金属探测声控避障循迹智能小车分解.docx
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金属探测声控避障循迹智能小车分解
金属探测声控避障循迹智能小
队
队
队
作品类自动化装置
摘要：
本设计由声控模块，循迹模块，避障模块，电机驱动模块，数码显示模块，
稳压模块，转向灯，报警器，金属传感，舵机等部分构成。
本设计采用STC89C52作为小车的控制核心，实现对各个模块的通讯和控制。
声控部分由声控模块完成，循迹部分以红外循迹传感器组成，将采集到的数据
处理后反馈至单片机，避障部分由超声波传感器结合舵机组成，电机驱动部分
由L298N模块完成，显示部分由数码管显示模块完成，稳压部分采取经典7805控
制电路。
该小车具有声控转向、自动避障、智能循迹并寻找金属和报警的功能，实
现自动化和半自动化于一体，基于稳定的硬件电路设计以及可靠的软件算法，
小车能够实现预期功能。
关键字：
循迹；避障；声控；金属探测
前言...............................................................1
第1章整体构思...................................................1
第2章方案论证...................................................2
2.1小车主体设计................................................2
2.2循迹方案....................................................2
2.3电机驱动模块................................................3
2.4壁障模块...................................................3
2.5声控模块...................................................4
2.6显示模块....................................................5
2.7金属探测模块................................................5
2.8车灯装饰....................................................5
第3章最终方案...................................................5
第4章硬件电路设计...............................................6
4.1电源和主控制器模块..........................................6
4.2显示模块....................................................7
4.3电动机驱动模块..............................................8
4.4循迹模块....................................................9
4.5避障模块...................................................10
4.6声控模块...................................................11
4.7金属探测模块...............................................12
4.8车灯模块...................................................13
第5章软件设计..................................................13
参考文献：
........................................................14
前言
随着机械自动化的不断发展，人们在工作、生活的各个方面都
希望能够利用自动化的操作来提高工作效率，使生产发展能够得到
不断的提高。
在实际应用中，具有智能化的机器人在人们无法触及
的工作场合下更是大显身手，如各种军事机器人、勘探机器人、防
暴机器人等。
和我们日常生活更为接近的有各种医疗机器人、汽车
自动泊位系统、自动驾驶系统等等。
任何一个机器人想要实现智能
化就必须能够实现对外部环境的自我感知判断并作出相应反应，最
终完成人们布置的任务。
本设计通过对外部环境的自我感知问题的分析，制作了一辆金属
探测声控避障循迹智能小车。
．
第章整体构思1
根据声控金属探测智能小车的功能特点分析，把各功能划分为寻迹电路，
避障电路，声控电路、舵机，金属传感电路、显示电路、报警器电路，转向灯、
电机驱动电路以及MCU控制模块六大部分。
报警计数显示转向灯电机驱动图
金属传感模块
STC89C52
声控模块
循迹模块
避障模块
1-1总体的设计框图
第章方案论证2
小车主体设计2.1
（1）购买小车底盘进行自助装配
采用小车底盘来改装，加入自己的控制系统以及外围支持电路，
这样的优势是，省去了制作车体的功夫。
另外小车主体布局需要自
己规划，以较好地完成任务。
但是小车的造型各异，质量参差不齐，
选购质量好的小车价格偏高，选购质量差的小车，容易在改装和调
试过程中想、损坏，而且小车的电路布局受到小车主体的限制。
（2）自己设计小车主体结构
自己设计制造小车主体结构，能够按照布局设计思路来完成小车
主体结构的调整，但是自己设计的小车难免会外表粗糙，费时费力。
循迹方案2.2
（1）使用CCD（CHARGE-COUPLEDDEVICE，电荷耦合元件）传感
器来采集路面信息
使用传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的CCD
掌握路径信息，可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面，
而且抗干扰能力强。
但是对于本项目来说，使用传感器也有CCD
其不足之处。
首先使用传感器需要有大量图像处理的工作，CCD
需要进行大量数据的存储和计算。
因为是以实现小车视觉为目的实现起来工作量较大，相当繁琐
）使用光电传感器来采集路面信
使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本
廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于
距离路面情况的检测。
但红外传感器的缺点是，它所获取的信息
不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，
且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件
间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰
电机驱动模2.
）采L298芯片作为电机驱动芯片
L298是一个具有高电压大电流桥驱动芯片，它相应频率高
一L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良
）对于直流电机用分立元件构成驱动电路
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实
应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定
避障模2.
方：
用漫反射式光电开关进行避障。
光电开关的工作原理
根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出
断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。
当有光
线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平
但漫反射式光电开关模块价格昂贵，占用面积大，不太适合于学生
因此我们考虑其它的方案
方：
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理是：
声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，
被超声波传感器接收
声控模2.
方：
用凌阳单片机自带DS语音识别模块，其本质上是一种
多维模式识别系统与一般的模式识别系统类似,包括语音预处理、语
音特征提取、语音模式库和语音模式匹配等基本单元。
方案2：
采用声控开关控制，它是利用感应外界声音来自动启动
开关，一种内无接触点，在特定环境光线下采用声响效果激发拾音
器进行声电转换来控制用电器的开启，并经过延时后能自动断开电
源的节能电子开关。
方案3：
语音模块，将声音控制方面分为语音识别模块和语音合
成模块，通过两个模块的交互，对语音进行识别，提取，处理，从
而控制小车的前进和后退等运动。
语音模块操作简单，功能齐全，灵敏度高。
声控开关原理简单，
操作简便、灵活、但控制效果单一。
凌阳语音系统复杂且成本较高、
单片机。
故选用方案三。
51系统控制方面不如
显示模2.
方：
段数码管进行显示当前时间以及定时巡逻时
方：
用液进行显示是可以显个字符，分3160160
两行每个字符，体积小巧，低功耗、使用方便1
金属探测模2.
由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。
振荡器
传感器检测面产生一个交变电磁场，当金属物体接近传感器检测
时，金属中产生的涡流吸收了振荡器的能量，使振荡减弱以至停振
振荡器的振荡及停振这二种状态，转换为电信号通过整形放大转
成二进制的开关信号，经功率放大后输出
车灯、蜂鸣器装2.
由于单片机的端口仍有较多剩余，结合小车的功耗考虑，使
两个LE作为转向灯，以蜂鸣器做报警器，给小车添加些色彩
动感。
．
第章最终方案3
1、采用购买的小车底盘。
综合各种利弊，兼顾小车的成本和质量问题，选择了购买小
车底盘结构。
2、采用红外对管进行循迹。
经过综合考虑，在本设计主要采集黑色线路，因而采用红外
光电传感器作为信息采集元件。
3、L298N模块驱动直流电机。
选用了L298N作为电机驱动芯片，操作方便，稳定性好，性
能优良。
4、用舵机辅助超声波模块避障。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用，选择超声波传感
器避障，并且用舵机辅助超声波模块三方位测定。
5、语音模块实现声控。
语音模块操作简单，功能齐全，灵敏度高。
声控开关原
理简单，操作简便、灵活、但控制效果单一。
、采用段数码管显示信息。
68
由于显示模块需要显示的内容比较少，结合成本控制，
选择用段数码管进行显示。
8
、金属传感器探测。
7
、采用、蜂鸣器作为点缀装饰LED8
第章硬件电路设计4
主控制器模块和电源4.1
主控制器模块4.1.1
STC89C52是51内核的单片机。
有与8051相同的指令系统。
所
设计的51最小系统板操作简单，使用方便。
可以通过ISP在线下载
程序。
图4-1-1AT89S52最小系统
4.1.2电源
电源是决定小车性能的关键问题。
电源采用节干电池8.46V
直流电源经稳压模块后输出电压供给单片机及检测电路。
VL78055,
图4-1-2电源模块
图4-1-3L7805稳压模块
显示模块4.2
显示电路采用两位位共阳数码管，LED8
图4-2-1共阳LED数码管
电机驱动模块4.3
小车的动力由直流电机提供，可以通过调整两个电机的转速实现
小车的前进，后退和原地打转等动作。
直流电机的转速由单片机提
供的脉冲通过控制驱动芯片实现。
设计电路如下图所示。
L298N
图4-3-1L7805稳压模块
循迹模块4.4
传感器原理
（1）
循迹模块与测速模块原理一致，由于黑色吸光，当红外发射管
发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线
也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的
状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接
收管的电阻就比较小。
图4-4-1传感器原理
检测电路
（2）
实际使用发现红外对管在黑色和白色之间切换电阻变化比较小，
因此选用电压比较器对该变化转换为高电平和低电平。
每个LM339
比较器有两个输入端和一个输出端。
两个输入端一个称为同相输入
端，用“”表示，另一个称为反相输入端，用“”表示。
用作比-+
较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压，另一
端加一个待比较的信号电压。
当“”端电压高于“”端时，输出-+
管截止，相当于输出端开路。
当“”端电压高于“”端时，输出+-
管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别大于10MV
就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把
用在弱信号检测等场合是比较理想的。
具体原理图如下图所LM339
示：
图检测电路原理图4-4-2
避障模块4.5
4.5.1超声波发射电路
图4-5-1超声波发射电路
所示，发射电路主要由反向超声波发射电路原理图如图4-5-1
器CD4069和超声波换能器构成，单片机的P3.6端口输出40KHZ方
波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路
经过两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽式
将方波信号加到超声波换能器的两端可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻
R111，R112一方面可以提高反向器CD4069输出高电平的驱动能力；
另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，以缩短其自由
震荡的时间。
超声波接受电路4.5.2．
图4-5-2超声波接收电路
是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于集成电路CX20106A
电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38KHZ与
测距的超声波频率40KHZ较为接近，可以利用它制作超声波检测接
收电路，如图4-5-2所示。
实验证明，用CX20106A接收超声波具有
很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。
CX20106芯片的内部结构如图
4-5-2。
舵机4.5.3
舵机是一种位置伺服的驱动器，用于需要角度不断变化并可以
保持的控制系统。
电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正
当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得反
电压差，电机停止转动舵机的控制信号PW信号，利用占
比的变化改变舵机的位置。
超声波避障时需要左右扭0~90°的
度，探测四周有无障碍物，舵机可以提供良好的扭动力
图4-5-3舵机整体图
声控模块4.6
通过语音识别模块识别人发出的语音指令，控制小车LD3320
前进，后退，左转，右转。
语音合成模块使小车回复指令。
SYN6288
4.6.1语音识别模块
内部集成了快速稳定的优化算法因此不需要外接LD3320
和等存储设备，同时也不需要事先训练和录RAMFLASHLD3320
音完成非特定人的语音识别，因此的语音识别比较稳定，LD3320
准确率也比较高。
采用并行方式直接与单片机下年，并采用LD3320
电阻上拉，用于判断是数据段还是地址段。
控制信号1KA0
、、、复位信号以及中断返回信号与单INTBRSTBRDBWRBCSB
片机相连。
图4-6-1LD3320语音识别模块
4.6.2语音合成模块
语音合成模块SYN6288可以通过语音合成多种汉字，英文，数
字等等的播报。
可以直接驱动喇叭发出声音，与LD3320语音识别模
块实现人机互动。
图4-6-2SYN6288语音合成模块
金属探测模块4.7
图4-7-1金属探测模块原理图
当金属不靠近探头时，高频振荡器工作，振荡信号经
、倍压整流，得到一直流电压使导通，截止，BG2DV1DV2BG3
后续电路不工作。
当有金属靠近探头时，由于涡流损耗，高频振荡
器停振，截止，得电导通，光电耦合器内藏发光管4N25BG2BG3
发光，光敏三极管导通接通电路，起开关作用。
蜂鸣器、LED4.8
图4-8-1蜂鸣器驱动电路图
第章软件设计5
化始初
小车停，蜂鸣器报警，方式1金属探测YES
NO、YES方式2声控
NOYES避障3方式
NOYES方式4循迹
参考文献
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