金屬探測(cè)聲控避障循跡智能小車

1、金屬探測(cè)聲控避障循跡智能小車金屬探測(cè)聲控避障循跡智能小車隊(duì)員 1：隊(duì)員 2： 隊(duì)員3： 作品類別: 5 自動(dòng)化裝置類摘摘 要：要：本設(shè)計(jì)由聲控模塊，循跡模塊，避障模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，數(shù)碼顯示模塊，穩(wěn)壓模塊，轉(zhuǎn)向燈，報(bào)警器，金屬傳感，舵機(jī)等部分構(gòu)成。本設(shè)計(jì)采用STC89C52作為小車的控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的通訊和控制。聲控部分由聲控模塊完成，循跡部分以紅外循跡傳感器組成，將采集到的數(shù)據(jù)處理后反饋至單片機(jī)，避障部分由超聲波傳感器結(jié)合舵機(jī)組成，電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由L298N模塊完成，顯示部分由數(shù)碼管顯示模塊完成，穩(wěn)壓部分采取經(jīng)典7805控制電路。該小車具有聲控轉(zhuǎn)向、自動(dòng)避障、智能循跡并尋找金屬和報(bào)警的

2、功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化和半自動(dòng)化于一體，基于穩(wěn)定的硬件電路設(shè)計(jì)以及可靠的軟件算法，小車能夠?qū)崿F(xiàn)預(yù)期功能。關(guān)鍵字：循跡；避障；聲控；金屬探測(cè)目錄目錄前言前言.1第第 1 1 章章 整體構(gòu)思整體構(gòu)思.1第第 2 2 章章 方案方案論證論證.22.1 小車主體設(shè)計(jì).22.2 循跡方案.22.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.32.4 壁障模塊 .32.5 聲控模塊 .42.6 顯示模塊.52.7 金屬探測(cè)模塊.52.8 車燈裝飾.5 第第 3 3 章章 最終方案最終方案.5第第 4 4 章章 硬件電路設(shè)計(jì)硬件電路設(shè)計(jì).64.1 電源和主控制器模塊.64.2 顯示模塊.74.3 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.84.4 循跡模塊.94.5

3、 避障模塊.104.6 聲控模塊.114.7 金屬探測(cè)模塊.124.8 車燈模塊.13第第 5 5 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).13參考文獻(xiàn)：參考文獻(xiàn)：.14 前言前言 隨著機(jī)械自動(dòng)化的不斷發(fā)展，人們?cè)诠ぷ鳌⑸畹母鱾€(gè)方面都希望能夠利用自動(dòng)化的操作來提高工作效率，使生產(chǎn)發(fā)展能夠得到不斷的提高。在實(shí)際應(yīng)用中，具有智能化的機(jī)器人在人們無法觸及的工作場(chǎng)合下更是大顯身手，如各種軍事機(jī)器人、勘探機(jī)器人、防暴機(jī)器人等。和我們?nèi)粘Ｉ罡鼮榻咏挠懈鞣N醫(yī)療機(jī)器人、汽車自動(dòng)泊位系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛系統(tǒng)等等。任何一個(gè)機(jī)器人想要實(shí)現(xiàn)智能化就必須能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)外部環(huán)境的自我感知判斷并作出相應(yīng)反應(yīng)，最終完成人們布置的任務(wù)。本設(shè)計(jì)通過

4、對(duì)外部環(huán)境的自我感知問題的分析，制作了一輛金屬探測(cè)聲控避障循跡智能小車。第 1 章 整體構(gòu)思根據(jù)聲控金屬探測(cè)智能小車的功能特點(diǎn)分析，把各功能劃分為尋跡電路，避障電路，聲控電路、舵機(jī)，金屬傳感電路、顯示電路、報(bào)警器電路，轉(zhuǎn)向燈、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以及 MCU 控制模塊六大部分。STC89C52報(bào)警計(jì)數(shù)顯示轉(zhuǎn)向燈電機(jī)驅(qū)動(dòng)金屬傳感模塊聲控模塊循跡模塊避障模塊 圖圖 1-1 總體的設(shè)計(jì)框圖總體的設(shè)計(jì)框圖第 2 章 方案論證2.1 小車主體設(shè)計(jì)（1 1）購(gòu)買小車底盤進(jìn)行購(gòu)買小車底盤進(jìn)行自助裝配自助裝配 采用小車底盤來改裝，加入自己的控制系統(tǒng)以及外圍支持電路，這樣的優(yōu)勢(shì)是，省去了制作車體的功夫。另外小車主體布局

5、需要自己規(guī)劃，以較好地完成任務(wù)。但是小車的造型各異，質(zhì)量參差不齊，選購(gòu)質(zhì)量好的小車價(jià)格偏高，選購(gòu)質(zhì)量差的小車，容易在改裝和調(diào)試過程中想、損壞，而且小車的電路布局受到小車主體的限制。（2 2）自己設(shè)計(jì)小車主體結(jié)構(gòu)自己設(shè)計(jì)小車主體結(jié)構(gòu) 自己設(shè)計(jì)制造小車主體結(jié)構(gòu)，能夠按照布局設(shè)計(jì)思路來完成小車主體結(jié)構(gòu)的調(diào)整，但是自己設(shè)計(jì)的小車難免會(huì)外表粗糙，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。2.2 循跡方案（1 1）使用使用 CCDCCD （CHARGE-COUPLEDCHARGE-COUPLED DEVICEDEVICE，電荷耦合元件）傳感，電荷耦合元件）傳感器來采集路面信息器來采集路面信息使用 CCD 傳感器，可以獲取大量的圖像信息，

6、可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且抗干擾能力強(qiáng)。但是對(duì)于本項(xiàng)目來說，使用 CCD 傳感器也有其不足之處。首先使用 CCD 傳感器需要有大量圖像處理的工作，需要進(jìn)行大量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和計(jì)算。因?yàn)槭且詫?shí)現(xiàn)小車視覺為目的，實(shí)現(xiàn)起來工作量較大，相當(dāng)繁瑣。 （2 2）使用光電傳感器來采集路面信息）使用光電傳感器來采集路面信息使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)

7、的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對(duì)其造成干擾。2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊（1 1）采用采用 L298NL298N 芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的 H 橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。（2 2）對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。2.4 避障模塊方案 1：用漫反射

8、式光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。但漫反射式光電開關(guān)模塊價(jià)格昂貴，占用面積大，不太適合于學(xué)生。因此我們考慮其它的方案。 方案 2：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。 2.5 聲控模塊方案 1：用凌陽(yáng)單片機(jī)自帶的 DSP 語(yǔ)音識(shí)別模塊，其本質(zhì)上是一種多維模式識(shí)別系統(tǒng)與一般的模式識(shí)別系統(tǒng)類似,包括語(yǔ)音預(yù)處理、語(yǔ)音特征提取、語(yǔ)音模

9、式庫(kù)和語(yǔ)音模式匹配等基本單元。 方案 2：采用聲控開關(guān)控制，它是利用感應(yīng)外界聲音來自動(dòng)啟動(dòng)開關(guān)，一種內(nèi)無接觸點(diǎn)，在特定環(huán)境光線下采用聲響效果激發(fā)拾音器進(jìn)行聲電轉(zhuǎn)換來控制用電器的開啟，并經(jīng)過延時(shí)后能自動(dòng)斷開電源的節(jié)能電子開關(guān)。 方案 3：語(yǔ)音模塊，將聲音控制方面分為語(yǔ)音識(shí)別模塊和語(yǔ)音合成模塊，通過兩個(gè)模塊的交互，對(duì)語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別，提取，處理，從而控制小車的前進(jìn)和后退等運(yùn)動(dòng)。語(yǔ)音模塊操作簡(jiǎn)單，功能齊全，靈敏度高。聲控開關(guān)原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便、靈活、但控制效果單一。凌陽(yáng)語(yǔ)音系統(tǒng)復(fù)雜且成本較高、系統(tǒng)控制方面不如 51 單片機(jī)。故選用方案三。2.6 顯示模塊方案 1：用 8 段數(shù)碼管進(jìn)行顯示當(dāng)前時(shí)間以及定時(shí)

10、巡邏時(shí)間方案 2：用液晶 1602 進(jìn)行顯示。 1602 是可以顯示 32 個(gè)字符，分成兩行每行 16 個(gè)字符，體積小巧，低功耗、使用方便。2.7 金屬探測(cè)模塊由高頻振蕩、檢波、放大、觸發(fā)及輸出電路等組成。振蕩器在傳感器檢測(cè)面產(chǎn)生一個(gè)交變電磁場(chǎng)，當(dāng)金屬物體接近傳感器檢測(cè)面時(shí)，金屬中產(chǎn)生的渦流吸收了振蕩器的能量，使振蕩減弱以至停振。振蕩器的振蕩及停振這二種狀態(tài)，轉(zhuǎn)換為電信號(hào)通過整形放大轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制的開關(guān)信號(hào)，經(jīng)功率放大后輸出。2.8 車燈、蜂鳴器裝飾由于單片機(jī)的端口仍有較多剩余，結(jié)合小車的功耗考慮，使用兩個(gè)個(gè) LED 作為轉(zhuǎn)向燈，以蜂鳴器做報(bào)警器，給小車添加些色彩和動(dòng)感。第 3 章 最終方案1、

11、采用購(gòu)買的小車底盤。綜合各種利弊，兼顧小車的成本和質(zhì)量問題，選擇了購(gòu)買小車底盤結(jié)構(gòu)。2、采用紅外對(duì)管進(jìn)行循跡。經(jīng)過綜合考慮，在本設(shè)計(jì)主要采集黑色線路，因而采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。3、L298N 模塊驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。選用了 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。4、用舵機(jī)輔助超聲波模塊避障。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用，選擇超聲波傳感器避障，并且用舵機(jī)輔助超聲波模塊三方位測(cè)定。5、語(yǔ)音模塊實(shí)現(xiàn)聲控。語(yǔ)音模塊操作簡(jiǎn)單，功能齊全，靈敏度高。聲控開關(guān)原理簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便、靈活、但控制效果單一。6、采用 8 段數(shù)碼管顯示信息。由于顯示模塊需要顯示的內(nèi)容比較少，結(jié)合成

12、本控制，選擇用 8 段數(shù)碼管進(jìn)行顯示。7、金屬傳感器探測(cè)。8、采用 LED、蜂鳴器作為點(diǎn)綴裝飾 第 4 章 硬件電路設(shè)計(jì)4.1 主控制器模塊和電源4.1.1 主控制器模塊STC89C52 是 51 內(nèi)核的單片機(jī)。有與 8051 相同的指令系統(tǒng)。所設(shè)計(jì)的 51 最小系統(tǒng)板操作簡(jiǎn)單，使用方便?？梢酝ㄟ^ ISP 在線下載程序。 圖 4-1-1 AT89S52 最小系統(tǒng)4.1.2 電源電源是決定小車性能的關(guān)鍵問題。電源采用 6 節(jié)干電池 8.4 V直流電源,經(jīng) L7805 穩(wěn)壓模塊后輸出 5 V 電壓,供給單片機(jī)及檢測(cè)電路。圖 4-1-2 電源模塊圖 4-1-3 L7805 穩(wěn)壓模塊4.2 顯示模塊顯

13、示電路采用兩位 8 位共陽(yáng) LED 數(shù)碼管，圖 4-2-1 共陽(yáng) LED 數(shù)碼管4.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊小車的動(dòng)力由直流電機(jī)提供，可以通過調(diào)整兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)，后退和原地打轉(zhuǎn)等動(dòng)作。直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速由單片機(jī)提供的脈沖通過控制驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 實(shí)現(xiàn)。設(shè)計(jì)電路如下圖所示。圖 4-3-1 L7805 穩(wěn)壓模塊4.4 循跡模塊(1)傳感器原理循跡模塊與測(cè)速模塊原理一致，由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過外接的電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。 圖

14、4-4-1 傳感器原理 (2)檢測(cè)電路實(shí)際使用發(fā)現(xiàn)紅外對(duì)管在黑色和白色之間切換電阻變化比較小，因此選用電壓比較器 LM339 對(duì)該變化轉(zhuǎn)換為高電平和低電平。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng) “+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于 10MV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339 用在弱信號(hào)檢

15、測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。具體原理圖如下圖所示：圖 4-4-2 檢測(cè)電路原理圖4.5 避障模塊4.5.1 超聲波發(fā)射電路 圖 4-5-1 超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理圖如圖 4-5-1 所示，發(fā)射電路主要由反向器 CD4069 和超聲波換能器構(gòu)成，單片機(jī)的 P3.6 端口輸出 40KHZ 方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反向器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)過兩級(jí)反向器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推挽式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上拉電阻R111，R112 一方面可以提高反向器 CD4069 輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力；另

16、一方面可以增加 超聲波換能器的阻尼效果，以縮短其自由震蕩的時(shí)間。4.5.2 超聲波接受電路圖 4-5-2 超聲波接收電路集成電路 CX20106A 是一款紅外線檢波接收的專用芯片，常用于電視機(jī)紅外遙控接收器?？紤]到紅外遙控常用的載波頻率 38KHZ 與測(cè)距的超聲波頻率 40KHZ 較為接近，可以利用它制作超聲波檢測(cè)接收電路，如圖 4-5-2 所示。實(shí)驗(yàn)證明，用 CX20106A 接收超聲波具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。CX20106 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4-5-2。4.5.3 舵機(jī)舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，用于需要角度不斷變化并可以保持的控制系統(tǒng)。電壓差的正負(fù)輸出到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片決定電機(jī)的

17、正反轉(zhuǎn) 當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速一定時(shí)，通過級(jí)聯(lián)減速齒輪帶動(dòng)電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為 0，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)舵機(jī)的控制信號(hào)是 PWM 信號(hào)，利用占空比的變化改變舵機(jī)的位置。超聲波避障時(shí)需要左右扭動(dòng) 090的角度，探測(cè)四周有無障礙物，舵機(jī)可以提供良好的扭動(dòng)力。圖 4-5-3 舵機(jī)整體圖4.6 聲控模塊通過 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊識(shí)別人發(fā)出的語(yǔ)音指令，控制小車前進(jìn)，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)。SYN6288 語(yǔ)音合成模塊使小車回復(fù)指令。4.6.1 語(yǔ)音識(shí)別模塊LD3320 內(nèi)部集成了快速穩(wěn)定的優(yōu)化算法因此不需要外接FLASH 和 RAM 等存儲(chǔ)設(shè)備，同時(shí) LD3320 也不需要事先訓(xùn)練和錄音完成非特定人的語(yǔ)音識(shí)別，因此 L

18、D3320 的語(yǔ)音識(shí)別比較穩(wěn)定，準(zhǔn)確率也比較高。LD3320 采用并行方式直接與單片機(jī)下年，并采用1K 電阻上拉，A0 用于判斷是數(shù)據(jù)段還是地址段。控制信號(hào)RDB、WRB、CSB、復(fù)位信號(hào) RSTB 以及中斷返回信號(hào) INTB 與單片機(jī)相連。圖 4-6-1 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊4.6.2 語(yǔ)音合成模塊語(yǔ)音合成模塊 SYN6288 可以通過語(yǔ)音合成多種漢字，英文，數(shù)字等等的播報(bào)?？梢灾苯域?qū)動(dòng)喇叭發(fā)出聲音，與 LD3320 語(yǔ)音識(shí)別模塊實(shí)現(xiàn)人機(jī)互動(dòng)。圖 4-6-2 SYN6288 語(yǔ)音合成模塊4.7 金屬探測(cè)模塊圖 4-7-1 金屬探測(cè)模塊原理圖 當(dāng)金屬不靠近探頭時(shí)，高頻振蕩器工作，振蕩信號(hào)經(jīng)DV1、DV2 倍壓整流，得到一直流電壓使 BG2 導(dǎo)通，BG3 截止，后續(xù)電路不工作。當(dāng)有金屬靠近探頭時(shí)，由于渦流損耗，高頻振蕩器停振，BG2 截止，BG3 得電導(dǎo)通，光電耦合器 4N25 內(nèi)藏發(fā)光管發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通接通電路，起開關(guān)作用。 4.8 蜂鳴器、LED圖 4-8-1 蜂鳴器驅(qū)動(dòng)電路圖 第 5 章 軟件設(shè)計(jì)初 始 化 YES、 NO YES NO YES N