Princípio de funcionamento e esquema de design do sistema de controle de mouse de computador

1. Princípio de funcionamento do mouse de computador

Seis grupos de sensores infravermelhos são instalados ao redor do mouse do computador para detectar a esquerda, a frente esquerda, a frente, a frente direita e a direita, respectivamente. A extremidade transmissora emite infravermelho com uma certa frequência. A extremidade receptora julga se há um obstáculo através das ondas refletidas em seis direções, armazena os dados da célula em tempo real e controla o mouse do computador para evitar obstáculos, girar e acelerar e outras ações, use o algoritmo inteligente para atravessar algumas ou todas as células do labirinto e armazenam as informações do labirinto em uma estrutura de dados efetiva. O microcontrolador usa o algoritmo labirinto eficiente para encontrar um caminho ótimo de acordo com essas informações registradas, de modo a realizar o sprint máximo do ponto inicial ao ponto final.

2 projeto de circuito de hardwarePara completar as tarefas de detecção de labirinto e sprint, o mouse do computador precisa ter os seguintes módulos funcionais: o microprocessador ARM atua como o núcleo de controle para coordenar a operação normal de cada módulo funcional; O motor e o módulo de acionamento controlam a partida e a frenagem do motor em tempo real; O módulo de detecção infravermelho é responsável pela detecção e percepção do infravermelho; A fonte de alimentação fornece uma tensão estável para todo o sistema. O módulo de giroscópio e bússola determina a orientação do mouse do computador e analisa as coordenadas de acordo com a distância percorrida. A composição do hardware é mostrada na Figura 1.2.1 módulo de potência

Dispositivos de estabilização de tensão linear (como lm7805) geralmente são usados ​​como dispositivos de regulação de energia, que têm as vantagens de tensão de saída ajustável e precisão de estabilização de alta tensão. No entanto, seu modo de ajuste linear possui grande “perda de calor” em operação, resultando em baixa utilização de energia e não pode atender os requisitos de portátil e baixo consumo de energia. O regulador da fonte chaveada, diferente do estabilizador linear de tensão, funciona na forma de ligar ou desligar completo. Ao controlar o tempo de ligar e desligar do tubo de comutação, ele pode efetivamente reduzir a "perda de calor" no trabalho e melhorar a utilização de energia. Neste projeto, o módulo de potência fornece três voltagens diferentes para o sistema. A fonte de alimentação de 12V é usada para acionar o motor. A fonte de alimentação de comutação lm2596 é usada para reduzir a tensão de 12V DC para 5V para fornecer energia ao módulo infravermelho e ao módulo de interação homem-computador e, em seguida, os 5V são reduzidos para 3,3V através do ams1117 para o processador ARM e outros módulos.

2.2 módulo microprocessador

O microprocessador é o núcleo de todo o sistema de controle. Ele completa as funções de obter informações de caminho do módulo de detecção infravermelho, coleta de velocidade instantânea, processamento de dados, operação de algoritmo de controle, saída de quantidade de controle em tempo real e assim por diante. A fim de garantir a praticabilidade e fácil escalabilidade do sistema, o sistema de controle adota a série "aprimorada" stfm32f103rct6 lançada por stm32f103xx, e a série aprimorada stm32f103xx usa o núcleo RISC de 32 bits do braço correx-m3 de alto desempenho, a frequência de trabalho é de 72mhz, e a memória interna de alta velocidade (até 128K bytes de memória flash e 20K bytes de SRAM), portas de E / S aprimoradas e periféricos conectados a dois barramentos APB. Todos os modelos de dispositivos incluem dois ADCs de 12 bits, três temporizadores gerais de 16 bits e um temporizador PWM, além de interfaces de comunicação padrão e avançadas: até dois I2C e SPI, três USART, um USB e um can, que atendem aos requisitos em em termos de capacidade de armazenamento e velocidade de operação.

2.3 motor e módulo de acionamento

A fim de melhorar a potência do sistema e reduzir o consumo de energia, o circuito de acionamento adota o chip de circuito integrado L298N baseado na modulação de largura de pulso. O mais comum é o L298N em pacote muliwart de 15 pinos, que contém um circuito de acionamento lógico de quatro canais, ou seja, um driver de ponte completa dupla de alta tensão e alta corrente com duas pontes h, que pode acionar e controlar dois motores DC. O chip adota fonte de alimentação dupla para fonte de alimentação do motor e fonte de alimentação de nível lógico e pode aceitar sinal de nível lógico TTL padrão para acionar motores abaixo de 46v e 2a, e pode acionar carga indutiva. ENA e ENB são terminais de habilitação de controle, in1, in2, in3 e in4 são terminais de entrada de nível de controle, e o circuito é mostrado na Figura 2. O motor DC de copo oco é usado neste projeto, que possui excelentes características de economia de energia, características de controle sensíveis e convenientes e características de operação estáveis. A eficiência máxima é geralmente superior a 70%, e alguns produtos podem atingir mais de 90%; Dê partida e freie rapidamente e responda muito rapidamente; Seu peso e volume são relativamente reduzidos em 1/3-1/2, e o ciclo de trabalho de pulso é ajustado por PWM.

2.4 módulo de detecção de infravermelhoO módulo de detecção de infravermelho é o principal responsável pelo monitoramento e processamento do ambiente do labirinto. O raio infravermelho é modulado e enviado pelo tubo transmissor, e o tubo receptor recebe a luz refletida da parede do labirinto e avalia a distância da parede divisória de acordo com a força do sinal refletido recebido. Comparado com os métodos tradicionais de detecção por infravermelho, o sistema possui as seguintes características:(1) O número de sensores infravermelhos aumentou de 5 para 6. Além dos dois ângulos oblíquos de 45 graus da frente, esquerda, direita e frente, um grupo de sensores infravermelhos é adicionado na frente. Através da fusão das informações dos dois grupos de sensores à frente, é realizado o cruzamento oblíquo de 45 graus. Comparado com o ajuste anterior de ângulo reto de 90 graus, ele economiza tempo e melhora a eficiência.

(2) O projeto do amplificador baseado na rede de seleção de frequência dual-t é adotado, e o sensor infravermelho realiza a variação entre o mouse do computador e o obstáculo de acordo com a força do sinal refletido. No passado, o sensor de recepção infravermelho integrado (como irm8601s) era usado, e o circuito de controle automático de ganho, circuito de filtro passa-banda, circuito de decodificação e circuito de acionamento de saída eram integrados no cabeçote de recepção. No entanto, como o sinal de detecção emite um sinal digital, ele só pode julgar se há obstáculos ou não, e a distância não pode ser calculada de acordo com a intensidade de saída do sinal de detecção. Neste projeto, o projeto de amplificação seletiva de frequência baseado na rede seletiva de frequência dual-t e tlc084 é adotado para amplificar os sinais úteis com diferentes frequências e ganhos diferentes, de modo a filtrar ou suprimir os sinais inúteis.

(3) Transmita três ondas moduladas em frequência para reduzir a interferência entre os sinais. Os seis grupos de sensores são divididos em três grupos. Os grupos de sensores esquerdo e direito são responsáveis ​​por detectar se o mouse do computador está andando na linha do meio, de modo a fazer a correção postural a tempo; Os sensores dianteiros esquerdo e direito verificam principalmente se há um cruzamento à frente; Os dois grupos de sensores frontais cooperam com o motor para realizar um giro de 45 graus. Quanto maior a frequência de emissão de luz infravermelha, maior é a distância de propagação. Neste projeto, porque a distância entre as paredes do labirinto é de 16,8 cm (célula 18 cm. Espessura da parede 1,2 cm), a largura do mouse do computador é geralmente de cerca de 10 cm, e a distância entre o corpo do veículo e as paredes em ambos os lados é de apenas cerca de 3 cm, então as frequências de emissão nos lados direito e esquerdo são 33 khz, a emissão frequências nos lados esquerdo e direito são 35kHz, e a distância na frente é a mais distante, A frequência de transmissão é 38kHz. Veja a Figura 3 para detalhes.

Neste projeto, o circuito de hardware é aprimorado. O temporizador STM32 emite três sinais PWM. Cada dois grupos de tubos transmissores infravermelhos compartilham um sinal PWM e retornam após encontrar obstáculos. O tubo receptor infravermelho coleta o sinal, amplifica o sinal útil através do amplificador de seleção de frequência e o envia para o conversor AD de aproximação sucessiva de 12 bits do STM32. Devido ao atraso de retificação e filtragem, a amostragem AC é adotada aqui. O ADC precisa de 1,5 a 12,5 ciclos de ADC na velocidade mais alta e atinge a velocidade de 1 msps no clock de 14 m ADC. O circuito de alcance infravermelho é mostrado na Fig. 4. Quando o tubo receptor recebe infravermelho, D2 é ligado, e quanto mais forte a reflexão, menor a resistência D2. Quando nenhum infravermelho é recebido, a resistência D2 é infinita, o que equivale ao corte; Dois resistores de 10K R3 e R4 fornecem uma polarização DC de 2,5V.

3 design do sistema de softwareO módulo de software é uma parte importante do sistema. O mouse do computador obtém as informações ao redor por meio da detecção de infravermelho para concluir as ações básicas, como avançar, girar, correr e parar. Além disso, também obtém as informações para realizar a busca do caminho ideal e concluir o sprint final. Este design usa design modular e chama várias sub-rotinas funcionais através do programa principal. O fluxograma do programa principal e o fluxograma de interrupção são mostrados na Figura 5 (a) (b).4 verificação e análise experimental

(1) O projeto de amplificação baseado na rede de seleção de frequência é usado no sistema de alcance do sensor infravermelho. Devido à seleção do padrão nacional para resistência e capacitância, a frequência central não pode cair em 38kHz. A frequência central da rede de seleção de frequência dual t é F0 = 1 / 2 RC, R / C = 10K / 430pf, F0 = 37khz. As características de frequência de amplitude simuladas pelo Multisim são mostradas na Figura 6. O circuito experimental de hardware é construído e a frequência central não cai em 37 khz, mas em 30 kHz. Reduza o valor RC para vários testes. Quando R/C = 9.1k/430pf, a frequência central cai em 38kHz.

(2) A parede do labirinto é feita de plástico branco oco, e grande parte da luz infravermelha é transmitida, juntamente com a influência da luz solar. Portanto, o tubo de transmissão pode ser revestido com um tubo externo preto para reduzir a interferência externa; O microprocessador ARM gera o sinal PWM e o envia para o tubo transmissor infravermelho, e o tubo receptor recebe o sinal infravermelho modulado; A conversão de nível é realizada por triodo, a potência de transmissão é aumentada ajustando o potenciômetro, o sinal é ajustado e amplificado para a melhor faixa de conversão a/D, e a precisão de processamento desejada é obtida. Um conjunto de dados de distância de medição infravermelha e tensão de saída são obtidos através de múltiplas medições no experimento. Tomando a distância do obstáculo s como a abcissa e o valor da tensão u após a amplificação da seleção de frequência como as ordenadas, a curva é desenhada com MATLAB. A relação entre o valor da tensão e a distância é u = 0,1195 4,5962 * s-1, conforme mostrado na Figura 7.

(4) Usando a função de temporizador STM32, o sinal PWM necessário é modulado através de programação de software para controlar o motor e transmitir infravermelho. A Figura 8 mostra o sinal PWM do canal ch1 do timer4 com frequência de saída de 38kHz e ciclo de trabalho de 30%.5 ConclusãoNeste artigo, um sistema de controle de mouse de computador baseado em stm32f103rct6 é projetado. Com base na simulação MATLAB e muhisim, os parâmetros RC da rede de seleção de frequência são determinados, e o diagrama de relação entre a distância e o valor da tensão é obtido através de experimentos, o que reflete as boas características de seleção de frequência da rede RC dual T simétrica; Motor DC de copo oco com alta eficiência e resposta rápida é selecionado para motor e módulo de acionamento. O teste mostra que o esquema de projeto pode atender aos requisitos do sistema.