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電動玩具

玩具車方案設計開發


智能玩具對兒童智力開發有很好的作用,因此受到了廣大家長的喜愛。中國作為世界上玩具第一生產大國,電子智能玩具具有很好的市場前景。單片機作為智能玩具電動車的控制核心,可以提高玩具的智能化水平。

一、玩具小車方案開發技術介紹

單片微型計算機(Sin~e Clip M icrocom puter)簡稱單片機。將中央處理器、只讀存儲器、定時/計數器、輸人輸出接口電路等擁有不同功能的部件集成在一個芯片上,便可構成一個完整的微型計算機。現如今,更新型、更高能的單片機相繼出現,并可以實現不同操作要求。單片機具有運算速度快、存儲容量大、運算能力強等優勢,類型有通用型和專用型,被廣泛應用于工業、農業、國防軍事、科研、教育以及日常生活的各個領域,成為其智能化工具,推動了各行業技術改造,有利于產品不斷創新。

智能玩具電動車控制系統屬于一個綜合系統,包含了計算機控制技術、傳感技術、機械工程和人工智能等多方面的技術。控制方式有單片機控制方式、光學傳感器控制方式、語音控制方式等。其功能包括對外界環境感知、動態決策和規劃、行為控制和執行等。

二、智能玩具電動車的工作原理

智能玩具電動車以單片機為核心控制芯片,單片機、循跡、電機驅動、電源以及傳感器避障等部件作為硬件電路。智能玩具電動車設計多采用后驅動方式,兩個后輪分別各由一個電機控制,前輪是一個萬向輪,用來保持平衡。當調整驅動輪轉速、轉動方向時,就能夠控制玩具電動車的轉向。玩具電動車底盤兩側分別安裝兩個紅外傳感器,當電動車其中一側的傳感器檢測到黑線時,此側電機受到單片機控制芯片控制停止供電,并且電動車向此側修正。玩具電動車通過前端三個紅外傳感器探測前方是否有障礙物,單片機將檢測到的信息進行分析和判斷,從而自動規避障礙物。將二極管和語音播報功能加入到智能玩具電動車設計中,就可以將電動車的行駛狀態等信息以語音、發光的形式表現出來,實現玩具電動車的智能化控制。

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三、智能玩具電動車的系統設計

3.1電動玩具車硬件系統設計

(1)單片機部分設計。智能玩具電動車采用單片機作為主要控制器。單片機由于具有處理效率高、抗干擾能力強、使用溫度范圍廣、體積小、功率低、控制功能強、外部總線豐富等優點,被廣泛應用于智能電子產品當中。現在市場上單片機種類豐富、功能各異,因此,要根據產品的實際系統情況,選擇適合的單片機型號。智能玩具電動車多采用STC89C 51單片機,這款單片機適合多控制的復雜電子產品使用。

(2)循跡部分設計。循跡部分包含4個紅外傳感器,主要安裝在智能玩具電動車的底盤。當紅外傳感器感應到前方物體時,輸出的電壓根據不同的物體發出相應的改變,并經過LM 32比較采集高低電平,進行信號檢測,單片機獲得相關的路面信息,改變控制命令,使電動車作出合適動作,實現循跡功能。

(3)傳感器避障部分。傳感器避障有兩種技術:一種是超聲波避障,在一定范圍內,超聲波會進行多次反射,傳感器之間容易相互干擾,導致對障礙物方向判斷失誤;另一種是紅外線避障,與超聲波避障相比,傳感器之間不會相互干擾,遇到近距離的障礙物反應速度靈敏,不會發生誤判情況。因此,紅外線避障和超聲波避障相比,智能玩具電動車傳感器避障設計多選擇后者。傳感器避障設置在智能玩具電動車前后兩端,共6個紅外傳感器,工作原理與循跡相同,采用反射式接收。

(4)電機部分。在電動車兩個后輪旁分別安置一個直流電機,并使用同一個控制端。控制端有4個通道邏輯驅動電路,通過單片機的I/0輸入改變控制端的電平,可以控制電動車向前、后、左、右四個方向行駛,避開障礙物。

(5)電源部分。電源是整個智能電子玩具電動車設計的重要部分。電源為電動車正常使用提供電能,一般采用電池串聯供電的方式,有利于保持電壓的穩定性。智能玩具電動車系統各個部分所需要的電壓各不相同,單片機、尋跡、傳感器避障部分所需要電壓為5V,電機部分所需電壓為12V,語音播報部分所需電壓為3.3V。

(6)語音播報部分。語音播報部分的功能是將智能玩具電動車正在發生的狀態通過語音提示的形式展現出來。采用一種永久記憶型語音錄放電路,主要由定時器、內部時鐘、前置放大器、解碼器和收發器等組成,錄音時長60秒,可重復錄放數十萬次。將語音錄制完成儲存于芯片中,當電動車發生不同的動作時,就可以播報出相應的語音信息。

3.2智能玩具小車軟件系統設計

軟件系統主要是通過程序編寫對檢測信息進行分析和處理,并作出相應的指令,控制和改變玩具電動車的行為。各個模塊上,控制流程分別為電機流程、避障流程、循跡流程。

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四、直流伺服電機在智能玩具小車中的編程應用

隨著計算機技術高速發展,基于單片計算機技術的數字化智能控制系統得到了廣泛的用,而直流伺服電機在智能控制裝置的動力驅動系統中一直充當著重要的角色,根據一款智能玩具小車控制器的動力驅動部分的硬件和軟件設計,介紹一種連續旋轉伺服電機在智能玩具中的編程應用方法。

4.1智能玩具車硬件設計

智能玩具控制器的系統總體設計方案采用“MCU+感知系統+執行機構”的框架,因本文主要介紹其執行機構中的動力驅動設計,故不涉及到感知系統中的外部數據信息采集系統設計。

4.2智能玩具車軟件設計

直流伺服電機的控制程序采用C語言編程實現,控制程序的基本原理是根據具體電機的控制時序,對單片機編程,使之輸出符合電機運轉規律的控制波形,本系統所使用的直流伺服電機采用的是PARALLAX公司生產的連續旋轉伺服電機,它有三條控制線,分別為:電源、地線及控制線,電源線與地線用于提供內部的電機及控制線路所需的能源,控制信號要求是一個周期性的正向脈沖信號,這個周期性脈沖信號的高電平時間通常在1ms—2ms之間,而低電平時間應在5ms到20ms之間。的控制信號時序是:低電平時間固定為20ms,高電平為1.3ms-1.7ms之間,該伺服電機的控制信號要求用具體的信號波形描述如下。

上面給出了伺服電機在停止,全速正轉和全速反轉三種旋轉狀態的控制信號波形,在1.3ms-1.5ms-1.7ms時間范圍內改脈沖寬度,還可以獲得控制伺服電機不同旋轉方向和轉速的各種波形,根據上述時序要求,確定電機的基本控制函數的編程流程圖。

有了基本控制函數流程圖,再結合玩具小車的實際運動規律,不難編制出控制智能玩具小車實現前進、后退、左轉彎、右轉彎以及加減速的控制子函數。

4.3智能玩具小車系統運行和調試

(1)運行程序:根據硬件電路設計要求在智能玩具小車控制器的外接連接伺服電機,編譯程序,將產生的可執行文件燒寫到控制器上的單片機程序存儲器,然后開機運行,具體操作步驟如下:

步驟1:啟動Keil uVision2IDE,完成對控制程序的編輯、編譯和調試,產生可執行的HEX文件。

步驟2:將ISP下載線一端連接到PC機的并行接口上,另一端(小端)連接到智能玩具小車控制器的程序下載端口上,打開ISP下載軟件將步驟1獲得的HEX文件下載到智能玩具小車控制器的單片機內部程序存儲器,開啟控制器電源,運行程序。

觀察伺服電機的運轉情況,同時用示波器測量單片機輸出控制信號的引腳,可測出使伺服電機不同控制程序所對應的信號波形。

(2)對伺服電機進行零點標定:在上述系統運行的過程中,可能發現伺服電機的實際運轉情況并非完全與控制程序相符,這是因為還未對直流伺服電機進行零點標定。

所謂伺服電機零點標定是指當發送一個使伺服電機轉速為零的控制信號給伺服電機時,讓電機保持靜止不動的過程,伺服電機在出廠時沒有預先標定,因此需要調整。具體做法是:將使電機轉速為零的控制程序加載到單片機程序存儲器,開機運行,若電機有旋轉,說明未標定,用螺絲刀調整伺服電機上的電位器,同時觀察電機的旋轉情況,直到電機停止轉動,表明已經標定。

電機標定后,用各種伺服電機控制信號測試電機的旋轉方向和速度,觀察電機的運行情況,實現對電機的不同旋轉方向和速度的控制。

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總結

在實際調試中,在軟件的控制下,直流伺服電機基本能夠驅動玩具小車完成動作要求,但有兩個問題需要作進一步討論。

首先,在硬件連接中,因為伺服電機安裝在車架上的朝向剛好相反,其中一個電機如果原來是正轉,那么掉轉朝向之后就變成了反轉,所以要使兩個電機帶動兩個輪子朝一致的方向轉動,所以在軟件控制的配合上就必須讓兩個伺服電機的旋轉方向為一正一反。

其次,因為受到單片機的編程限制,兩個電機的控制脈沖并沒有在時間上保持絕對的同步,這樣看起來似乎一個電機要先動作,而另一個電機稍微有點滯后,并且由此引起的低電平持續時間也不再是時序圖規定的20ms,不過這點小誤差在系統實際運行中的影響可以被忽略。

綜上所述,具有高科技含量的智能化玩具是我國玩具產業的重要發展項目。單片機作為智能化核心控制器,對玩具產業的技術改造以及提高玩具智能化水平有很大推動作用。

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