Principio de funcionamiento y esquema de diseño del sistema de control del ratón de la computadora

1. Principio de funcionamiento del ratón de la computadora

Se instalan seis grupos de sensores infrarrojos alrededor del mouse de la computadora para detectar el frente izquierdo, el frente izquierdo, el frente, el frente derecho y el derecho, respectivamente. El extremo transmisor emite infrarrojos con una frecuencia determinada. El extremo receptor juzga si hay un obstáculo a través de las ondas reflejadas en seis direcciones, almacena los datos de la celda en tiempo real y controla el mouse de la computadora para completar la evitación de obstáculos, giro y aceleración y otras acciones, utiliza el algoritmo inteligente para atravesar algunas o todas las celdas del laberinto, y almacenar la información del laberinto en una estructura de datos eficaz. El microcontrolador utiliza el algoritmo eficiente de laberinto para encontrar una ruta óptima de acuerdo con esta información registrada, a fin de realizar el sprint máximo desde el punto de partida hasta el punto final.

2 diseño de circuito de hardwarePara completar las tareas de detección de laberinto y sprint, el mouse de la computadora debe tener los siguientes módulos funcionales: el microprocesador ARM actúa como el núcleo de control para coordinar el funcionamiento normal de cada módulo funcional; El motor y el módulo de accionamiento controlan el arranque y el frenado del motor en tiempo real; El módulo de detección de infrarrojos es responsable de la detección y percepción de infrarrojos; La fuente de alimentación suministra un voltaje estable para todo el sistema. El módulo de giroscopio y brújula determina la orientación del mouse de la computadora y analiza las coordenadas de acuerdo con la distancia recorrida. La composición del hardware se muestra en la Figura 1.2.1 módulo de potencia

Los dispositivos de estabilización de voltaje lineal (como lm7805) generalmente se usan como dispositivos de regulación de energía, que tienen las ventajas de voltaje de salida ajustable y precisión de estabilización de alto voltaje. Sin embargo, su modo de ajuste lineal tiene una gran "pérdida de calor" en funcionamiento, lo que resulta en una baja utilización de energía y no puede cumplir con los requisitos de consumo de energía portátil y bajo. El regulador de la fuente de alimentación de conmutación, a diferencia del dispositivo estabilizador de voltaje lineal, funciona en forma de encendido o apagado completo. Al controlar el tiempo de encendido y apagado del tubo de conmutación, puede reducir efectivamente la "pérdida de calor" en el trabajo y mejorar la utilización de energía. En este diseño, el módulo de potencia proporciona tres voltajes diferentes para el sistema. La fuente de alimentación de 12 V se utiliza para accionar el motor. La fuente de alimentación conmutada lm2596 se usa para reducir el voltaje de CC de 12 V a 5 V para suministrar energía al módulo de infrarrojos y al módulo de interacción humano-computadora, y luego los 5 V se reducen a 3,3 V a través de ams1117 para el procesador ARM y otros módulos.

2,2 módulo microprocesador

El microprocesador es el núcleo de todo el sistema de control. Completa las funciones de obtener información de ruta del módulo de detección de infrarrojos, recopilar velocidad instantánea, procesamiento de datos, operación de algoritmo de control, salida de cantidad de control en tiempo real, etc. Para garantizar la viabilidad y la fácil escalabilidad del sistema, el sistema de control adopta la serie "mejorada" stfm32f103rct6 lanzada por stm32f103xx, y la serie mejorada stm32f103xx utiliza el núcleo RISC de 32 bits de brazo correx-m3 de alto rendimiento, la frecuencia de trabajo es de 72 MHz, y la memoria integrada de alta velocidad (hasta 128 000 bytes de memoria flash y 20 000 bytes de SRAM), puertos de E/S mejorados y periféricos conectados a dos buses APB. Todos los modelos de dispositivos incluyen dos ADC de 12 bits, tres temporizadores generales de 16 bits y un temporizador PWM, así como interfaces de comunicación estándar y avanzada: hasta dos I2C y SPI, tres USART, una USB y una lata, que cumplen con los requisitos en términos de capacidad de almacenamiento y velocidad de operación.

2,3 motor y módulo de accionamiento

Para mejorar la potencia del sistema y reducir el consumo de energía, el circuito de conducción adopta el chip de circuito integrado L298N basado en la modulación de ancho de pulso. El más común es el L298N en paquete muliwart de 15 pines, que contiene un circuito de accionamiento lógico de cuatro canales, es decir, un controlador de puente completo doble de alta tensión y alta corriente con dos puentes h, que puede accionar y controlar dos motores de CC. El chip adopta una fuente de alimentación dual para la fuente de alimentación del motor y la fuente de alimentación de nivel lógico, y puede aceptar una señal de nivel lógico TTL estándar para impulsar motores por debajo de 46v y 2A, y puede impulsar una carga inductiva. ENA y ENB son terminales de habilitación de control, in1, in2, in3 e in4 son terminales de entrada de nivel de control, y el circuito se muestra en la Figura 2. El motor de CC de copa hueca se utiliza en este diseño, que tiene excelentes características de ahorro de energía, características de control sensible y conveniente y características de operación estable. La eficiencia máxima es generalmente superior al 70% y algunos productos pueden alcanzar más del 90%; Arranque y frene rápidamente y responda muy rápido; Su peso y volumen se reducen relativamente en 1/3-1/2, y el ciclo de trabajo del pulso se ajusta mediante PWM.

2.4 Módulo de detección de infrarrojos El módulo de detección de infrarrojos es principalmente responsable del monitoreo y procesamiento del entorno del laberinto. El rayo infrarrojo es modulado y enviado por el tubo transmisor, y el tubo receptor recibe la luz reflejada de la pared del laberinto y juzga la distancia desde la pared divisoria de acuerdo con la fuerza de la señal reflejada recibida. En comparación con los métodos de detección de infrarrojos tradicionales, el sistema tiene las siguientes características: (1) El número de sensores de infrarrojos aumentó de 5 a 6. Además de los dos ángulos oblicuos de 45 grados de frente, izquierda, derecha y frente, se agrega un grupo de sensores infrarrojos en el frente. Mediante la fusión de la información de los dos grupos de sensores al frente, se realiza el cruce oblicuo de 45 grados. En comparación con el ajuste de ángulo recto de 90 grados anterior, ahorra tiempo y mejora la eficiencia.

(2) Se adopta el diseño del amplificador basado en la red de selección de frecuencia dual-t, y el sensor infrarrojo realiza el rango entre el mouse de la computadora y el obstáculo de acuerdo con la fuerza de la señal reflejada. En el pasado, se usaba el sensor de recepción de infrarrojos integrado (como el irm8601s), y el circuito de control automático de ganancia, el circuito de filtro de paso de banda, el circuito de decodificación y el circuito de activación de salida se integraban en el cabezal de recepción. Sin embargo, dado que la señal de detección emite una señal digital, solo puede juzgar si hay obstáculos o no, y la distancia no se puede calcular de acuerdo con la potencia de salida de la señal de detección. En este diseño, se adopta el diseño de amplificación selectiva de frecuencia basado en la red selectiva de frecuencia dual-t y tlc084 para amplificar las señales útiles con diferentes frecuencias y diferentes ganancias, a fin de filtrar o suprimir las señales inútiles.

(3) Transmitir tres ondas de frecuencia modulada para reducir la interferencia entre las señales. Los seis grupos de sensores se dividen en tres grupos. Los grupos de sensores izquierdo y derecho son responsables de detectar si el mouse de la computadora camina sobre la línea media, para corregir la postura a tiempo; Los sensores delanteros izquierdo y derecho comprueban principalmente si hay una intersección más adelante; Los dos grupos de sensores delanteros cooperan con el motor para realizar un giro de 45 grados. Cuanto mayor sea la frecuencia de emisión de luz infrarroja, mayor será la distancia de propagación. En este diseño, debido a que la distancia entre las paredes del laberinto es de 16,8 cm (celda de 18 cm. Espesor de la pared 1,2 cm), el ancho del mouse de la computadora es generalmente de unos 10 cm, y la distancia entre la carrocería del vehículo y las paredes en ambos lados es de solo unos 3 cm, por lo que las frecuencias de emisión en los lados derecho e izquierdo son 33 khz, la emisión las frecuencias en los lados izquierdo y derecho son de 35kHz, y la distancia en el frente es la más lejana. La frecuencia de transmisión es de 38kHz. Consulte la Figura 3 para obtener más detalles.

En este diseño, se mejora el circuito de hardware. El temporizador STM32 emite tres señales PWM. Cada dos grupos de tubos transmisores de infrarrojos comparten una señal PWM y regresan después de encontrar obstáculos. El tubo receptor de infrarrojos recoge la señal, amplifica la señal útil a través del amplificador de selección de frecuencia y la envía al convertidor AD de aproximación sucesiva de 12 bits de STM32. Debido al retraso de la rectificación y el filtrado, aquí se adopta el muestreo de CA. ADC necesita 1,5 12,5 ciclos ADC a la velocidad más alta y alcanza la velocidad de 1 msps en el reloj ADC de 14 m. El circuito de rango infrarrojo se muestra en la Fig. 4. Cuando el tubo receptor recibe infrarrojos, D2 se enciende y cuanto más fuerte es el reflejo, menor es la resistencia D2. Cuando no se recibe infrarrojo, la resistencia D2 es infinita, lo que equivale a un corte; Dos resistencias de 10K R3 y R4 proporcionan una polarización de CC de 2,5 V.

3 diseño del sistema de software El módulo de software es una parte importante del sistema. El mouse de la computadora obtiene la información circundante a través de la detección de infrarrojos para completar las acciones básicas como avanzar, girar, correr y detenerse. Además, también obtiene la información para realizar la búsqueda de la ruta óptima y completar el sprint final. Este diseño utiliza un diseño modular y llama a varias subrutinas funcionales a través del programa principal. El diagrama de flujo del programa principal y el diagrama de flujo de interrupción se muestran en la Figura 5 (a) (b).4 Verificación y análisis experimental

(1) El diseño de amplificación basado en la red de selección de frecuencia se utiliza en el sistema de rango del sensor infrarrojo. Debido a la selección del estándar nacional de resistencia y capacitancia, la frecuencia central no puede caer a 38 kHz. La frecuencia central de la red de selección de frecuencia dual t es F0 = 1 / 2 RC, R / C = 10K / 430pf, F0 = 37khz. Las características de frecuencia de amplitud simuladas por Multisim se muestran en la Figura 6. El circuito experimental de hardware está construido y la frecuencia central no cae a 37 kHz sino a 30 kHz. Reduzca el valor RC para múltiples pruebas. Cuando R/C = 9.1k/430pf, la frecuencia central cae a 38kHz.

(2) La pared del laberinto está hecha de plástico blanco hueco y se transmite una gran parte de la luz infrarroja, junto con la influencia de la luz solar. Por lo tanto, el tubo transmisor se puede revestir con un tubo exterior negro para reducir la interferencia externa; El microprocesador ARM genera una señal PWM y la envía al tubo transmisor de infrarrojos, y el tubo receptor recibe la señal infrarroja modulada; La conversión de nivel se realiza mediante triodo, la potencia de transmisión aumenta ajustando el potenciómetro, la señal se ajusta y amplifica al mejor rango de conversión a / D y se obtiene la precisión de procesamiento deseada. Se obtiene un conjunto de datos de distancia de medición infrarroja y voltaje de salida a través de múltiples mediciones en el experimento. Tomando la distancia del obstáculo s como abscisa y el valor de voltaje u después de la amplificación de selección de frecuencia como ordenada, la curva se dibuja con MATLAB. La relación entre el valor del voltaje y la distancia es u = 0.1195 4.5962 * s-1, como se muestra en la Figura 7.

(4) Usando la función de temporizador STM32, la señal PWM requerida se modula a través de la programación de software para controlar el motor y transmitir infrarrojos. La figura 8 muestra la señal PWM del canal ch1 del temporizador 4 con una frecuencia de salida de 38 kHz y un ciclo de trabajo del 30 %.5 Conclusión En este artículo, se diseña un sistema de control de mouse de computadora basado en stm32f103rct6. Basado en MATLAB y simulación muhisim, se determinan los parámetros RC de la red de selección de frecuencia y el diagrama de relación entre la distancia y el valor de voltaje se obtiene a través de experimentos, lo que refleja las buenas características de selección de frecuencia de la red simétrica RC dual T; Se selecciona un motor de CC de copa hueca con alta eficiencia y respuesta rápida para el motor y el módulo de accionamiento. La prueba muestra que el esquema de diseño puede cumplir con los requisitos del sistema.