diy红外避障玩具：“别摸我”小黄人

zada小明

制作材料电路控制部分

• Arduino Mega2560*1
• 红外传感器*3
• 舵机*2
• 扬声器*1
• LM386*1
• 导线、面包板、洞洞板*N
  
  

骨架与装饰材料

• 可乐瓶*1
• 木板*N
• A4纸*N
• 工具部分：
• 彩笔*N
• 锯条、螺丝刀、螺丝钉等常见工具
  
  

实现原理

我们在小黄人的眼睛和双手的位置分别装了三个红外传感器（眼睛里的那个是不是毫无违和感呢，哈哈）。当人手靠近传感器时，传感器的信号会发生变化。Arduino控制器接收到这种变化后，会控制对应的舵机转动到相应的角度，保持一段时间后恢复原位。我们总共有两个舵机，分别控制小黄人的向后倒和左右闪躲。同时，Arduino控制器通过LM386芯片驱动扬声器，播放小黄人笑声的wav音频。

电路控制部分连接红外传感器到Arduino控制器
红外反射式传感器可以发射红外线，并检测红外线是否被反弹回来。这个传感器因为内部已经集成了放大、滤波等电路，使用起来非常方便。传感器有3个引脚，分别是电源、地和信号。经过测量，当传感器前方有遮挡物时，信号线电压变低。

直接将信号线接到Arduino的数字端口上，判断这个数字端口的值是否为0，即可判断传感器前方是否有手靠近了。

如果红外传感器的质量不太好的话（产生的信号电压不稳或者不够低），则可以将信号线连接到Arduino的模拟信号引脚上，使用Arduino的AnalogRead函数（封装好的函数用起来就是简单）就可以读出这个信号线上的电压。设置一个电压阈值，就可以判断传感器前方是否有手靠近了。

连接舵机到Arduino控制器

这里简单描述一下：

舵机收到一个用PWM波模拟的电压值，就会让驱动轴带动舵盘旋转到一个固定的角度。而在Arduino中，完全可以利用封装好了舵机的控制函数，命令舵机转到对应的角度即可。

下图中展示了一个舵机和一系列的舵盘。

这里使用两个舵机分别控制小黄人前后旋转和左右旋转。

结合第一步中的红外传感器，此时便已经可以实现如下功能：

当红外传感器检测到小黄人前方有手时，就命令前后舵机向后转动90度；当左方有手时，就命令左右舵机向右旋转90度；当右方有手时，就命令左右舵机向左旋转90度。

当然，控制逻辑还可以有更多花样。比如，当我使出“双峰贯耳”时，小黄人会前扑进行反击~

PS：舵机在工作时会对电源电压产生一定的干扰，因此需要接电容滤波或者是单独供电。否则会影响红外传感器的正常工作。

连接扬声器到Arduino控制器

由于器材限制，我们采用了比较简单的音频播放方法。使用单片机的PWM波来近似播放PCM编码的单声道音频。为了操作简单（不用外接flash或者ram），我们将音频直接固化在程序中了。

这一段里我将介绍如何产生WAV音频文件、如何将音频文件固化在程序中、如何修改Arduino的PWM波产生函数的基本参数。

之前说了两次Arduino封装函数的方便，这里要来吐槽一下啦：有一些操作，在普通的单片机，包括Arduino套件所采用的AVR中实现比较简单，但是在函数高度封装后的Arduino上，处理起来略有麻烦。

产生WAV音频文件

• 截取：这步比较简单，我是用KMPlayer从电影中抓取了1.5s的小黄人的笑声音频。
• 转码：之后用GoldWave将其转码成WAV格式，参数选择是PCM unsigh 8-bit mono，并将其采样率降低到8KHz（语音信号的采样率的最低要求是6.8KHz，这里就先不多解释了）。8bit单声道的PCM的编码，就是用一个8bit的值表示当时的声音强弱，一秒钟8000个点，我的音频总共12000个点。因此，只要Arduino能够如实的将这12000个点的值变成电压值，去驱动喇叭，就可以发声了。
• 取值：我用ultraedit打开wav文件，在16进制的模式下能看到值，但是无法复制。最后被迫用了matlab去读取wav文件，将12000个值取了出来。如果谁会更简单的方法告诉我一下吧~
  

音频文件固化在程序中

12000个8bit的数的大小约是12KB。Arduino的RAM大小只有8KB，而其程序Flash的大小有128KB。因此最简单的方法就是将它直接写到程序里。

在Arduino中，直接定义数组的方法是：

const byte sound[]={………………………………}；

这样的话，数组中的内容作为变量会被要求加载到RAM，于是RAM就爆了。

固化到程序里的方法是：

#include <avr/pgmspace.h> //开头要引用这个文件const byte sound[] PROGMEM={………………};//定义时候要加上关键字…………a=pgm_read_byte(&sound);//程序中的数组的使用方法用PWM波模拟声音

PWM波使用不同占空比的方波，来模拟不同的直流电压，就可以模拟一个模拟信号。（中文有点怪，英文是emulate an analog signal）

Arduino可以很方便的产生一个指定模拟电压的PWM，使用函数AnalogWrite即可。因此我们让Arduino依次将12000个声音点的值，用PWM波模拟出来，理论上就只要再通过滤波和放大就大功告成了。

这里需要的一个前提是，PWM波的频率要远高于声音的采样频率（8kHz）。否则会很难滤波甚至发生错误。

不幸的是，AnalogWrite中无法指定PWM的频率。查阅资料后发现，PWM波的默认频率只有几百赫兹，因此刚开始实验时喇叭里全是噪声。参考了Arduino的官方网站的使用教程 Adjusting PWM Frequencies 【http://playground.arduino.cc//Main/TimerPWMCheatsheet】中的资料，将PWM波的频率改成312500Hz。终于能够实现声音的播放了。

此时直接将扬声器接到PWM的输出端口上，已经可以听到声音了（扬声器本身的结构具有低通滤波器的特性，可以滤去高频分量）

后续的滤波器以及功放电路就不描述了，时间仓促，设计的也不好。

至此，电路部分已经设计完成。此时用手挡住任何一个红外传感器，均会有一个舵机开始旋转，并且有贱贱的笑声。

机械部分

由于我们没有人是学机械或者设计的，不会画CAD图，无法使用高级的切割设备，只能采用手工加工木板。

舵机的支架和连接装置

• 想在你的项目中用上舵机，就要满足两个条件：一是需要个能把舵机固定到基座上的支架，二是得有个能将驱动轴和物体连在一起的连接装置。支架一般舵机上就有，而且带有拧螺丝用的安装孔。如果你仅仅是测试的话，用点儿热熔胶或者双面泡沫胶带就能轻松的固定住舵机。
• 怎样连接驱动轴呢，你会发现舵机都附带了一些有孔的小东西，这就是舵盘，它可以套在驱动轴，臂上打上了些小孔。你只要用连接棒或者线把物体连到孔上，就可以将舵机的旋转运动变成物体的直线运动了，当然了，选用不同的舵盘或固定孔就能产生不同的运动啦。
• 图示的是几种不同的舵盘。前面4个白色的是舵机附带的舵盘，右边四个是用激光切割机切割塑料得到的DIY舵盘。最右边的2个是舵盘和支架的组合，如果你想实现两个舵机的组合运动，把这个舵盘的支架固定到另一个舵机的支架上就OK了。
  

接下来的机械设计介绍，这可能会是你在果壳中看到的最坑爹的表达方式，大家对着实物图和我画的“伪三视图”努力辨认一下吧…

我们用了两个舵机实现了两个自由度。整个设备从下往上依次是：

• 大木板A
• 一个大木板A上竖直的固定了一个小木板B，固定方式用的是一个直角的金属，名字未知……
• 在小木板B上挖了一个槽，将一个舵机卡到了里面，并用螺丝固定。
• 在舵机的驱动转盘上固定一个小木板C，这个木板会随着这个舵机的驱动转盘实现前后旋转。
• 小木板C上用螺丝固定了第二个舵机。
• 第二个舵机的驱动转盘上固定木条D，这个木条D可以在驱动转盘的带动下，实现左右旋转。
• 在木条D上固定大可乐瓶，在可乐瓶的适当位置开洞，固定3个红外传感器。
• 最后，在可乐瓶外侧，用白纸画上小黄人的外观，就大功告成啦！