一種基于單片機(jī)的智能玩具挖掘機(jī)

吳斌 李文謹(jǐn)

【摘 要】本設(shè)計(jì)是以智能玩具挖掘機(jī)模型為控制對(duì)象，通過STC12C5A60S2單片機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)，HC-SR04超聲波傳感器作為檢測模塊，通過舵機(jī)控制挖斗，由單片機(jī)發(fā)出指令，使小車完成自動(dòng)行駛、自動(dòng)檢測物體、自動(dòng)挖掘的功能。

【關(guān)鍵詞】單片機(jī)；挖掘機(jī)；智能

中圖分類號(hào)： TP273.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）01-0004-003

【Abstract】This design is based on intelligent toy excavator model for the control of the object， through the STC12C5A60S2 microcontroller to control the entire system， HC-SR04 ultrasonic sensor as a detection module， through the steering gear control bucket， issued by the microcontroller instruction， the car to complete automatic travel， automatic Detection of objects， automatic mining function.

【Key words】SCM； Excavator； Intelligence

隨著科技的迅猛進(jìn)步，智能化電子產(chǎn)品已融入到生活的各個(gè)方面。在智能玩具領(lǐng)域，電子技術(shù)的發(fā)展使得玩具也越來越智能化，并成為一種新型的電子終端，也是世界玩具業(yè)發(fā)展的一個(gè)方向。由于智能玩具對(duì)兒童成長的重要性，加上智能玩具的技術(shù)是在對(duì)現(xiàn)有終端上技術(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，相對(duì)來說成本較低，因此，集計(jì)算機(jī)控制和電子技術(shù)于一體的智能玩具的研究越來越受到各界的廣泛關(guān)注。

智能玩具中，智能小車類更加受到兒童的青睞。尤其是，隨著傳感技術(shù)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、人工智能等相關(guān)學(xué)科的迅速發(fā)展，智能小車控制系統(tǒng)體現(xiàn)了以上學(xué)科的先進(jìn)成果，成為具有實(shí)時(shí)決策與規(guī)劃功能，環(huán)境的感知功能，行為的控制和執(zhí)行等功能的綜合體，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。

目前，常見的智能玩具小車除了利用遙控裝置能實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等功能外，往往還通過光學(xué)傳感器，語音識(shí)別裝置等進(jìn)行控制。本論文設(shè)計(jì)了一種基于單片機(jī)和超聲波傳感器的玩具挖掘機(jī)，通過軟件編程來控制小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛、自動(dòng)檢測物體、自動(dòng)挖掘等功能。

1 硬件電路設(shè)計(jì)

本論文設(shè)計(jì)的智能挖掘機(jī)由單片機(jī)最小系統(tǒng)板、超聲波傳感器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、直流電機(jī)、舵機(jī)、電源開關(guān)構(gòu)成。小車內(nèi)部有4個(gè)電機(jī)，分別對(duì)應(yīng)了小車的四個(gè)輪子；4個(gè)舵機(jī)，分別對(duì)應(yīng)了機(jī)械臂的底盤、大臂、小臂和夾臂。設(shè)計(jì)通過軟件編程，讓小車獨(dú)立完成自動(dòng)行駛、自動(dòng)檢測物體、自動(dòng)挖掘的過程。硬件部分的原理框圖如圖1。

1.1 單片機(jī)

本設(shè)計(jì)采用的主要控制芯片，在既考慮使用成本又考慮控制性能的基礎(chǔ)上，采用宏晶科技生產(chǎn)的STC12C5A60S2單片機(jī)。這是一種單時(shí)鐘/機(jī)器周期（1T）的新一代8051單片機(jī)，具有超強(qiáng)抗干擾、高速、低功耗等優(yōu)點(diǎn)。不僅能夠完全兼容傳統(tǒng)的8051單片機(jī)的指令代碼，而且速度上也能提高8-12倍。它的內(nèi)部集成有MAX810專用復(fù)位電路，4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換，經(jīng)常應(yīng)用于電機(jī)控制及強(qiáng)干擾場合。

1.2 超聲波模塊

超聲波波長短、頻率高、繞射現(xiàn)象小，對(duì)固體、液體的穿透力很強(qiáng)，特別是具備能夠定向傳播、方向性好等特點(diǎn)。利用超聲波的特性設(shè)計(jì)而成的傳感器就是超聲波傳感器。它可提供一種非接觸檢測方案，檢測范圍既長又寬，被廣泛應(yīng)用于苛刻和復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境中。本設(shè)計(jì)用到的超聲波模塊型號(hào)是HC-SR04，如圖2所示。

其工作原理為：

（1）采用IO觸發(fā)測距，給至少10us的高電平信號(hào)；

（2）可以自動(dòng)地發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測是否有信號(hào)返回；

（3）若有信號(hào)返回，則通過IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。測試距離=（高電平時(shí)間*聲速（340米//秒）/2

如圖3所示為超聲波模塊外部電路圖。其中T是發(fā)射端，E是接收端。

1.3 直流電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)

直流電動(dòng)機(jī)具有速度調(diào)節(jié)特性好，調(diào)速方便、平滑、范圍廣，過載能力較強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)、頻繁快速以及逆向旋轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，適合作為本設(shè)計(jì)中玩具挖掘機(jī)的行駛動(dòng)力。舵機(jī)具有體積小、響應(yīng)速度較快、力矩大、外部機(jī)械設(shè)計(jì)簡單且穩(wěn)定性較高的特點(diǎn)，常作為智能車中轉(zhuǎn)向的控制機(jī)構(gòu)，適合控制本設(shè)計(jì)中挖掘機(jī)的機(jī)械臂工作狀態(tài)。

本設(shè)計(jì)采用直流電動(dòng)機(jī)用舵機(jī)控制挖掘機(jī)。采用的是有刷直流電動(dòng)機(jī)和塑料材質(zhì)的數(shù)字信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)車模舵機(jī)9g。

為控制智能挖掘機(jī)行駛，采用4個(gè)直流電機(jī)分別控制小車的四個(gè)輪子，驅(qū)動(dòng)玩具挖掘機(jī)前進(jìn)、后退和轉(zhuǎn)向，采用4個(gè)舵機(jī)，分別對(duì)應(yīng)了機(jī)械臂的底盤、大臂、小臂和夾臂，控制挖掘角度和方向。

如圖4所示為直流電動(dòng)機(jī)和舵機(jī)的外部電路圖。

1.4 驅(qū)動(dòng)電路

驅(qū)動(dòng)電路是主電路和控制電路之間的接口。在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)傳過來的信號(hào)無法直接用于控制電機(jī)工作，因此，采用由SGS公司生產(chǎn)的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)集成電路L298N，如圖1.3所示。L298N為Multiwatt封裝的15腳外觀，內(nèi)部有4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，能驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。工作電壓是46V，輸出電壓最高能達(dá)到50V，可以直接通過調(diào)節(jié)電源來控制輸出電壓；輸出電流是2.5A，最大能達(dá)到4A，可以驅(qū)動(dòng)電感性負(fù)載；也可以直接通過單片機(jī)的IO口提供信號(hào)；采用光電隔離，抗干擾能力強(qiáng)，而且電路相對(duì)較簡單，使用非常方便。

如圖5所示為L298N驅(qū)動(dòng)電路板實(shí)物圖。

本設(shè)計(jì)中四個(gè)輪子均安裝了直流電機(jī)，因此分別將左前輪和左后輪、右前輪和右后輪并聯(lián)在一起，用1塊驅(qū)動(dòng)電路板來驅(qū)動(dòng)。

驅(qū)動(dòng)外部電路圖如圖6所示。

2 軟件部分設(shè)計(jì)

軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用了模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，由主程序模塊、超聲波檢測模塊﹑機(jī)械臂控制模塊﹑電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序模塊等構(gòu)成。如圖8所示為系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖。

2.1 軟件設(shè)計(jì)思路

首先主程序調(diào)用超聲波測距子程序，超聲波測距程序再調(diào)用微秒延時(shí)子程序，根據(jù)超聲波檢測到的結(jié)果，若檢測距離在25cm之外，則調(diào)用小車前進(jìn)子程序，同時(shí)超聲波程序繼續(xù)執(zhí)行，繼續(xù)調(diào)用微秒延時(shí)子程序；若檢測距離在25cm以內(nèi)，則調(diào)用小車停止子程序，不調(diào)用超聲波測距子程序，調(diào)用機(jī)械臂夾取子程序，同時(shí)該程序調(diào)用毫秒延時(shí)子程序，該子程序執(zhí)行完，調(diào)用小車前進(jìn)子程序和超聲波測距子程序，超聲波測距程序調(diào)用微秒延時(shí)子程序，檢測距離，根據(jù)檢測結(jié)果來調(diào)用相應(yīng)的子程序，如此循環(huán)往復(fù)。

圖8 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)圖

此程序中共有6個(gè)子程序，2個(gè)延時(shí)子程序，分別是微秒延時(shí)和毫秒延時(shí)，作用于超聲波和舵機(jī)之間的動(dòng)作；1個(gè)超聲波測距子程序，作用與超聲波超聲波模塊和前方物體；1個(gè)小車前進(jìn)子程序，小車停止子程序，作用于小車；1個(gè)機(jī)械臂夾取子程序，作用于機(jī)械臂。

2.2 軟件實(shí)現(xiàn)的效果

啟動(dòng)電源，超聲波開始工作，有兩種情況：（1）在25厘米的范圍內(nèi)檢測不到物體，單片機(jī)給小車一個(gè)前進(jìn)指令，小車向前行駛；小車在向前行駛的過程當(dāng)中，超聲波一直在檢測，直到檢測到前方有物體，這時(shí)單片機(jī)給機(jī)械臂一個(gè)夾取指令，機(jī)械臂開始夾取前方物體，夾取完畢后，單片機(jī)繼續(xù)給下車一個(gè)前進(jìn)指令，超聲波繼續(xù)檢測，這樣一直下去。（2）在25厘米的范圍內(nèi)檢測到物體，單片機(jī)給小車一個(gè)停止指令，給機(jī)械臂一個(gè)夾取指令，機(jī)械臂開始夾取前方檢測到的物體，夾取完畢后，單片機(jī)給小車一個(gè)前進(jìn)指令，給超聲波一個(gè)檢測指令，這樣周而復(fù)始。如圖2.2所示為系統(tǒng)程序流程圖。

3 整車調(diào)試

如圖10所示為整車實(shí)物圖。

3.1 調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題

（1）舵機(jī)抖動(dòng)，在調(diào)試機(jī)械臂進(jìn)行一整套夾取動(dòng)作的過程中，舵機(jī)出現(xiàn)嚴(yán)重的抖動(dòng)情況，分解機(jī)械臂夾取動(dòng)作，進(jìn)行單個(gè)動(dòng)作的時(shí)候又沒有舵機(jī)抖動(dòng)的情況出現(xiàn)；

（2）超聲波檢測物體不準(zhǔn)確，存在檢測距離有差別，有誤差存在；

（3）機(jī)械臂無法動(dòng)作或動(dòng)作不連貫；

3.2 問題分析及解決方法

（1）問題分析：對(duì)于舵機(jī)抖動(dòng)情況，由于單個(gè)動(dòng)作分解出來又沒有抖動(dòng)的情況，一開始以為是電源問題，更換多種電源后還是有抖動(dòng)。經(jīng)資料查閱后和測量后發(fā)現(xiàn)，四個(gè)舵機(jī)同時(shí)連貫動(dòng)作會(huì)拉低電壓，瞬間釋放，導(dǎo)致單片機(jī)復(fù)位，一直這樣，從而導(dǎo)致舵機(jī)抖動(dòng)。

解決方法：在某一時(shí)刻，只有一個(gè)舵機(jī)動(dòng)作，也就是只有一路pwm信號(hào)輸出，相對(duì)來說舵機(jī)工作的穩(wěn)定的多了，不會(huì)出現(xiàn)抖動(dòng)的情況，很好的解決了舵機(jī)抖動(dòng)的情況。

（2）問題分析：對(duì)于超聲波檢測物體有誤差存在，這是硬件本身的缺陷所導(dǎo)致的，由于設(shè)計(jì)中采用的超聲波模塊價(jià)格低廉，所以性能不穩(wěn)定，有誤差存在。

解決方法：若出現(xiàn)此種情況，及時(shí)按下復(fù)位鍵，就能很好的避免超聲波檢測失誤。

（3）問題分析：對(duì)于一開始機(jī)械臂無法動(dòng)作或動(dòng)作不連貫，是由于機(jī)械臂活動(dòng)關(guān)節(jié)的螺絲上的太緊了。

解決方法：將機(jī)械臂活動(dòng)關(guān)節(jié)的螺絲調(diào)松一點(diǎn)，就能很好的解決問題。

4 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行駛、自動(dòng)避障、自動(dòng)挖掘的玩具挖掘機(jī)，通過整車調(diào)試，發(fā)現(xiàn)實(shí)物能較好實(shí)現(xiàn)預(yù)期功能，硬件簡單、成本較低，并且具有一定的智能性和趣味性。當(dāng)然，設(shè)計(jì)中還存在一些不足，如還可以增加人車互動(dòng)方面的功能，在控制精度方面進(jìn)一步提高等。

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