM 的輸出脈寬,從而進行相應的線性加速或線性減速。這樣既可以保證左右輪轉(zhuǎn)速與給定速度相等,又可以避免突然加速和突然減速給智能玩具車帶來的沖擊。圖6中,系統(tǒng)初始化模塊主要完成對AT90S8535單片機內(nèi)部3個定時/計數(shù)器的初始值的設定,然后接收檢測裝置傳來的實際速度4。根

9、據(jù)100ms內(nèi)光敏三極管傳來的脈沖個數(shù)和轉(zhuǎn)換公式計算左右輪的轉(zhuǎn)速,比較實際速度與給定速度的關(guān)系,調(diào)整OCR1X(即OCR1A 和OCR1B寄存器中的值,改變PWM 輸出脈寬進行加速或減速處理,從而實現(xiàn)速度的精確控制。4結(jié)束語相比一般的玩具車,采用AVR 單片機設計實現(xiàn)的智能玩具車具有精確速度控制的功能,使操作者能夠更準確地控制玩具車的運動,有效地增加了玩具的附加值。同時,AVR 單片機的可編程性也為智能玩具的二次開發(fā)提供了有效平臺。其AVR 單片機系統(tǒng)的設計方法可以推廣到其他智能玩具中,對玩具專業(yè)教學和產(chǎn)品開發(fā)具有一定參考價值和廣闊的應用前景。參考文獻:1耿德根,宋建國,馬潮,等.AVR 高速

10、嵌入式單片機原理與應用(修訂版M.北京:北京航空航天大學出版社,2002.2丁化成,耿德根,李君凱.AVR 單片機應用設計M.北京:北京航空航天大學出版社,2002.3劉瑜,徐杰.AVR 單片機在內(nèi)燃機車轉(zhuǎn)速測量上的應用研究J.山東內(nèi)燃機,2005,(4:18-23.4李丹,劉鳳春.基于AVR 單片機的智能充電器的設計與實現(xiàn)J.電子工程師,2002,(2:21-23.Research of the intelligent toy car'exactitude drive and control system based on A VRLIAO Chun-lan(Department o

11、f Mechanical and Electronic Engineering, Panyu Polytechnic, Guangzhou 511483,ChinaAbstract:The paper takes an example for an intelligent toy car based on AT90S8535 A VR microcontroller,introduces the charac-teristic and working principle of AVR microcontroller,expatiates in detail the design and exploitation method of the exactitude drive and control system based on AVR microcontroller,has definite reference and popularize value for the design and exploita-tion of intelligent toys.Key words: A VR microcontroller; exac