Принцип работы и конструктивная схема системы управления компьютерной мышью

1. Принцип работы компьютерной мышки.

Шесть групп инфракрасных датчиков установлены вокруг компьютерной мыши для обнаружения левой, левой передней, передней, правой передней и правой стороны соответственно. Передающий конец излучает инфракрасное излучение с определенной частотой. Приемный конец оценивает наличие препятствия по отраженным волнам в шести направлениях, сохраняет данные ячейки в режиме реального времени и управляет компьютерной мышью, чтобы завершить уклонение от препятствия, поворот и ускорение и другие действия, использовать интеллектуальный алгоритм для прохождения некоторые или все ячейки лабиринта и хранить информацию о лабиринте в эффективной структуре данных. Микроконтроллер использует эффективный алгоритм лабиринта для поиска оптимального пути в соответствии с этой записанной информацией, чтобы реализовать максимальный спринт от начальной точки до конечной точки.

2 конструкция аппаратной схемы Для выполнения задач обнаружения лабиринта и спринта компьютерная мышь должна иметь следующие функциональные модули: микропроцессор ARM выступает в качестве управляющего ядра для координации нормальной работы каждого функционального модуля; Модуль двигателя и привода управляет пуском и торможением двигателя в режиме реального времени; Модуль инфракрасного обнаружения отвечает за обнаружение и восприятие инфракрасного излучения; Блок питания обеспечивает стабильное напряжение для всей системы. Модуль гироскопа и компаса определяет ориентацию компьютерной мыши и анализирует координаты в соответствии с пройденным расстоянием. Аппаратный состав показан на рисунке 1.2.1 силовой модуль

Устройства линейной стабилизации напряжения (например, lm7805) обычно используются в качестве устройств регулирования мощности, которые имеют преимущества регулируемого выходного напряжения и высокой точности стабилизации напряжения. Однако его режим линейной регулировки имеет большие «тепловые потери» при работе, что приводит к низкому потреблению энергии и не может удовлетворить требования портативности и низкого энергопотребления. Импульсный стабилизатор питания, в отличие от линейного стабилизатора напряжения, работает по принципу полного включения или выключения. Контролируя время включения и выключения переключающей трубки, можно эффективно снизить «тепловые потери» при работе и повысить эффективность использования энергии. В этой конструкции модуль питания обеспечивает три различных напряжения для системы. Источник питания 12 В используется для привода двигателя. Импульсный источник питания lm2596 используется для снижения напряжения постоянного тока 12 В до 5 В для питания инфракрасного модуля и модуля взаимодействия человека с компьютером, а затем 5 В снижается до 3,3 В через ams1117 для процессора ARM и других модулей.

2,2 микропроцессорный модуль

Микропроцессор является ядром всей системы управления. Он выполняет функции получения информации о пути от инфракрасного модуля обнаружения, сбора мгновенной скорости, обработки данных, работы алгоритма управления, вывода количества управления в реальном времени и так далее. Чтобы обеспечить практичность и простоту масштабирования системы, система управления использует «расширенную» серию stfm32f103rct6, выпущенную stm32f103xx, а расширенная серия stm32f103xx использует высокопроизводительное 32-разрядное RISC-ядро Arm Correx-m3, рабочая частота составляет 72 МГц, а встроенная высокоскоростная память (до 128 Кбайт флэш-памяти и 20 Кбайт SRAM), богатые расширенные порты ввода-вывода и периферийные устройства, подключенные к двум шинам APB. Все модели устройств включают в себя два 12-битных АЦП, три общих 16-битных таймера и ШИМ-таймер, а также стандартные и расширенные интерфейсы связи: до двух I2C и SPI, три USART, один USB и один can, отвечающие требованиям с точки зрения емкости хранилища и скорости работы.

2,3 мотор и модуль привода

Чтобы повысить мощность системы и снизить энергопотребление, в схеме управления используется микросхема интегральной схемы L298N, основанная на широтно-импульсной модуляции. Наиболее распространенным является L298N в 15-контактном корпусе Muliwart, который содержит четырехканальную логическую схему привода, то есть высоковольтный и сильноточный двойной полный мостовой драйвер с двумя h-мостами, который может управлять двумя двигателями постоянного тока. Чип использует двойной источник питания для источника питания двигателя и источника питания логического уровня и может принимать стандартный сигнал логического уровня TTL для управления двигателями ниже 46 В и 2 А, а также может управлять индуктивной нагрузкой. ENA и ENB — клеммы включения управления, in1, in2, in3 и in4 — входные клеммы уровня управления, схема показана на рисунке 2. В этой конструкции используется двигатель постоянного тока с полой чашкой, который обладает выдающимися энергосберегающими характеристиками, чувствительными и удобными характеристиками управления и стабильными рабочими характеристиками. Максимальная эффективность обычно составляет более 70%, а некоторые продукты могут достигать более 90%; Начните и затормозите быстро и реагируйте очень быстро; Его вес и объем относительно уменьшены на 1/3-1/2, а скважность импульсов регулируется ШИМ.

2.4 модуль инфракрасного обнаружения Модуль инфракрасного обнаружения в основном отвечает за мониторинг и обработку среды лабиринта. Инфракрасный луч модулируется и направляется передающей трубкой, а приемная трубка принимает отраженный свет от стены лабиринта и определяет расстояние от перегородки в соответствии с силой полученного отраженного сигнала. По сравнению с традиционными методами инфракрасного обнаружения система имеет следующие характеристики: (1) количество инфракрасных датчиков увеличено с 5 до 6. В дополнение к двум наклонным углам 45 градусов спереди, слева, справа и спереди добавлена ​​​​группа инфракрасных датчиков спереди. Благодаря объединению информации от двух групп датчиков, расположенных впереди, реализуется наклонное пересечение под углом 45 градусов. По сравнению с предыдущей регулировкой прямого угла на 90 градусов, она экономит время и повышает эффективность.

(2) Принята конструкция усилителя, основанная на сети выбора частоты с двумя частотами, а инфракрасный датчик определяет диапазон между компьютерной мышью и препятствием в соответствии с силой отраженного сигнала. В прошлом использовался встроенный инфракрасный приемный датчик (например, irm8601s), а в приемную головку были интегрированы схема автоматической регулировки усиления, схема полосового фильтра, схема декодирования и схема управления выходом. Однако, поскольку сигнал обнаружения выдает цифровой сигнал, он может только определить, есть ли препятствия или нет, и расстояние не может быть рассчитано в соответствии с выходной мощностью сигнала обнаружения. В этой конструкции схема частотно-избирательного усиления, основанная на частотно-избирательной сети с двумя частотами и tlc084, используется для усиления полезных сигналов с разными частотами и разным усилением, чтобы фильтровать или подавлять бесполезные сигналы.

(3) Передача трех частотно-модулированных волн для уменьшения интерференции между сигналами. Шесть групп датчиков разделены на три группы. Левая и правая группы датчиков отвечают за определение того, ходит ли компьютерная мышь по средней линии, чтобы вовремя произвести коррекцию осанки; Передний левый и передний правый датчики в основном проверяют, есть ли впереди перекресток; Две передние группы датчиков взаимодействуют с двигателем для реализации поворота на 45 градусов. Чем выше частота излучения инфракрасного света, тем дальше расстояние распространения. В этой конструкции, поскольку расстояние между стенками лабиринта составляет 16,8см (ячейка 18см. Толщина стенки 1,2 см), ширина компьютерной мыши обычно составляет около 10 см, а расстояние между корпусом автомобиля и стенами с обеих сторон составляет всего около 3 см, поэтому частоты излучения справа и слева составляют 33 кГц, излучение частоты слева и справа - 35 кГц, а расстояние спереди - самое дальнее. Частота передачи - 38 кГц. Подробности см. на рисунке 3.

В этой конструкции усовершенствована аппаратная схема. Таймер STM32 выдает три сигнала ШИМ. Каждые две группы инфракрасных передающих трубок используют один ШИМ-сигнал и возвращаются после столкновения с препятствиями. Инфракрасная приемная трубка собирает сигнал, усиливает полезный сигнал через усилитель выбора частоты и отправляет его на 12-битный АЦП последовательного приближения STM32. Из-за задержки выпрямления и фильтрации здесь используется выборка переменного тока. АЦП требует 1,5 12,5 циклов АЦП на максимальной скорости и достигает скорости 1 мс на тактовой частоте 14 м АЦП. Схема инфракрасной локации показана на рис. 4. Когда приемная трубка принимает инфракрасное излучение, D2 включается, и чем сильнее отражение, тем меньше сопротивление D2. Когда инфракрасное излучение не принимается, сопротивление D2 бесконечно, что эквивалентно отсечке; Два резистора номиналом 10 кОм R3 и R4 обеспечивают смещение постоянного тока 2,5 В.

3 проектирование системы программного обеспеченияПрограммный модуль является важной частью системы. Компьютерная мышь получает информацию об окружающей среде с помощью инфракрасного обнаружения, чтобы выполнять основные действия, такие как движение вперед, поворот, спринт и остановка. Кроме того, он также получает информацию для осуществления поиска оптимального пути и завершения финального спринта. Этот дизайн использует модульную структуру и вызывает различные функциональные подпрограммы через основную программу. Блок-схема основной программы и блок-схема прерывания показаны на рис. 5 (а) (б).4 Экспериментальная проверка и анализ

(1) Конструкция усиления, основанная на сети частотной селекции, используется в системе измерения дальности инфракрасного датчика. Из-за выбора национального стандарта сопротивления и емкости центральная частота не может быть ниже 38 кГц. Центральная частота сети выбора двойной частоты составляет F0 = 1/2 RC, R/C = 10K/430pf, F0 = 37 кГц. Амплитудно-частотные характеристики, смоделированные в Multisim, показаны на рисунке 6. Аппаратная экспериментальная схема построена, и центральная частота падает не на 37 кГц, а на 30 кГц. Уменьшите значение RC для нескольких тестов. При R/C = 9,1k/430pf центральная частота падает на 38 кГц.

(2) Стенка лабиринта сделана из полого белого пластика и пропускает большую часть инфракрасного света в сочетании с влиянием солнечного света. Следовательно, передающая трубка может быть покрыта черной внешней трубкой, чтобы уменьшить внешние помехи; Микропроцессор ARM генерирует ШИМ-сигнал и отправляет его на передающую инфракрасную трубку, а приемная трубка принимает модулированный инфракрасный сигнал; Преобразование уровня осуществляется триодом, мощность передачи увеличивается регулировочным потенциометром, сигнал настраивается и усиливается до наилучшего диапазона аналого-цифрового преобразования, и достигается желаемая точность обработки. Набор данных о расстоянии измерения инфракрасного излучения и выходном напряжении получают в результате многократных измерений в ходе эксперимента. Принимая расстояние до препятствия s за абсциссу и значение напряжения u после частотно-селективного усиления за ординату, кривую рисуют с помощью MATLAB. Соотношение между значением напряжения и расстоянием составляет u = 0,1195 4,5962 * с-1, как показано на рисунке 7.

(4) Используя функцию таймера STM32, требуемый ШИМ-сигнал модулируется программным обеспечением для управления двигателем и передачи инфракрасного излучения. На рис. 8 показан ШИМ-сигнал канала ch1 таймера 4 с выходной частотой 38 кГц и коэффициентом заполнения 30 %.5 Заключение В данной работе разработана система управления компьютерной мышью на базе stm32f103rct6. На основе моделирования MATLAB и muhisim определены параметры RC сети выбора частоты, а диаграмма взаимосвязи между расстоянием и значением напряжения получена с помощью экспериментов, что отражает хорошие характеристики выбора частоты симметричной сети RC Dual T; Для двигателя и приводного модуля выбран двигатель постоянного тока с полым стаканом, обладающий высокой эффективностью и быстрым откликом. Тест показывает, что проектная схема может соответствовать системным требованиям.