基于Arduino的紅外避障玩具設計

王麗　梁永輝　黃曉圳

摘 要

本文設計了一款基于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。在本設計中“別摸我”小黃人擁有4個紅外傳感器、5個舵機，能在4個軸向上進行6種動作。采用紅外避障設計思想制作的小黃人動作起來十分的憨態可掬，趣味性、互動性極強，同時本設計可方便的移植到其他火爆的動漫形象上，可移植性好，具有廣泛的應用前景。

【關鍵詞】Arduino 紅外避障 紅外傳感器 舵機

1 系統構成及功能介紹

本文設計了一款Arduino硬件平臺的紅外避障玩具。該系統主要由三部分組成，即紅外傳感器信號采集部分、舵機驅動控制部分以及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單片機為核心的開發板和其他各種I/O板，適用于愛好者、藝術家、設計師和對“互動”有興趣的朋友們。本設計中使用的具體型號是Arduino UNO R3。

目前，UNO已經發布到第三版，與前兩版相比有以下新的特點：在AREF處增加了兩個管腳SDA和SCL，支持I2C接口；增加IOREF和一個預留管腳，將來擴展板將能兼容5V和3.3V核心板。改進了復位電路設計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

本設計采用博光E18-D80NK紅外光電接近開關，它是一種集發射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據要求進行調節。

光電開關E18的技術參數如下：

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

（2）消耗電流DC<25mA。

（3）響應時間<2ms。

（4）指向角：≤15°，有效距離3～80CM可調。

（5）檢測物體：不透明體。

（6）工作環境溫度：-25℃～+55℃。

（7）標準檢測物體：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，當檢測到目標時輸出低電平，未檢測到目標時（正常狀態）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板的數字信號輸入腳。編程時通過判斷這個數字端口的值是否為0，就可判斷傳感器前方是否有手靠近了。

1.3 舵機

本設計采用輝盛大扭力金屬齒輪舵機MG996R。該舵機的技術參數如下：

（1）產品拉力：12kg/cm（6V）。

（2）反應速度：0.17sec/60度（4.8v無負載）0.14sec/60度（6v無負載）。

（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：5us。

該舵機有三根線，分別是信號線（黃色），電源正極（紅色）和電源負極（褐色）。

舵機主要包括直流電機、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，具有一個閉環反饋控制回路不斷校正輸出的偏差，使系統的輸出保持恒定。對于舵機而言，位置檢測器是其的輸入傳感器，舵機轉動的位置一變，位置檢測器的電阻值就隨著發生變化，通過控制電路讀取該電阻值的大小，就能適當調整電機的速度和方向，使電機向指定角度旋轉。

2 系統硬件實現過程

考慮到舵機扭力、系統重量等因素，決定使用木頭制作紅外避障玩具的骨架。圖1為調試過程的產品，使用壓縮木加塑料支架組成，配有2舵機，可以通過1個Arduino板控制舵機在兩個方向上進行運動。

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光二極管亮的小實驗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的實驗中，用紅外傳感器的輸出信號來控制舵機的動作。

經過上述兩個小實驗已經掌握了舵機和紅外傳感器的使用方法，此時可以規劃最終的系統功能并設想的硬件結構。經過設計，小黃人擁有4個紅外傳感器、5個舵機，能在4個軸向上進行6種動作。當前面（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；當左側（小黃人的左耳）傳感器檢測到接近信號時會向右躲避；當右側（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；當左右兩側傳感器同時有信號時小黃人會向前躲避；當上方（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。采用此設計思想制作的小黃人動作起來十分的憨態可掬、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 系統軟件設計

本系統需要對舵機、紅外傳感器進行編程，最終達到所要的控制效果。

3.1 首先是舵機的控制編程

控制信號是一種脈寬調制（PWM）信號，凡是微控制器都能輕松的產生這種信號。在此本設計中直接使用Arduino開發環境下的微控制器。脈沖的高電平持續1～2ms，也就是1000～2000?s。在1000?s時，舵機左滿舵；在2000?s時，右滿舵，可以通過調整脈寬來實現更大或者更小范圍內的運動?？刂泼}沖的低電平持續20ms。每經過20ms（50次/s），就要再次跳變為高電平，否則舵機就可能罷工，難以保持穩定。

3.2 對紅外傳感器進行編程

經過測試發現紅外傳感器當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聯合調試

用紅外傳感器控制舵機轉動，程序功能為若有人接近舵機轉動90°，否則舵機保持原位。

4 結論

綜上所述，本文介紹了一種新穎的互相玩具的設計制作方法，詳細描述了紅外避障玩具——“別摸我”小黃人的設計思路、制作過程及原理?！皠e摸我小黃人”擁有4個紅外傳感器，5個舵機，能在4個軸向上進行6種動作。當前面的傳感器檢測到有人或物接近時小黃人會向后躲避，當左側傳感器檢測到接近信號時會向右躲避，當右側傳感器檢測到接近信號時會向左躲避，當左右傳感器同時有信號時小黃人會向前躲避，當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用前景。

參考文獻

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[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.C程序設計（第4版）[M].北京：清華大學出版社，2010：1-218.

作者簡介

王麗（1986-），女，山東省臨沂市人。研究生學歷?，F為深圳第二高級技工學校中級講師，從事單片機控制教學工作。

作者單位

深圳第二高級技工學校 廣東省深圳市 518049