會(huì)跑的鬧鐘的設(shè)計(jì)

武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院 羅云貴

1.引言

現(xiàn)在很多鬧鐘在鬧鈴的時(shí)候，用戶(hù)可以很容易伸手將其關(guān)掉后繼續(xù)睡覺(jué)，這樣常會(huì)導(dǎo)致上班時(shí)間緊迫甚至遲到。為了解決這個(gè)問(wèn)題，本文提出來(lái)了讓鬧鐘在房間里“無(wú)障礙的跑動(dòng)”的設(shè)計(jì)。即當(dāng)鬧鐘響起的時(shí)候，鬧鐘小車(chē)會(huì)在地上到處跑動(dòng)，用戶(hù)如要關(guān)閉鬧鐘，就必須起床去抓住它。否則，鬧鐘小車(chē)就會(huì)不停地在房間里無(wú)障礙的亂跑，且不會(huì)卡到死角而停下來(lái)。

2.需求分析

鬧鐘小車(chē)除了具備精準(zhǔn)的萬(wàn)年歷時(shí)鐘和鬧鐘功能外，還要能夠無(wú)障礙的跑動(dòng)。具體設(shè)計(jì)達(dá)到以下要求：(1)能顯示年月日、星期、實(shí)時(shí)時(shí)間和鬧鈴時(shí)間，斷電后不丟失。(2)能修改和設(shè)定鬧鈴時(shí)間，開(kāi)啟和關(guān)閉鬧鈴功能；(3)當(dāng)鬧鈴響起會(huì)播放電子音樂(lè)，并開(kāi)始跑動(dòng)起來(lái)。跑動(dòng)方式為：每跑動(dòng)5秒，停止1秒等待用戶(hù)來(lái)抓住；(4)具有自動(dòng)繞開(kāi)障礙物功能。

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 紅外避障電路

圖3 電壓比較電路

圖4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

3.系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

(1)主控芯片選擇：根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們可以選用功能強(qiáng)一點(diǎn)的，具有獨(dú)立PWM通道的ATmega16單片機(jī)作為主控芯片。

(2)時(shí)鐘選擇：采用DS1302作為時(shí)鐘芯片。它具有實(shí)時(shí)時(shí)鐘功能，在配備了后備電池的前提下，時(shí)間數(shù)據(jù)斷電不丟失。

(3)顯示模塊：因?yàn)橐@示的內(nèi)容比較多，如時(shí)間、日期、鬧鐘等，所以采用液晶LCD1602作為顯示器。

(4)鬧鈴：采用無(wú)源蜂鳴器，可以根據(jù)不同頻率產(chǎn)生不同的音調(diào)。

(5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)：采用L298N作為小車(chē)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片，該芯片可以同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩路直流電機(jī)。同時(shí)，通過(guò)單片機(jī)PWM信號(hào)的輸出來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而完成鬧鐘小車(chē)的前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等動(dòng)作。

(6)繞開(kāi)障礙物：采用38K紅外線傳感器來(lái)檢測(cè)障礙物，因?yàn)檎{(diào)制后的紅外線傳感器抗干擾能力強(qiáng)。

通過(guò)以上分析，整個(gè)電路的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖5 系統(tǒng)時(shí)鐘及LCD顯示電路

圖6 主流程圖

圖7 小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制流程圖

圖8 系統(tǒng)仿真電路圖

4.硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路包括：

(1)鍵盤(pán)電路：主要包括校時(shí)功能鍵，計(jì)數(shù)加鍵，計(jì)數(shù)減鍵，鬧鐘開(kāi)關(guān)鍵。

(2)蜂鳴器電路：采用無(wú)源蜂鳴器，通過(guò)輸送不同頻率的脈沖信號(hào)發(fā)出不同音色的聲音，并編排成音樂(lè)放出。

(3)紅外避障電路：小車(chē)設(shè)四個(gè)方向的的避障模塊，主要由單片機(jī)來(lái)產(chǎn)生38K左右頻率的波形，并驅(qū)動(dòng)紅外二極管發(fā)射紅外光線。如果發(fā)射出去的紅外線遇到障礙物反射回來(lái)，傳感器HS0038接受到后會(huì)產(chǎn)生一個(gè)低電平。電路圖如圖2所示。

(4)電壓比較電路：通過(guò)傳感器返回來(lái)的電平信號(hào)可能達(dá)不到單片機(jī)引腳所判斷的高低電平，因此加一個(gè)額外的電壓比較器來(lái)處理傳感器的信號(hào)，供單片機(jī)去識(shí)別并控制電機(jī)的運(yùn)行。電路圖如圖3所示。

(5)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路：采用L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片去驅(qū)動(dòng)兩個(gè)小型的直流電機(jī)。電路圖如圖4所示。

(6)系統(tǒng)時(shí)鐘及LCD顯示電路：時(shí)鐘電路采用DALLAS公司的一款高性能、低功耗、帶RAM的實(shí)時(shí)時(shí)鐘DS1302作為時(shí)鐘芯片；顯示電路采用LCD1602液晶模塊，它具有兩行顯示區(qū)域，主要用于顯示英文和數(shù)字。電路圖如圖5所示。

5.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)主流程圖：主要包括系統(tǒng)的初始化程序（LCD1602的初始化，DS18B20的初始化），時(shí)鐘的獲取和顯示，按鍵處理程序（時(shí)間的設(shè)置和鬧鐘的開(kāi)關(guān)），鬧鐘處理程序（鬧鐘音樂(lè)播放和小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制程序）等。具體軟件流程圖如圖6所示。

(2)小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制流程圖：小車(chē)運(yùn)動(dòng)控制程序的流程圖如圖7所示。

6.系統(tǒng)仿真及結(jié)果

系統(tǒng)可以先通過(guò)Proteus仿真調(diào)試，檢驗(yàn)軟件設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系是否正確，調(diào)試成功后再下載到鬧鐘小車(chē)上進(jìn)行實(shí)體調(diào)試。系統(tǒng)的Proteus仿真結(jié)果如圖8所示，其中電機(jī)運(yùn)動(dòng)的方向控制用按鍵來(lái)模擬。

最后，鬧鐘小車(chē)在實(shí)體測(cè)試過(guò)程中，運(yùn)行良好，所有功能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。鬧鐘小車(chē)如果要形成產(chǎn)品，還需要在外形設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新和優(yōu)化。

[1]江志紅.AVR單片機(jī)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)實(shí)用案例精選[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2010.

[2]秦志強(qiáng),彭建盛,譚立新.AVR單片機(jī)與小型機(jī)器人制作[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009.