基于Arduino的紅外避障玩具設(shè)計(jì)

王麗　梁永輝　黃曉圳

摘 要

本文設(shè)計(jì)了一款基于Arduino硬件平臺的紅外避障玩具---“別摸我”小黃人，制作靈感來自于電影《神偷奶爸》中可愛的小黃人。在本設(shè)計(jì)中“別摸我”小黃人擁有4個紅外傳感器、5個舵機(jī)，能在4個軸向上進(jìn)行6種動作。采用紅外避障設(shè)計(jì)思想制作的小黃人動作起來十分的憨態(tài)可掬，趣味性、互動性極強(qiáng)，同時本設(shè)計(jì)可方便的移植到其他火爆的動漫形象上，可移植性好，具有廣泛的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】Arduino 紅外避障 紅外傳感器 舵機(jī)

1 系統(tǒng)構(gòu)成及功能介紹

本文設(shè)計(jì)了一款A(yù)rduino硬件平臺的紅外避障玩具。該系統(tǒng)主要由三部分組成，即紅外傳感器信號采集部分、舵機(jī)驅(qū)動控制部分以及Arduino信號處理部分。

1.1 Arduino硬件平臺介紹

Arduino是一款便捷靈活、方便上手的開源電子原型平臺，包括各種型號的Arduino板硬件和Arduino IDE軟件。其硬件包含一個以Atmel AVR單片機(jī)為核心的開發(fā)板和其他各種I/O板，適用于愛好者、藝術(shù)家、設(shè)計(jì)師和對“互動”有興趣的朋友們。本設(shè)計(jì)中使用的具體型號是Arduino UNO R3。

目前，UNO已經(jīng)發(fā)布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點(diǎn)：在AREF處增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一個預(yù)留管腳，將來擴(kuò)展板將能兼容5V和3.3V核心板。改進(jìn)了復(fù)位電路設(shè)計(jì)USB接口芯片由ATmega16U2替代了ATmega8U2處理器。 Flash Memory 32 KB，其中0.5 KB用于bootloader，SRAM 2 KB EEPROM 1 KB，工作時鐘16 MHz。

1.2 紅外傳感器

本設(shè)計(jì)采用博光E18-D80NK紅外光電接近開關(guān)，它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

光電開關(guān)E18的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）輸出電流DC/SCR/繼電器Control output：100mA/5V供電。

（2）消耗電流DC<25mA。

（3）響應(yīng)時間<2ms。

（4）指向角：≤15°，有效距離3～80CM可調(diào)。

（5）檢測物體：不透明體。

（6）工作環(huán)境溫度：-25℃～+55℃。

（7）標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：太陽光10000LX以下 白熾燈3000LX以下。

（8）外殼材料：塑料。

這是NPN型光電開關(guān)，當(dāng)檢測到目標(biāo)時輸出低電平，未檢測到目標(biāo)時（正常狀態(tài)）輸出高電平。該紅外傳感器有三根線，分別是電源線（紅色）、地線（藍(lán)色）、信號線（黑色），使用時可將信號線接上拉電阻后直接連接Arduino板的數(shù)字信號輸入腳。編程時通過判斷這個數(shù)字端口的值是否為0，就可判斷傳感器前方是否有手靠近了。

1.3 舵機(jī)

本設(shè)計(jì)采用輝盛大扭力金屬齒輪舵機(jī)MG996R。該舵機(jī)的技術(shù)參數(shù)如下：

（1）產(chǎn)品拉力：12kg/cm（6V）。

（2）反應(yīng)速度：0.17sec/60度（4.8v無負(fù)載）0.14sec/60度（6v無負(fù)載）。

（3）工作電壓：4.8～72V。

（4）工作溫度：0℃～55℃。

（5）齒輪形式：金屬齒輪。

（6）工作死區(qū)：5us。

該舵機(jī)有三根線，分別是信號線（黃色），電源正極（紅色）和電源負(fù)極（褐色）。

舵機(jī)主要包括直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路幾部分，是一個自動控制裝置，具有一個閉環(huán)反饋控制回路不斷校正輸出的偏差，使系統(tǒng)的輸出保持恒定。對于舵機(jī)而言，位置檢測器是其的輸入傳感器，舵機(jī)轉(zhuǎn)動的位置一變，位置檢測器的電阻值就隨著發(fā)生變化，通過控制電路讀取該電阻值的大小，就能適當(dāng)調(diào)整電機(jī)的速度和方向，使電機(jī)向指定角度旋轉(zhuǎn)。

2 系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)過程

考慮到舵機(jī)扭力、系統(tǒng)重量等因素，決定使用木頭制作紅外避障玩具的骨架。圖1為調(diào)試過程的產(chǎn)品，使用壓縮木加塑料支架組成，配有2舵機(jī)，可以通過1個Arduino板控制舵機(jī)在兩個方向上進(jìn)行運(yùn)動。

接著加入紅外傳感器，通過用一個紅外傳感器來控制一盞發(fā)光二極管亮的小實(shí)驗(yàn)測試紅外傳感器的使用方法，然后將紅外傳感器加入到兩個舵機(jī)的實(shí)驗(yàn)中，用紅外傳感器的輸出信號來控制舵機(jī)的動作。

經(jīng)過上述兩個小實(shí)驗(yàn)已經(jīng)掌握了舵機(jī)和紅外傳感器的使用方法，此時可以規(guī)劃最終的系統(tǒng)功能并設(shè)想的硬件結(jié)構(gòu)。經(jīng)過設(shè)計(jì)，小黃人擁有4個紅外傳感器、5個舵機(jī)，能在4個軸向上進(jìn)行6種動作。當(dāng)前面（小黃人的鼻子上）的傳感器檢測到有人或物接近時小黃人會向后躲避；當(dāng)左側(cè)（小黃人的左耳）傳感器檢測到接近信號時會向右躲避；當(dāng)右側(cè)（小黃人的右耳）傳感器檢測到接近信號時小黃人會向左躲避；當(dāng)左右兩側(cè)傳感器同時有信號時小黃人會向前躲避；當(dāng)上方（小黃人的頭頂）有信號時也就是人們做出撫摸小黃人頭部的動作時，小黃人會左右搖擺同時擺手敬禮。采用此設(shè)計(jì)思想制作的小黃人動作起來十分的憨態(tài)可掬、呆萌可愛。

將挖好孔的飲料瓶套在制作好的骨架上，小黃人的外形就有了雛形了，然后披上小黃人的衣服，紅外避障玩具—“別摸我”小黃人就制作完成了。圖2為小黃人的骨架雛形，圖3為制作好的小黃人的總體外觀。接下來就需要編程來賦予它靈魂了。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)需要對舵機(jī)、紅外傳感器進(jìn)行編程，最終達(dá)到所要的控制效果。

3.1 首先是舵機(jī)的控制編程

控制信號是一種脈寬調(diào)制（PWM）信號，凡是微控制器都能輕松的產(chǎn)生這種信號。在此本設(shè)計(jì)中直接使用Arduino開發(fā)環(huán)境下的微控制器。脈沖的高電平持續(xù)1～2ms，也就是1000～2000?s。在1000?s時，舵機(jī)左滿舵；在2000?s時，右滿舵，可以通過調(diào)整脈寬來實(shí)現(xiàn)更大或者更小范圍內(nèi)的運(yùn)動。控制脈沖的低電平持續(xù)20ms。每經(jīng)過20ms（50次/s），就要再次跳變?yōu)楦唠娖剑駝t舵機(jī)就可能罷工，難以保持穩(wěn)定。

3.2 對紅外傳感器進(jìn)行編程

經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)紅外傳感器當(dāng)檢測到有人或物靠近時輸出為低電平，否則為高電平。接下來通過一個簡單程序了解紅外傳感器的編程使用方法。程序功能為有人接近時LED燈亮，沒人接近時LED燈滅。

3.3 將紅外傳感器與舵機(jī)聯(lián)合調(diào)試

用紅外傳感器控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動，程序功能為若有人接近舵機(jī)轉(zhuǎn)動90°，否則舵機(jī)保持原位。

4 結(jié)論

綜上所述，本文介紹了一種新穎的互相玩具的設(shè)計(jì)制作方法，詳細(xì)描述了紅外避障玩具——“別摸我”小黃人的設(shè)計(jì)思路、制作過程及原理。“別摸我小黃人”擁有4個紅外傳感器，5個舵機(jī)，能在4個軸向上進(jìn)行6種動作。當(dāng)前面的傳感器檢測到有人或物接近時小黃人會向后躲避，當(dāng)左側(cè)傳感器檢測到接近信號時會向右躲避，當(dāng)右側(cè)傳感器檢測到接近信號時會向左躲避，當(dāng)左右傳感器同時有信號時小黃人會向前躲避，當(dāng)上方頭頂有信號時小黃人會左右搖擺同時擺手敬禮。如此呆萌、互動性良好的玩具還可以方便的移植到其他動漫形象上去，滿足不同喜好的人群，可移植性好，具有較高的推廣價值和應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1]程晨.Arduino開發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南：AVR篇[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2012：18-247.

[2]Masimo Banzi著，于欣龍，郭浩赟譯.愛上Arduino[M].北京：人民郵電出版社，2011：4-102.

[3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)（第4版）[M].北京：清華大學(xué)出版社，2010：1-218.

作者簡介

王麗（1986-），女，山東省臨沂市人。研究生學(xué)歷。現(xiàn)為深圳第二高級技工學(xué)校中級講師，從事單片機(jī)控制教學(xué)工作。

作者單位

深圳第二高級技工學(xué)校 廣東省深圳市 518049