基于单片机的智能玩具小车设计

硬件设备

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基于单片机的智能玩具小车设计

◆石岱威

摘要：随着技术的不断发展，基本的儿童玩具的科技含量也越来越高。单片机凭借自身所具备的的可靠性高，扩展能力强，控制能力强等优点在智能玩具的制造领域得到了广泛的应用，目前单片机技术是制造智能玩具的首选技术。本文以STC 公司的16位单片机为核心，利用其具有的控制传感器模块进行信号的检测，通过程序的调控控制玩具小车的电机的运转，进而使玩具小车具备自动避障，自动追寻轨迹，自动进行语音播报，光电显示等功能。本文在完成设计之后，依照相关的标准对智能玩具小车的各个方面进行了严格的评价和考核。考核的结果显示，本文设计的玩具小车符合实际生产和儿童的需要，具有非常强的实际运用的价值。

关键词：智能玩具；单片机；小车

进入21世纪，人类在电子技术，传感器技术，通信技术，计算机技术，自动控制技术，等方面的研究取得了巨大的成果，这些成果为新兴学科的兴起奠定了坚实的基础。人工智能这一学科虽然很造就被提出，但这一学科真正的实际运用在本世纪才刚刚开始。人工智能运用的主要一个方面就是“人工智能与机械的结合方面”。人工智能的实际运用对人类的生活产生了巨大的影响，这一学科在为人们的日常生活带来便利的同时，也给社会之中的各个行业带来了巨大的冲击。在此本文探讨的重点是玩具行业。随着人工智能的不断崛起，玩具行业发生了巨大的变化。传统玩具在市场上占据的份额越来越少，呈逐步下降的趋势。而具有高科技含量的电子玩具在市场之中占据的份额在逐步的一点一点扩大，不可否认的事实是玩具智能化已经成为了中国乃至世界玩具市场的主流方向。尽管相关的数据显示，我国制造的玩具占世界玩具总产量的很大一部分，但我们不得不承认，在科技含量较高的电子玩具领域我国与世界发达国家仍存在巨大的差距，这种差距主要体现在玩具的科技含量的高低上。从这一现状可以看出，我国的高科技含量玩具的自主设计制造能力还很欠缺。因此开展智能玩具相关技术的研究工作，有助于科研人员对技术进行创新和优化，还对社会经济的发展存在一定的实际促进作用。本文的设计对象是一个智能玩具小车。本文利用STC89C52型单片机做为整辆智能玩具小车的最高控制核心，设计了一系列智能玩具小车可自主完成的任务。例如：可使智能玩具小车沿特定的轨迹前进，在前进的过程之中还能自主的避开设定的路障。该型智能小车在行进的过程之中能够主动的播报自身的行驶状况。为增强该智能小车的娱乐性，在设计时还在小车上增设了“二极管”，该二极管起提醒和警示作用。

1 智能玩具小车的工作原理

在本文的设计之中，智能玩具小车采用的是STC89C52型单片机做为玩具车的控制核心芯片。在玩具车的的硬件设计方面，为保证玩具车具备较多的功能，玩具车的硬件部分主要包括“STC89C52单片机控制模块，循迹模块，传感器避障模块，电机驱动模块，发光二极管模块，语音播报模块，电源模块，电动机模块，制动模块等”在本文的设计之中，智能玩具小车的驱动模式为后轮驱动，为增强智能玩具小车的动力，在本文的电动机模块之中包含两个电动机，每一个驱动轮配属一个电动机。智能玩具小车前面的两个车轮属于万向轮，这两个车轮的目的是起到支撑与平衡的作用。在智能小车行驶的过程之中，只要调整两个驱动轮的转动方向和转动速度就可以实现对整个智能玩具小车运动速度和运动方向的控制。智能玩具小车的转向也是通过调节驱动轮的转向来实现的。在智能玩具小车的底盘的两侧各装两个红外对管，在智能玩具小车的车身下的左边的传感器检测到黑线时，控制系统会控制车的左轮驱动电机停止工作，然后智能玩具小车的方向会向左进行修正。在智能玩具小车的行驶过程之中，当车的右边传感器检测到黑线时，控制系统控制右边的驱动电机停止工作，智能小车的方向向右偏转。在智能玩具车的前部设计有三个红外线传感器，这样设计的设计目的是利用红外线传感器进行障碍物的检测，在传感器检测到障碍物的存在时，传感器可以及时的将障碍物的信息传递到控制系统之中，使控制系统采取积极的避障措施，进而实现智能玩具小车的自动避障功能。在智能玩具小车行驶的过程，与行驶相关的信息，例如：行驶方向，行驶速度等可以通过二极管模块和语音播报模块进行提示。在本文的设计之中，还采用了PWN 脉宽调制技术，利用这一技术可以有效的提升智能玩具小车在运动过程之中的各项性能。本文设计的智能玩具小车的系统设计框图如下图所示

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2 硬件系统的设计与实现

2.1 单片机模块

本文设计的智能玩具小车的硬件的核心就是STC89C52型单片机。它是整个智能玩具小车设计的核心。该型单片机与同类产品相比较具有一定的优势。它是一种运算速度高，能耗低，抗干扰能力强的16位微处理器。该型单片机在实际运用的过程之中可以适应比较宽泛的电压范围（2V —5.5V ），它的真实工作频率可以达到48MHZ ，具备8K 的用户存储空间字节，具有512字节的RAM ，32个I/O 口，两个UART 通信端口，一个看门狗，3个定时器和计数器。在使用该型单片机时，当外部的四路全部中断时，它依然支持在线系统编程和在线应用编程。在本文的设计之中智能小车上所搭载的单片机模块的各个I/O 端口的具体分配情况如下图所示

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2.2 循迹模块

本文设计的智能玩具小车的一个特色功能就是，小车能够根据人们划定的的轨迹进行行驶即小车具备智能循迹功能。智能小车完成这一功能的模块是循迹模块，该模块主要包括4个位于智能

小车低部下方的红外传感器，当该传感器检测到黑色或浅色的物体时输出的对应是5V 和0.2V 。该传感器输出的电压通过LN234电压比较器进行比较从而实现对接受到的信息的检测，单片机模块根据检测的结果，进而控制驱动电机的工作状态，进而实现跟随既定轨迹行驶的设计要求。本文设计之中智能玩具小车的循迹电路图如下图：

2.3 传感器避障模块

在处理避障这一问题时常用的方案有两种。第一种是采用超声波技术进行避障，在本文的设计之中，由于超声波