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1、智能循迹避障声控小车设计摘要 系统主要由红外避障模块、声控模块、光电寻迹、电机驱动及语音播报模块组成。 采用P89V51单片机作为智能小车控制核心。系统能实现对线路进行寻迹，小车可以 前进或后退，遇到障碍物可以自行停止并可以实现反向运行，系统可以利用声音控 制小车的启停。整个系统小巧紧凑，控制准确，性价比高，人机互动性好。关键词：P89V51单片机；红外避障；线路寻迹；直流减速电机ABSTRACTSystem is mainly by infrared obstacle avoidance module, voice module, opto-electronics and motor dri
2、ve tracing module. Used as a single-chip smart car P89V51 control core. System can realize the tracing lines, cars can go forward or backward, encountered obstacles can stop and reverse operation can be achieved, the system can use voice to control the start and stop car. Compact the entire system t
3、o control the accurate, cost-effective, good human-computer interaction.KEYWORD: P89V51MCU;Infrared obstacle avoidance； Tracing； DC motor speed目录1 系统设计 11.1 设计要求 11.1.1 基本要求 11.1.2 扩展部分 11.2 总体设计方案 11.2.1 基本模块设计方案论证与比较 11.2.2 系统总体设计方案 52 单元硬件电路设计 62.1 光电对管寻迹模块 62.2 电机驱动电路的设计 62.3 红外避障模块 72.4 单片机 P89
4、V51 核心模块 82.5 声控电路 82.6 语音播报模块 93 系统软件设计 103.1 主程序流程图 103.2 传感器数据处理及寻迹程序流程 114 系统测试 124.1 硬件测试 124.2 硬件与软件的联机测试 125 测试数据及实验结果 13参考文献 141 系统设计1.1 设计要求1.1.1 基本要求1、小车可以自动寻迹在设计好的线路上向前或向后跑。2、拍手的声音可以启动、停止小车运动。3、线路两端有挡板，当小车向一个方向运行到挡板位置停止，然后向反方向续 运行至挡板位置，如此重复。4、小车由电池供电，电池采用1200mah容量，小车运行时间需要持续24小时以 上。5、小车运动
5、速度要控制在O.lm/S以上。1.1.2 扩展部分1、能实现语音播报前后方有障碍物1.2 总体设计方案1.2.1 基本模块设计方案论证与比较（1）车体设计方案 1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机 及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动 车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般 都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保 持坐标转 90度甚至 180 度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力 矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲
6、。因 此我们放弃了此方案。方案 2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动， 后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进 行驱动，车体前部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时 就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度 的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向 轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低 而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑 作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机
7、玻璃。用有机玻璃做的车架比 塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。(2) 电机的选择对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本题目 要实现对寻迹路线的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的 定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点， 步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其 转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了 此方案。方案 2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装 配
8、简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速(减速)齿 轮组，可以产生较大扭力，价格比步进电机要便宜好多。我们所选用的直流电机减速比为1： 74,减速后电机的转速为100r/min。我们的 车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到V=2 nv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，达到设计要求。能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。(3) 电机驱动模块由于电动车采用了前面使用万向轮，两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，所以 可使电动车旋转360度，这样即使前后方都碰到障碍物的时候，电动车也可以通过 在原地不断旋转的方式找到避免撞击障碍物的线路
9、。在电动机的控制上有两种方案 可供选择。方案1：利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路。如果单片机 89C51 控制口输出高电平， 9012 截止， 2SC8050 截止，电机停止运转。单片机 89C52 控制口输出低电平时， 9012 导通， 2SC8050 导通，电机开始运转。该电路比较简 单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并 且电机工作时三极管性能非常稳定。但该方案 中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离， 而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经 常烧坏单片机，功耗很大。方案 2：利用 LM298 及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接LM298的两个输入控制
10、端IN1,IN2。L298的两个输出端OUT1(2),OUT2(10)接电 机。电机转动状态编码：左电机右电机左电机右电机电动车运行状态1IN11IN22IN12IN21010正转正转前行1001正转反转左转1000正转停以左电机为中心原地左转0110反转正转右转0010停正转以右电机为中心原地右转0101反转反转后退1111杀停杀停立刻停止根据上表可知，只要设定两块L298的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四个控制端口的不 同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且L298的最大输 出电流为2.2A，可使电动车快速运行。故采用方案2。(4) 控制器模块方案 1：采用可
11、编程逻辑期间 CPLD 作为控制器。 CPLD 可以实现各种复杂的逻 辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、10资源丰富、易于进行功能扩展。 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控 制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。 且从使用、功耗及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案1：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是16 位控制器，具有体积小、驱动 能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特 点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音 处理和辨识时，由于其占用的CP
12、U资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的 速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片 机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程 的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3： P89V51RD2 是一款80C51 微控制器，包含 16/32/64kB Flash 和 1024 字 节的数据RAM。P89V51RD2 的典型特性是它的 X2 方式选项。利用该特性，设计时可使应用程 序以传统的80C51时钟频率(每个机器周期包含12个时钟)或X2方式(每个机器 周期包含 6 个时钟)的时钟频率运行，
13、选择 X2 方式可在相同时钟频率下获得 2 倍 的吞吐量。从该特性获益的另一种方法是将时钟频率减半而保持特性不变，这样可 以极大地降低电磁干扰(EMI) Flash程序存储器支持并行和串行在系统编程(ISP)。 并行编程方式提供了高速的分组编程(页编程)方式，可节省编程成本和上市时间 ISP 允许在软件控制下对成品中的器件进行重复编程。应用固件的产生/更新能力实 现了 ISP 的大范围应用从方便使用的角度考虑，我们选择了方案 3。(5) 线路跟踪电路方案 1：采用 CCD 单色摄像头，配计算机主板及图像采集卡。对白背景下，黑 线的识别，目前做的比较成熟，效果相当好。但成本高，很难找到合适的载体
14、。方案2：采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也可以。 但几百元的价格及相对复杂的处理电路，并且还需要光源，所以也不是一个很好的 选择。方案 3：采用红外光电发射接收管。该传感器不但价格便宜，容易购买，而且 处理电路简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地引导小车按规定的线路寻迹。 我们选择方案 3。(6) 声控模块方案 1：采用凌阳公司的单片机，在语音识别处理这一块很好。但是当凌阳单 片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处 理其它任务的速度和能力降低。按照设计的要求，用凌阳单片机不仅成本增加，而 且功耗非常大，所以我们放弃选用凌阳单片机处理
15、声音模块。方案 2：采用柱极体传声器和普通的三极管构成的声控电路，电路设计简单， 元器件价格便宜，容易买到。基于低成本、低功耗我们选择方案 2。(7) 语音模块方案一：采用 APR9600 语音录放集成电路。这是一种永久记忆型语音录放电路， 可重复录放 10 万次。该芯片采用多电平直接模拟量存储专利技术，单片电路可录放 3260秒，串行控制时可分256段以上，并行控制时最大可分8段。与ISD同类芯 片相比它具有价格便宜、多种手动控制方式、分段管理方便、多段控制时电路简单 采样速度及录放音时间可调、每个单键均有开始停止循环多种功能等特点。然而其 处理速度有限，无法满足本设计需要寻址操作的需要。方案二：采用ZY1420A语音模块。ZY1420A内部使用ISD1420作为主控芯片，且 具备ISD1420的全部优良性能，如大容量的EEROM存储器，消噪的话筒放大器，自 动增益调节 AGC 电路，专用语音滤波电路，高稳定性的时钟震荡电路和语音处理电 路。除此以外，ZY1420A还对ISD1420的标准外围电路作了优化并全部集成于模块 内部。同用户使用标准ISD1420的DIP40封装IC相
