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车

队员 1：

队员 2：

队员3：

作品类别:

 5 自动化装置类

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 1 章整体构思

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。

金属传感模块

声控模块

循迹模块

避障模块

STC89C52

图 1-1 总体的设计框图

报警

计数显示

转向灯

电机驱动

第 2 章方案论证

2.1 小车主体设计

（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。

2.2 循迹方案

（1）使用 CCD （CHARGE-COUPLED DEVICE，电荷耦合元件）传感

器来采集路面信息

使用 CCD 传感器，可以获取大量的图像信息，可以全面完整的

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 CCD传感器也有

其不足之处。

首先使用 CCD传感器需要有大量图像处理的工作，

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。

（2）使用光电传感器来采集路面信息

使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低

廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近

距离路面情况的检测。

但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是

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，而

且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之

间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。

2.3 电机驱动模块

（1）采用 L298N 芯片作为电机驱动芯片。

L298N 是一个具有高电压大电流的 H 桥驱动芯片，它相应频率高，

一片 L298N 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。

（2）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，在实际

应用中应用广泛。

但是这种电路工作性能不够稳定。

2.4 避障模块

方案 1：

用漫反射式光电开关进行避障。

光电开关的工作原理是

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判

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。

方案 2：

用超声波传感器进行避障。

超声波传感器的原理是：

超

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，再

被超声波传感器接收。

2.5 声控模块

方案 1：

用凌阳单片机自带的 DSP 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、

系统控制方面不如 51 单片机。

故选用方案三。

2.6 显示模块

方案 1：

用 8 段数码管进行显示当前时间以及定时巡逻时间

方案 2：

用液晶 1602 进行显示。

 1602 是可以显示 32 个字符，分成

两行每行 16 个字符，体积小巧，低功耗、使用方便。

2.7 金属探测模块

由高频振荡、检波、放大、触发及输出电路等组成。

振荡器在

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面

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换

成二进制的开关信号，经功率放大后输出。

2.8 车灯、蜂鸣器装饰

由于单片机的端口仍有较多剩余，结合小车的功耗考虑，使用

两个个 LED 作为转向灯，以蜂鸣器做报警器，给小车添加些色彩和

动感。

第 3 章最终方案

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。

6、采用 8 段数码管显示信息。

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 8 段数码管进行显示。

7、金属传感器探测。

8、采用 LED、蜂鸣器作为点缀装饰

第 4 章硬件电路设计

4.1 主控制器模块和电源

4.1.1 主控制器模块

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 6 节干电池 8.4 V

直流电源,经 L7805 稳压模块后输出 5 V 电压,供给单片机及检测电路。

图 4-1-2电源模块

图 4-1-3 L7805 稳压模块

4.2 显示模块

显示电路采用两位 8 位共阳 LED 数码管，

图 4-2-1 共阳 LED 数码管

4.3 电机驱动模块

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 L298N 实现。

设计电路如下图所示。

图 4-3-1 L7805 稳压模块

4.4 循迹模块

（1）传感器原理

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

（2）检测电路

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 LM339 对该变化转换为高电平和低电平。

每个

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

LM339 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

示：

图 4-4-2 检测电路原理图

4.5 避障模块

4.5.1 超声波发射电路

图 4-5-1 超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图 4-5-1 所示，发射电路主要由反向

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。

4.5.2 超声波接受电路

图 4-5-2 超声波接收电路

集成电路 CX20106A 是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于

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。

4.5.3 舵机

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

反转 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

电压差为 0，电机停止转动舵机的控制信号是 PWM 信号，利用占空

比的变化改变舵机的位置。

超声波避障时需要左右扭动 0~90°的角

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

4.6 声控模块

通过 LD3320 语音识别模块识别人发出的语音指令，控制小车

前进，后退，左转，右转。

SYN6288 语音合成模块使小车回复指令。

4.6.1 语音识别模块

LD3320 内部集成了快速稳定的优化算法因此不需要外接

FLASH 和 RAM 等存储设备，同时 LD3320 也不需要事先训练和录

音完成非特定人的语音识别，因此 LD3320 的语音识别比较稳定，

准确率也比较高。

LD3320 采用并行方式直接与单片机下年，并采用

1K 电阻上拉，A0 用于判断是数据段还是地址段。

控制信号

RDB、WRB、CSB、复位信号 RSTB 以及中断返回信号 INTB 与单

片机相连。

图 4-6-1 LD3320 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 4-6-2 SYN6288 语音合成模块

4.7 金属探测模块

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

DV1、DV2 倍压整流，得到一直流电压使 BG2 导通，BG3 截止，

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，BG2 截止，BG3 得电导通，光电耦合器 4N25 内藏发光管

发光，光敏三极管导通接通电路，起开关作用。

4.8 蜂鸣器、LED

图 4-8-1 蜂鸣器驱动电路图

第 5 章软件设计

初 始 化

金属探测

YES

方式 1

小车停，蜂鸣器报警，

、NO

YES

声控方式 2

NO

数码管计数并显示

行驶声控命令，实现

转向、前进、后退等

功能

避障

YES

方式 3

绕开障碍物

NO

YES

循迹

方式 4

寻迹黑线，实现定位

泊车

参考文献

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2001—07. 256~271

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年

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[12]马忠梅等.单片机的 C 语言应用程序设计[M].北京航空航天大

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