Principe de fonctionnement et schéma de conception du système de contrôle de souris d'ordinateur

1. Principe de fonctionnement d'une souris d'ordinateur

Six groupes de capteurs infrarouges sont installés autour de la souris d'ordinateur pour détecter respectivement la gauche, l'avant gauche, l'avant, l'avant droit et la droite. L'extrémité émettrice émet des infrarouges avec une certaine fréquence. L'extrémité réceptrice juge s'il y a un obstacle à travers les ondes réfléchies dans six directions, stocke les données de la cellule en temps réel et contrôle la souris d'ordinateur pour compléter l'évitement d'obstacle, le virage et l'accélération et d'autres actions, utilisez l'algorithme intelligent pour traverser certaines ou toutes les cellules du labyrinthe, et stocker les informations du labyrinthe dans une structure de données efficace. Le microcontrôleur utilise l'algorithme efficace du labyrinthe pour trouver un chemin optimal en fonction de ces informations enregistrées, de manière à réaliser le sprint maximum du point de départ au point final.

2 conception du circuit matériel Afin d'effectuer les tâches de détection de labyrinthe et de sprint, la souris d'ordinateur doit disposer des modules fonctionnels suivants : le microprocesseur ARM agit comme le noyau de contrôle pour coordonner le fonctionnement normal de chaque module fonctionnel ; Le moteur et le module d'entraînement contrôlent le démarrage et le freinage du moteur en temps réel ; Le module de détection infrarouge est responsable de la détection et de la perception infrarouges ; L'alimentation fournit une tension stable pour l'ensemble du système. Le module gyroscope et boussole détermine l'orientation de la souris de l'ordinateur et analyse les coordonnées en fonction de la distance parcourue. La composition matérielle est illustrée à la figure 1.2.1 module d'alimentation

Les dispositifs de stabilisation de tension linéaire (tels que lm7805) sont généralement utilisés comme dispositifs de régulation de puissance, qui présentent les avantages d'une tension de sortie réglable et d'une précision de stabilisation de haute tension. Cependant, son mode de réglage linéaire a une grande "perte de chaleur" en fonctionnement, ce qui entraîne une faible consommation d'énergie et ne peut pas répondre aux exigences de la consommation d'énergie portable et faible. Le régulateur d'alimentation à découpage, différent du dispositif de stabilisation de tension linéaire, fonctionne en mode tout ou rien. En contrôlant le temps d'activation et de désactivation du tube de commutation, il peut réduire efficacement la "perte de chaleur" au travail et améliorer l'utilisation de l'énergie. Dans cette conception, le module d'alimentation fournit trois tensions différentes pour le système. L'alimentation 12V est utilisée pour entraîner le moteur. L'alimentation à découpage lm2596 est utilisée pour réduire la tension cc 12V à 5V pour alimenter le module infrarouge et le module d'interaction homme-ordinateur, puis le 5V est réduit à 3,3V via ams1117 pour le processeur ARM et d'autres modules.

Module microprocesseur 2.2

Le microprocesseur est au cœur de tout le système de contrôle. Il complète les fonctions d'obtention des informations de chemin à partir du module de détection infrarouge, de collecte de la vitesse instantanée, de traitement des données, de fonctionnement de l'algorithme de contrôle, de sortie de la quantité de contrôle en temps réel, etc. Afin d'assurer la praticabilité et l'évolutivité facile du système, le système de contrôle adopte la série "améliorée" stfm32f103rct6 lancée par stm32f103xx, et la série améliorée stm32f103xx utilise le bras haute performance correx-m3 noyau RISC 32 bits, la fréquence de travail est de 72 mhz, et la mémoire haute vitesse intégrée (jusqu'à 128 K octets de mémoire flash et 20 K octets de SRAM), les ports d'E/S enrichis riches et les périphériques connectés à deux bus APB. Tous les modèles d'appareils incluent deux ADC 12 bits, trois temporisateurs généraux 16 bits et un temporisateur PWM, ainsi que des interfaces de communication standard et avancées : jusqu'à deux I2C et SPI, trois USART, un USB et un can, qui répondent aux exigences de termes de capacité de stockage et de vitesse de fonctionnement.

2.3 moteur et module d'entraînement

Afin d'améliorer la puissance du système et de réduire la consommation d'énergie, le circuit de commande adopte la puce de circuit intégré L298N basée sur la modulation de largeur d'impulsion. Le plus courant est le L298N dans un boîtier muliwart à 15 broches, qui contient un circuit de commande logique à quatre canaux, c'est-à-dire un pilote à double pont complet haute tension et courant élevé avec deux ponts h, qui peut piloter et contrôler deux moteurs à courant continu. La puce adopte une double alimentation pour l'alimentation du moteur et l'alimentation de niveau logique, et peut accepter un signal de niveau logique TTL standard pour piloter des moteurs inférieurs à 46v et 2A, et peut piloter une charge inductive. ENA et ENB sont des bornes d'activation de commande, in1, in2, in3 et in4 sont des bornes d'entrée de niveau de commande et le circuit est illustré à la figure 2. Le moteur à courant continu à coupelle creuse est utilisé dans cette conception, qui présente des caractéristiques d'économie d'énergie exceptionnelles, des caractéristiques de contrôle sensibles et pratiques et des caractéristiques de fonctionnement stables. L'efficacité maximale est généralement supérieure à 70 % et certains produits peuvent atteindre plus de 90 % ; Démarrez et freinez rapidement et répondez très rapidement; Son poids et son volume sont relativement réduits de 1/3-1/2, et le rapport cyclique des impulsions est ajusté par PWM.

2.4 module de détection infrarougeLe module de détection infrarouge est principalement responsable de la surveillance et du traitement de l'environnement du labyrinthe. Le rayon infrarouge est modulé et envoyé par le tube émetteur, et le tube récepteur reçoit la lumière réfléchie par la paroi du labyrinthe et juge la distance de la paroi de séparation en fonction de la force du signal réfléchi reçu. Par rapport aux méthodes de détection infrarouge traditionnelles, le système présente les caractéristiques suivantes :(1) Le nombre de capteurs infrarouges est passé de 5 à 6. En plus des deux angles obliques de 45 degrés de l'avant, de la gauche, de la droite et de l'avant, un groupe de capteurs infrarouges est ajouté à l'avant. Grâce à la fusion des informations des deux groupes de capteurs à l'avant, le croisement oblique à 45 degrés est réalisé. Comparé au précédent réglage à angle droit de 90 degrés, il permet de gagner du temps et d'améliorer l'efficacité.

(2) La conception de l'amplificateur basée sur le réseau de sélection de fréquence dual-t est adoptée, et le capteur infrarouge réalise la distance entre la souris d'ordinateur et l'obstacle en fonction de la force du signal réfléchi. Dans le passé, le capteur de réception infrarouge intégré (tel que irm8601s) était utilisé, et le circuit de contrôle de gain automatique, le circuit de filtre passe-bande, le circuit de décodage et le circuit de commande de sortie étaient intégrés dans la tête de réception. Cependant, étant donné que le signal de détection émet un signal numérique, il ne peut que juger s'il y a des obstacles ou non, et la distance ne peut pas être calculée en fonction de la force de sortie du signal de détection. Dans cette conception, la conception d'amplification sélective en fréquence basée sur le réseau sélectif en fréquence dual-t et tlc084 est adoptée pour amplifier les signaux utiles avec différentes fréquences et différents gains, afin de filtrer ou de supprimer les signaux inutiles.

(3) Transmettre trois ondes modulées en fréquence pour réduire les interférences entre les signaux. Les six groupes de capteurs sont divisés en trois groupes. Les groupes de capteurs gauche et droit sont chargés de détecter si la souris de l'ordinateur marche sur la ligne médiane, afin d'effectuer une correction de posture à temps ; Les capteurs avant gauche et avant droit vérifient principalement s'il y a une intersection devant ; Les deux groupes de capteurs avant coopèrent avec le moteur pour réaliser une rotation à 45 degrés. Plus la fréquence d'émission de la lumière infrarouge est élevée, plus la distance de propagation est grande. Dans cette conception, parce que la distance entre les murs du labyrinthe est de 16,8 cm (cellule 18 cm. Épaisseur de paroi 1,2 cm), la largeur de la souris d'ordinateur est généralement d'environ 10 cm et la distance entre la carrosserie du véhicule et les murs des deux côtés n'est que d'environ 3 cm, de sorte que les fréquences d'émission sur les côtés droit et gauche sont de 33 khz, l'émission les fréquences sur les côtés gauche et droit sont de 35 kHz et la distance à l'avant est la plus éloignée. La fréquence de transmission est de 38 kHz. Voir la figure 3 pour plus de détails.

Dans cette conception, le circuit matériel est amélioré. Le temporisateur STM32 produit trois signaux PWM. Chacun des deux groupes de tubes émetteurs infrarouges partage un signal PWM et revient après avoir rencontré des obstacles. Le tube de réception infrarouge recueille le signal, amplifie le signal utile à travers l'amplificateur de sélection de fréquence et l'envoie au convertisseur AD d'approximations successives 12 bits du STM32. En raison du retard de rectification et de filtrage, l'échantillonnage AC est adopté ici. L'ADC a besoin de 1,5 à 12,5 cycles ADC à la vitesse la plus élevée et atteint la vitesse de 1 msps à l'horloge ADC de 14 m. Le circuit de télémétrie infrarouge est illustré à la Fig. 4. Lorsque le tube récepteur reçoit l'infrarouge, D2 est allumé et plus la réflexion est forte, plus la résistance D2 est petite. Lorsqu'aucun infrarouge n'est reçu, la résistance D2 est infinie, ce qui équivaut à une coupure ; Deux résistances 10K R3 et R4 fournissent une polarisation CC de 2,5V.

3 conception du système logicielLe module logiciel est une partie importante du système. La souris d'ordinateur obtient les informations environnantes grâce à la détection infrarouge pour effectuer les actions de base telles qu'avancer, tourner, sprinter et s'arrêter. De plus, il obtient également les informations pour réaliser la recherche du chemin optimal et terminer le sprint final. Cette conception utilise une conception modulaire et appelle divers sous-programmes fonctionnels via le programme principal. L'organigramme principal du programme et l'organigramme des interruptions sont illustrés à la figure 5 (a) (b).4 vérification et analyse expérimentales

(1) La conception d'amplification basée sur le réseau de sélection de fréquence est utilisée dans le système de télémétrie du capteur infrarouge. En raison de la sélection de la norme nationale pour la résistance et la capacité, la fréquence centrale ne peut pas tomber à 38 kHz. La fréquence centrale du réseau de sélection de fréquence double t est F0 = 1/2 RC, R/C = 10K/430pf, F0 = 37khz. Les caractéristiques de fréquence d'amplitude simulées par Multisim sont présentées à la figure 6. Le circuit expérimental matériel est construit et la fréquence centrale ne tombe pas à 37 kHz mais à 30 kHz. Réduisez la valeur RC pour plusieurs tests. Lorsque R / C = 9,1k/430pf, la fréquence centrale tombe à 38kHz.

(2) La paroi du labyrinthe est en plastique blanc creux et une grande partie de la lumière infrarouge est transmise, couplée à l'influence de la lumière du soleil. Par conséquent, le tube émetteur peut être gainé d'un tube extérieur noir pour réduire les interférences externes ; Le microprocesseur ARM génère un signal PWM et l'envoie au tube de transmission infrarouge, et le tube de réception reçoit le signal infrarouge modulé ; La conversion de niveau est réalisée par triode, la puissance de transmission est augmentée en ajustant le potentiomètre, le signal est ajusté et amplifié à la meilleure plage de conversion a/n, et la précision de traitement souhaitée est obtenue. Un ensemble de données de distance de mesure infrarouge et de tension de sortie est obtenu par plusieurs mesures dans l'expérience. En prenant la distance d'obstacle s en abscisse et la valeur de tension u après amplification de la sélection de fréquence en ordonnée, la courbe est tracée avec MATLAB. La relation entre la valeur de tension et la distance est u = 0,1195 4,5962 * s-1, comme illustré à la Figure 7.

(4) À l'aide de la fonction de minuterie STM32, le signal PWM requis est modulé via la programmation logicielle pour contrôler le moteur et transmettre l'infrarouge. La figure 8 montre le signal PWM du canal ch1 du timer4 avec une fréquence de sortie de 38 kHz et un rapport cyclique de 30 %.5 Conclusion Dans cet article, un système de contrôle de souris d'ordinateur basé sur stm32f103rct6 est conçu. Sur la base de la simulation MATLAB et muhisim, les paramètres RC du réseau de sélection de fréquence sont déterminés et le diagramme de relation entre la distance et la valeur de tension est obtenu par des expériences, ce qui reflète les bonnes caractéristiques de sélection de fréquence du réseau symétrique RC dual T ; Un moteur à courant continu à coupelle creuse à haut rendement et à réponse rapide est sélectionné pour le moteur et le module d'entraînement. Le test montre que le schéma de conception peut répondre aux exigences du système.