具有多種控制模式的多功能兒童玩具設(shè)計-控制系統(tǒng)類

1、<p><b>　　摘要（中英文） </b></p><p>　　概述項目內(nèi)容，簡單介紹所實現(xiàn)的系統(tǒng) (100-150字左右)</p><p>　　本項目設(shè)計了一款以MSP430F149為主控芯片的智能玩具車。小車采用無線和藍牙兩種方式進行控制，擁有三種工作模式，即遙控模式、智能模式和藍牙模式。遙控模式使用自制遙控器控制小車運動；智能模式下，小車檢測到人體靠

2、近后將迅速蘇醒，與人進行追逐游戲，并適時播放語音進行互動；藍牙模式下用戶通過自制的PC機軟件可以隨意設(shè)計小車的運動路線，控制小車按照既定路線運動，并可使用語音錄放功能實現(xiàn)傳話。</p><p>　　This project is designed with MSP430F149 as main control chip intelligent toy car. Car wireless Bluetooth con

3、trol, with remote control model, intelligent mode and Bluetooth mode three kinds of operation pattern. Remote control mode using a homemade remote control car movement; intelligent mode, the car detects human near will q

4、uickly regained, and people were chasing the game, and to play the voice interaction; Bluetooth mode the user by using PC software to design the movement of the trolley li</p><p><b>　　引言</b></

5、p><p>　　簡述系統(tǒng)設(shè)計的背景、目的、和所要解決的問題。</p><p>　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展和單片機的廣泛應(yīng)用，兒童玩具正在經(jīng)歷著一場前所未有的革命。具有智能化，人性化，可塑性等特點的玩具越來越受到人們的青睞。針對市場上的這種趨勢，我們設(shè)計了一款具有多種模式，通過多種控制方式實現(xiàn)自身參數(shù)調(diào)節(jié)的智能化玩具車，控制方式的結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。</p><p>　　圖1.系

6、統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　在遙控模式下，玩具車可以當做普通的遙控車進行遙控操作，還可以調(diào)節(jié)速度和運動時間，通過遙控器也可以實現(xiàn)不同模式的選擇。</p><p>　　在智能模式下，玩具車實現(xiàn)了一種全新的玩法：處在該模式下，當沒人靠近的時候，小車一直處于低功耗的狀態(tài)，當有人靠近的時候，小車立即蘇醒，并通過各個傳感器的信號進行判斷，快速運動，與兒童進行追逐游戲。通過語音錄放功能，家長還可

7、以隨時的更換兒童與小車做追逐游戲時的語音（比如說可以換成詩歌等），讓兒童在玩耍能學到東西，做到寓教于樂。</p><p>　　在藍牙模式下也可以實現(xiàn)一種全新的玩法：用戶可以通過自制的PC機軟件事先設(shè)計小車的運行跑道和運行速度，這對激發(fā)兒童的好奇心和創(chuàng)新設(shè)計意識有很好的培養(yǎng)作用。在此模式下，小車可以當做移動對講機來用。</p><p>　　通過以上多種模式的設(shè)計，一定程度上實現(xiàn)了該玩具的智能

8、化，人性化和可塑性，提高了玩具的耐玩性和娛樂性。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案 </b></p><p>　　詳細說明系統(tǒng)設(shè)計的整體思路，用模塊的形式指出系統(tǒng)設(shè)計的各個關(guān)鍵點，并指出其中使用的關(guān)鍵算法</p><p>　　整體思路：系統(tǒng)設(shè)計為三種工作模式，采用兩種控制方式進行交互控制。整個系統(tǒng)通過采用從上到下，分級分模塊的處理結(jié)構(gòu)，充

9、分保持各個功能模塊之間的獨立性。無線通訊和藍牙通訊等實時性很強的功能均采用在中斷里進行處理。</p><p>　　系統(tǒng)整體框架如圖2所示。</p><p>　　智能模式下小車采用傳感器檢測外部信號，并通過得到的信號為依據(jù)進行運動控制和音樂播放的控制。</p><p>　　遙控模式下采用帶有NRF240無線模塊的自制遙控器進行控制，主控芯片接收到信號，進行相應(yīng)的L

10、CD12864顯示和運動控制。</p><p>　　藍牙模式下才用自制的PC機軟件通過藍牙發(fā)送控制參數(shù)以及跑道路線圖給主控芯片，主控芯片接收到數(shù)據(jù)后，控制LCD12864重現(xiàn)運動路線圖，并控制電機按照給定路線進行運動。</p><p>　　使用遙控器和PC機軟件均可以實現(xiàn)三種模式的選擇。</p><p><b>　　圖2.系統(tǒng)整體框架</b>&

11、lt;/p><p><b>　　關(guān)鍵模塊介紹：</b></p><p>　　NRF24L01模塊：</p><p>　　無線模塊實現(xiàn)了以STC89C52為主控芯片的自制遙控器與</p><p>　　msp430為主控芯片的玩具車之間的通信。</p><p><b>　　發(fā)射流程：</b

12、></p><p>　　把接收機的地址和要發(fā)送的數(shù)據(jù)按時序送入NRF24L01</p><p>　　配置CONFIG寄存器，使之進入發(fā)送模式。</p><p>　　微處理器把CE置高，激發(fā)NRF24L01進行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射。</p><p>　?、苌漕l數(shù)據(jù)打包（加字頭、CRC校驗碼）。</p>

13、<p><b>　　⑤高速發(fā)射數(shù)據(jù)包。</b></p><p><b>　　接收流程：</b></p><p>　　配置本機地址和要接收的數(shù)據(jù)包大小。</p><p>　　配置CONFIG寄存器，使之進入接收模式，把CE置高。</p><p>　　NRF24L01進入檢測狀態(tài)，等待數(shù)據(jù)

14、包的到來。</p><p>　?、墚斀邮盏秸_的數(shù)據(jù)包后，NRF24L01通過STATUS寄存器的RX_DR置位通知微處理器。</p><p>　?、菸⑻幚砥鲝腘RF24L01中將數(shù)據(jù)讀出。所有數(shù)據(jù)均讀取完后，可清除STATUS寄存器。</p><p><b>　　藍牙模塊：</b></p><p>　　通過自制的PC機

15、軟件和小車上的藍牙模塊進行通訊。msp430的藍牙數(shù)據(jù)的接收均在UART0中實現(xiàn)。PC機軟件實現(xiàn)將用戶設(shè)計的運動軌跡和相應(yīng)的參數(shù)設(shè)置發(fā)送給MSP430，并存儲在MSP430空閑的flash空間中，數(shù)據(jù)量平均在幾百~幾千字節(jié)左右，為避免出現(xiàn)接收錯誤的發(fā)生以及給msp430內(nèi)存造成太大負擔，采用了自行設(shè)計的發(fā)送數(shù)據(jù)格式、接收方式、驗證方式以及修正算法。</p><p><b>　　發(fā)送數(shù)據(jù)格式：</b

16、></p><p><b>　　接收方式：</b></p><p>　　從遇到到字符"$"開始接收字節(jié)數(shù)據(jù)</p><p>　　如果處于正在接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到字符","，則默認接收到一 個字節(jié)數(shù)據(jù)，并把這個字節(jié)數(shù)據(jù)存入內(nèi)存的一個字節(jié)單元中</p><p>　　如果處于

17、正在接收數(shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到字符";"則停止接收數(shù)據(jù)， 并將內(nèi)存中的250個字節(jié)數(shù)據(jù)寫入到MSP430的空閑flash中(不包 括字符";")，并等待下一個"$"的到來；</p><p>　?、苋绻幱谡诮邮諗?shù)據(jù)的狀態(tài)，接收到字符"*"則停止接收數(shù)據(jù)，</p><p>　　并將內(nèi)存中的接收到的字節(jié)

18、寫入到MSP430的空閑flash中(不包括 字符"*")，并結(jié)束整個接收過程。</p><p>　　注：PC機軟件每發(fā)送250個有效字節(jié)，將sleep 50ms，為MSP430的flash存儲操作留出充分的時間。</p><p><b>　　驗證方式：</b></p><p>　　除了采用MSP430

19、的UART功能自帶的校驗功能外，本設(shè)計還采用了一種簡潔直觀的方式進行驗證，進一步確保了接收數(shù)據(jù)的準確性。</p><p>　　進入藍牙模式后，單片機將會在讀取flash存放小車運動軌跡數(shù)據(jù)，并將小車的運動軌跡重現(xiàn)在12864上。使用者通過查看12864跑道的形狀，就可以判斷數(shù)據(jù)接收的正確性，如果出現(xiàn)較大偏差，則用戶可以重新通過PC機軟件發(fā)送數(shù)據(jù)。</p><p><b>　　修正

20、算法：</b></p><p>　　在驗證方式的基礎(chǔ)上保證了絕大多數(shù)數(shù)據(jù)正確基礎(chǔ)上，在使用數(shù)據(jù)時，對接收的數(shù)據(jù)時進行修正過濾。修正的算法的思想為跑道具有連續(xù)性，通過計算相鄰點之間的差值，如果其絕對值超過一定數(shù)值，則將該點去掉，并讀取下一個點。經(jīng)過實際驗證，通過驗證和修正后的運動軌跡，完全可以達到發(fā)送準確性的要求。</p><p><b>　　PC機軟件</b&g

21、t;</p><p>　　這是一個配合藍牙通訊而設(shè)計的軟件。具有以下特點和功能：</p><p>　　界面友好，操作設(shè)計充分借鑒了一些常用軟件的使用方法，使用 戶使用起來似曾相識，得心應(yīng)手。</p><p>　　具備設(shè)置小車工作模式，運動速度，運行時間等功能。</p><p>　　專門設(shè)計的畫圖工具和畫圖板，使得用戶可以在軟件上設(shè)計自

22、己 想要的運動跑道，并在運動跑道上設(shè)置小車運動的起點，整個運動過程的方向，以及終點。</p><p>　?、茉O(shè)計完成后，用戶僅須一鍵便可以將數(shù)據(jù)通過藍牙發(fā)送給小車，操作簡單易學。</p><p>　?、萦脩粼O(shè)計的跑道如果感覺滿意，可以保存到“我的跑道”的，方 便下次使用，軟件也自帶了一些常用的跑道供用戶直接使用。</p><p>　　相應(yīng)的算法在系統(tǒng)軟件設(shè)

23、計中進行介紹。</p><p>　　（4）三種工作模式的具體功能介紹 </p><p>　　遙控模式：在遙控模式下，玩具車除了能實現(xiàn)一輛普通遙控車所具備的諸如轉(zhuǎn)彎之類的功能外，還可以控制玩具車運行的速度和時間。從而方便父母有效地控制兒童玩耍的時間。普通模式下，紅外避障模塊實現(xiàn)基本的避障功能，自制遙控器上帶有LCD11264液晶，方便即時顯示小車運行的時間及速度。普通

24、模式由遙控器控制無線模塊發(fā)送指令。</p><p>　　智能模式：在智能模式下，熱電偶檢測到人體靠近后，將產(chǎn)生中斷喚醒單片機。通過紅外避障模塊實現(xiàn)基本的避障功能。在運動中采用超聲波測距模塊測出使用者與玩具車的距離。當兒童靠近玩具車時，玩具車會自動躲避，并且隨著兒童追逐的速度越來越快，玩具車會相應(yīng)的改變自己的速度和運動方向。當兒童長時間追不上玩具車時，玩具車會通過語音模塊播放一段錄音與兒童進行互動。當兒童追上玩具車

25、后，玩具車同樣會通過語音模塊播放一些鼓勵的話語并且在這個時候，作為獎勵，玩具車會擔任讀書機的角色，通過語音模塊給兒童講故事、背古詩詞、讀單詞等知識。如果在該模式下兒童長時間不理睬玩具車，那么玩具車在通過語音模塊播放一段錄音后會自動進入休眠狀態(tài)。等到超聲波模塊和人體感應(yīng)模塊檢測到兒童的靠近時CPU會被立刻喚醒，玩具車加速前進。智能模式同遙控模式一樣，均可以由遙控器控制無線模塊或是由上位機軟件控制藍牙模塊發(fā)送指令。</p>&

26、lt;p>　　藍牙模式：在藍牙模式下，使用者可以在自制的PC機軟件上設(shè)計智能車的運動路線及運動速度和運動時間，在確定設(shè)計后點擊下載按鈕，軟件就通過藍牙批量將數(shù)據(jù)傳送給單片機，單片機將接收的數(shù)據(jù)存儲在空閑的flash中?？紤]到在該模式下玩具車能夠按照事先既定好的路線行駛并且可以按原路線返回的特性以及語音模塊在智能模式下的廣泛使用，我們可以讓玩具車充當移動對講機的功能。假定甲、乙兩人在兩個位置，甲錄完想對乙說的話后，按下確認鍵后玩具車

27、會按照事先設(shè)定的路徑運動。到達乙處。乙收到后再把對甲想說的話錄下來，按確認鍵后玩具車會按原路徑返回。如此周而復始，這將會是兒童們樂此不疲的一種交流方式和游戲。在玩具車運動的時候，附在玩具車上的LCD12864液晶會即時顯示玩具車運行的軌跡。</p><p><b>　　系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　圖3. 系統(tǒng)硬件整體架構(gòu)圖</p><

28、p>　　智能玩具車的系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示，其中各組成部分的作用分別如下(PC機軟件將在軟件部分介紹)：</p><p>　　MSP430F149作為主控芯片。</p><p>　　主控芯片需要處理無線通信、藍牙通信，并進行電機驅(qū)動模塊控制、傳感器信號檢測和控制、12864液晶控制、ISD4004語音功能控制等操作，需要用到定時器實現(xiàn)定時處理，捕捉器進行信號捕捉以及比較器進行PWM輸出，

29、且藍牙通訊數(shù)據(jù)量較大，需要有一定量的存儲區(qū)進行數(shù)據(jù)存儲，權(quán)衡之下，采用了擁有TA、TB，并帶有60Kflash空間，時鐘頻率為8MHZ的MSP430F149單片機作為主控芯片。由于該款單片機資源豐富、工作速度快且價位合理，完全可以滿足本設(shè)計開發(fā)的需要。</p><p>　　NRF24L01無線模塊：</p><p>　　本設(shè)計的目的之一是實現(xiàn)玩具車的遙控功能。NRF24L01模塊可以無線接

30、收和發(fā)送數(shù)據(jù)，能夠?qū)崿F(xiàn)遙控的目的。</p><p><b>　　藍牙模塊：</b></p><p>　　采用了藍牙實現(xiàn)了PC機與單片機之間的通訊，自行編寫了的PC機軟件進行，可支持用戶對模式、時間等參數(shù)的設(shè)定并可以設(shè)計小車的運動軌跡。其硬件框圖如下：</p><p>　　圖4.藍牙連接硬件框圖</p><p><b

31、>　　（4）感應(yīng)模塊：</b></p><p>　　感應(yīng)模塊采用了多種傳感器想結(jié)合的的檢測方法。熱電偶用于人體的檢測，超聲波用于距離的檢測，紅外線傳感器用于臨近的障礙物的快速檢測。感應(yīng)模塊的應(yīng)用，可以有效地實現(xiàn)避開障礙物。</p><p>　　圖5.感應(yīng)模塊俯視圖</p><p><b>　?。?）電機驅(qū)動模塊</b><

32、/p><p>　　考慮到玩具應(yīng)該具有持久、耐玩、耗電低等特點，所以選用低功率電機和低功耗的驅(qū)動芯片L9110進行電機驅(qū)動。除此之外，L9110芯片的控制信號輸入端可以和單片機連接，直接省去光耦隔離電路，方便了電機驅(qū)動電路的搭建。由于L9110控制每個電機需要采用兩路PWM輸出分別進行正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制的特點，所以控制小車需要采用四路PWM輸出（小車由兩個電機帶動）。采用TB來實現(xiàn)四路PWM輸出控制。詳細硬件連接圖如圖5所示

33、。</p><p>　　圖6.電機驅(qū)動模塊硬件連接框圖</p><p>　?。?）ISD4004語音模塊</p><p>　　為了提高小車的娛樂性和交互性，加入了語音模塊實現(xiàn)智能模式下的特定語音播放以及藍牙模式下的錄音放音功能?？紤]到采用了ISD4004芯片進行了語音功能的實現(xiàn)。在智能模式下，小車根據(jù)用戶的不同表現(xiàn)，播放對應(yīng)的語音與用戶進行互動。在藍牙模式下，用戶可

34、以使用其錄音和放音功能實現(xiàn)移動對講機的功能。為了能夠?qū)崿F(xiàn)上述的兩種功能，以提高小車的娛樂性和人機交互性，我們采用了ISD4004語音模塊。因了該模塊易操作、穩(wěn)定性強等特點，在市場上倍受青睞。ISD4004應(yīng)用簡圖如圖7所示。</p><p>　　圖7.ISD4004硬件簡圖</p><p>　　（7）LCD12864顯示模塊</p><p>　　考慮到顯示模塊需要實

35、現(xiàn)英文、阿拉伯數(shù)字、漢字、運動軌跡等多種顯示，采用LCD12864作為顯示液晶是最好的選擇。LCD12864背光采用5v電壓，以保證亮度。為了判斷玩具車在三種工作模式下受到的控制是否正確，我們將玩具車接收到的指令反饋給LCD12864液晶上。</p><p><b>　　圖8.液晶顯示圖</b></p><p><b>　　電源模塊：</b>&l

36、t;/p><p>　　電源模塊是任何裝置都不可缺少的一部分。由于參與本設(shè)計的模塊眾多而且它們的各自工作電壓不盡相同，因此我們設(shè)計了該電源模塊，通過不同的穩(wěn)壓芯片進行分級穩(wěn)壓以供給各個模塊正常工作。電源模塊的硬件簡圖以及各模塊所需電壓如圖9所示。</p><p>　　圖9.電源模塊硬件框圖 </p><p><b>

37、;　　系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　?。?）單片機軟件設(shè)計</p><p>　　主程序流程圖 </p><p>　　主函數(shù)采用分支判斷結(jié)構(gòu)進行模式選擇，后進入相應(yīng)的模式處理函數(shù)中，知道模式發(fā)生改變才重新進行模式選擇。</p><p>　?、僦悄苣Ｊ教幚砹鞒虉D</p><p>　?、谶b控模式處

38、理流程圖</p><p>　　③藍牙模式處理流程圖</p><p>　　遙控模式和藍牙模式的接收和發(fā)送算法都已經(jīng)在系統(tǒng)方案的關(guān)鍵模塊部分里分別進行了介紹，這里不再贅述。</p><p>　?。?）PC機軟件設(shè)計</p><p>　　為配合藍牙功能的實現(xiàn)，并充分利用藍牙可以傳輸較大數(shù)據(jù)量的數(shù)據(jù)的特點，我們自己編寫了一個PC機軟件。該軟件設(shè)置運動

39、方向和生成運動路徑數(shù)據(jù)的過程綜合采用了像素掃描、曲線擬合、差值過濾、等距取點等算法。其主要功能是與藍牙進行通訊，可以隨意自主設(shè)置小車的運動路徑。</p><p>　?。?）NRF24L01收發(fā)模式的選擇</p><p>　　NRF24L01的收發(fā)模式有三種，分別是：Enhanced ShockBurstTM收發(fā)</p><p>　　模式、ShockBurstTM收發(fā)

40、模式和直接收發(fā)模式。收發(fā)模式由器件配置字決定。本設(shè)計選擇其中的Enhanced ShockBurstTM收發(fā)模式。相比其它2中方式的特點是：節(jié)能能力強，低速微處理器也能進行高速射頻發(fā)射，數(shù)據(jù)在空中停留時間短、抗干擾性強，同時該模式的使用也減小了整個系統(tǒng)的的平均工作電流。在該模式下，系統(tǒng)的編制將更加簡單，穩(wěn)定性也會更高。</p><p><b>　　單片機的相關(guān)設(shè)置</b></p>

41、<p>　　為了通過NRF24L01無線模塊能夠?qū)崿F(xiàn)STC89C52和MSP430F149這兩種單片機之間的通信，這兩種單片機需要在其內(nèi)部軟件上做一些調(diào)整。</p><p>　　發(fā)送機的STC89C52芯片不含SPI串口，所以需要寫模擬SPI串口的程序方可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送。</p><p>　　接收機的MSP430芯片的晶振頻率為8MHz，而發(fā)送機的STC89C52芯片的晶振頻

42、率約為12MHz。在寫相關(guān)時序時，延時時間長短的設(shè)置很重要。</p><p>　　在發(fā)送數(shù)據(jù)的時候，微處理器要把CE置高至少10us才能激發(fā)NRF24L01進行Enhanced ShockBurstTM發(fā)射。在接收數(shù)據(jù)的時候，微處理器須把CE置高至少130us才能接收數(shù)據(jù)包。</p><p><b>　　系統(tǒng)創(chuàng)新</b></p><p>　　智

43、能玩具車擁有三種獨立的工作模式，集人工遙控操作、自主智能運行和人機交互運行方式于一體，工作更加靈活、趣味性更強。擺脫了傳統(tǒng)玩具車的局限，滿足不同用戶、不同情景的需求，極大地增加了兒童的興趣。</p><p>　　PC機自制軟件可以在線設(shè)計玩具的運行路線，通過藍牙接收裝置對玩具車的運行模式、車速、行駛路線以及時間等參數(shù)進行設(shè)置控制。</p><p>　　在智能模式下，單片機通過對語音模塊的控

44、制，在兒童追逐玩具車的過程中于特定的場合播放適當?shù)穆曇魧崿F(xiàn)人機互動，以激發(fā)兒童追逐玩具車的興趣。在該模式下，玩具車還可以當作讀書機用。</p><p>　　藍牙模塊的應(yīng)用大大提高了玩具車的拓展功能實現(xiàn)的可能性。移動對講機便是其中一種拓展應(yīng)用。</p><p><b>　　評測與結(jié)論</b></p><p><b>　　附錄</b

45、></p><p>　　能體現(xiàn)工作成果的實物照片等</p><p><b>　　一．PC機軟件圖</b></p><p>　　圖10.軟件初始界面</p><p>　　圖11.參數(shù)設(shè)置界面</p><p>　　圖12.跑道設(shè)置界面</p><p>　　圖13.下載跑道

46、的效果圖</p><p>　　(注：此時在LCD12864上顯示的跑道為設(shè)置了起點和終點以及運動方向后的跑道，顯示的僅是圖12中的介于起點和終點之間的一段軌跡。)</p><p><b>　　圖14.下載界面</b></p><p><b>　　硬件圖</b></p><p><b>　　

47、遙控器圖</b></p><p>　　圖15.遙控器硬件圖</p><p><b>　　小車硬件圖</b></p><p>　　圖16.小車硬件圖1</p><p>　　圖17.小車硬件圖2</p><p>　　圖18.小車硬件圖3</p><p>　　圖19.

48、小車硬件圖4</p><p>　　3.LCD12864液晶顯示</p><p>　　圖20.LCD12864液晶顯示遙控模式界面</p><p><b>　　視頻的觀看地址:</b></p><p>　　http://v.youku.com/v_show/id_XMzU4NzMxMzQ0.html</p>