2017毕业论文-基于AT89S51单片机的智能娃娃设计.doc

防灾科技学院毕业设计毕 业 设 计题目基于AT89S51单片机的智能娃娃设计 学生姓名学号系 别专 业班级开题时间答辩时间指导教师职 称基于AT89S51的智能娃娃设计作 者 指导教师 摘要 本课题是基于at89s51单片机所设计的一种能自动循迹的智能机器人，其通过红外发射和接收管收集信号，并将信号转化为能够被单片机识别的数字信号。单片机控制机器人的行进、转弯、探测铁片和停止。机器人行进过程中可对一些数据进行处理，如记录和显示小车运行的时间，行进过程中的声光提示。关键词：AT89S51单片机；智能娃娃；红外线传感器；无线遥控Abstract The design for the control of AT89S51 microcontroller core, made by design to achieve wireless remote control-driven, voice, and flashing lights, and Avoidance by infrared sensors and other functions to achieve the smart doll. AT89S51 microcontroller design idea is to use the main control system, installed by the body following the two red left and right external fat pipe to achieve the robots obstacle avoidance capabilities, with wireless remote control to control the robot microcontroller driver will be received by the sensor unit To transfer the signal to the microcontroller from the outside world analysis and processing, and through the voice and display unit intelligent doll voice and lights flashing.Keywords：AT89S51Microcontroller;Intelligent;InfraredSensor;Wireless remote control21目 录引言11.设计思想与总体方案11.1 智能娃娃的设计思想11.2各模块分析选择11.3 总体设计方案和框图32.硬件设计42.1系统的硬件组成及设计原理42.2 单片机控制单元42.3电机控制单元92.4 红外避障单元122.5语音控制单元142.6传感器单元152.7键盘输入单元162.8显示单元162.9声光报警单元162.10电源单元173.系统的软件设计17结论18致谢19参考文献19引言机器人是现代社会的一个新的智能产品，也是智能产品发展的方向。他能按照预先设定的特定环境下，自动操作，无需人工管理，就可以完成预计的目标。我国自70年代末就已经把“智能模拟”作为国家科学技术发展规划的主要研究课题，并开始着力研究智能化。从实验室研究了智能实现的概念到目前的高端应用的推出，为智能产品的全面发展奠定了坚实的基础。综合智力的发展是实现其合理性，以最少的投资资源和充分利用，获得最大的效益，大大提高了工业生产，工业生产水平之前，从自动升级生产智力水平达到实现今天效率的智能流行的发展1。从以往的模拟电路设计，数字电路设计，芯片集成到当前应用程序，实现各组成部分的相同的功能的元件越来越小，为生产的智能产品打下了良好的物质基础。本次毕业设计是对普及和全面发展过程中的智能产品的全面应用。发展的目的很简单，选择的平台和适当的、合理的电子元件，不需要花太多的要求，就能实现人力和财政资源所需要的每个执行功能，也符合本研究的意义线。同时容易理解低成本机器人可以作为玩具的对象发展为中国的玩具市场，一个缺乏一定的技术含量来弥补，以实现经济利益，商业价值的形成。同时作为毕业设计的研究课题同时，可以调动学生的学习思维和实践能力。1.设计思想与总体方案1.1 智能娃娃的设计思想设计主要以简易智能机器人为开发平台，选择课题给定的AT89S51单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器技术、电机控制技术、无线通信技术等相关知识实现智能娃娃的各种功能。设计完成实现本机器人能在指定区域内沿指定线行走，自动绕开障碍，同时发出声光指示信息，并能实时储存、显示检测到的断点数目以及各断点至起跑线间的距离，最后能停在指定地点，显示出整个运行过程的时间2。1.2各模块分析选择1.2.1 主控单元方案比较与选择方案一：选择采用各种数字电路来组成智能娃娃的控制系统，对外部的避障信号、无线遥控信号，语音控制信号进行相应处理。但由于本方案电路比较复杂，灵活性不够高，效率又低，因此，不利于娃娃智能化的扩展，并且对各电路信号处理起来比较困难。方案二：选择采用AT89S51单片机来作为整个机体的控制单元。红外线探头想采用比较上通用的发射管和接收头，经过比较，芯片调制处理后将由控制系统来接收。而路线寻则找采用红外线管对路面信号的采集，然后送到单片机系统进行处理，包括无线遥控信号和语音控制信号。此系统相对方案一比较灵活，利用软件方法来解决复杂的硬件部分，使各类功能易于实现，系统硬件简洁化，因此能更好地满足论文题目所给的要求。通过比较上面两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，更可能实现题目给定的设计要求，因此采用方案二来实现。1.2.2 寻迹单元方案比较与选择方案一：采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。由于光敏二极管受可见光的影响较大，并且稳定性差，因此此方案不适宜。方案二：利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外线发射管发射红外线，然后红外线二极管进行接收红外线。采用红外线发射，利用外界可见光对接收信号的影响较小，再用射极输出器对信号进行分析隔离。本方案较易于实现，比较可靠，因此采用方案二。当机器人底部的某边红外线收发两管遇到黑色带时，机器人可以检测到输入电平为高电平，反之则为低电平。结合单片机的查询方式，通过程序来控制机器人哪一边驱动转动以至改变行进方向。这样不断循环的检测接受，控制好前进方向，就可以使机器人沿着黑色线行走。1.2.3 避障单元方案比较与选择方案一：采用超声波来避障，但受环境影响较大的超声波，电路相对复杂，并且地面对超声波有反射作用，将会影响到整个系统对障碍物的判断。方案二：利用红外避障，用微控制器来产生38KHz红外线发射控制信号调制发射，红外线发射出来的红外线遇到障碍物时，面对的反射回来的红外进行接收解调，再输出比较两者的电平。而且外界对红外信号干扰比较小，且易于实现，价格相对便宜，因此采用方案二。红外线避障是采用一管发射用另一管接收的方法，利用接收管对外界的红外线接收的强弱来判断障碍物的远近，但由于红外受外界可见光的因素影响比较大，因此通过调制信号利用单片机产生38KHz的载波来减少外界的一些干扰。1.2.4 遥控单元方案比较与选择方案一：采用红外遥控系统，由发射和接收两大部分组成，利用编/解码专用集成电路芯片来操控，发射部分包括编码调制、键盘矩阵、LED红外发送器；接收部分包括外界光、解调、电转换放大器、解码电路等。这套方案结构较为复杂，而且在实现的时候必须将遥控器前的红外发射孔对准接收管才行，因此不方便实现。方案二：采用无线电遥控，由发射和接收两大部分组成，由于无线电遥控模块在市面上非常普及，而且无线电遥控有传输距离远、抗干扰能力强、无方向性等优点，对于机器人的操作控制是一个很好的选择4。方案三：采用超声波来传送指令进行遥控。采用AX5326与AX5327等构成的遥控系统具有体积小、功耗低、功能强大、抗干扰能力强等几大优点。但要实现超声波来遥控，价格相对来说较上面两种价格昂贵，不利益机器人的推广。结合以上三种方案，最后选择用无线电遥控，因为无线电遥控电量、发射、接受功率都较小，一般的小障碍也都能穿过，而且遥控无方向性。采用TDL-9915接收模块带有PT2272解码和TDL9988-4发送模块带有PT2262编码来完成。1.2.5 语音控制单元方案比较与选择方案一：采用柱极式话筒产生不同频率信号，实现声音提示，经过放大处理整形后将产生一个脉冲电平输入给单片机完成声音的提示功能。此方案给人以提示的可懂性比较差，但在一定程度上能实现题目所给的要求，且易于实现，成本也不算高。方案二：采用DS1420可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，也可以实现更多电平转换以让单片机控制，但DS1420录放音模块的价格相对昂贵，程序编制过程也相对复杂，因此方案二性价比不如方案一。柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大信号，使信号通过整流的二极管得到一个脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。1.3 总体设计方案和框图本设计以AT89S51单片机作为检测和控制核心。采用红外光电传感器检测路面黑线以及障碍物，应用光电码盘测距，用光敏电阻检测、判断车库位置，利用脉宽调制技术动态控制电动机的转动方向和转速。通过软件编程实现机器人行进、绕障、停止的精确控制以及检测数据的存储、显示。通过对电路的优化组合，可以最大限度地利用51单片机的所有资源。P0口用于数码管显示，P1口用于电动机的PWM驱动控制，P2，P3口用于传感器的数据采集与中断控制。这样做的好处在于：充分利用了单片机的内部资源，同时降低了总体设计的成本。该系统总体方案见图1-1图1-1 系统总体方案2.硬件设计2.1系统的硬件组成及设计原理此系统的硬件部分由单片机单元、传感器单元、电源单元、声光报警单元、键盘输入单元、电机控制单元和显示单元组成，如图2-1所示。图2-1 系统的硬件组成2.2 单片机控制单元本系统采用AT89S51单片机作为中央处理器。其主要任务是启动机器人，在机器人行走过程中不断读取传感器收集到的数据，再将数据进行处理，根据不同的情况产生占空比不同的PWM脉冲来控制电机，同时将相关数据送显示单元动态显示，并且产生声光报警信号。AT89S51方框图如图2-2：图2-2 AT89S51方框图2.2.1 AT89S51的特点AT89S51具有如下特点：40个引脚，4k Bytes Flash片内程序存储器，128 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个 全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。其中，P0用于数码管动态显示，P10P15控制2个电机，P16、P17为独立式键盘接口，P2接传感器，P32接计里程的光电码盘，P37接声光报警单元，P34、P35、P36接用于显示断点数目的发光二极管。端口引脚如图2-3；引脚第二功能如图2-4。图2-3 AT89S51引脚图图2-4 端口引脚第二功能AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS 8位单片机，片内含4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISP Flash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用AT89S51的IO端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映【3】。此外，AT89S51设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU暂停工作，而RAM定时计数器，串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据，停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式，以适应不同产品的需求。图形分别如图2-5、2-6、2-7：图2-5 PDIP图2-6 PLCC图2-7 TQFP2.2.2 单片机的时钟电路单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取30PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更好地保证震荡器稳定和可靠地工作【4】。2.2.3单片机的复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在RST引脚出现大于10MS的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态。下图为上电复位及按钮复位的一种实用电路。复位电路如图2-8：图2-8 复位电路图上电时，+5V电源立即对单片机芯片供电，同时经电阻R对电容C3充电。C3上电压建立的规程就产生一定宽度的负脉冲，经反向后，RST上出现正脉冲使单片机实现了上电复位。按钮按下时，RST上同样出现高电平，实现了按钮复位。在应用系统中，有些外围芯片也需要复位。如果这些芯片复位端的复位电平和单片机一致，则可以与单片机复位脚相连，因此，非门在这里不仅起了反向作用，还增大了驱动能力，电容C1，C2起虑波作用，防止干扰窜入复位端产生误动作。2.3电机控制单元2.3.1电机单元5本机器人采用了双电机双轮驱动的小车作为其底座。2个电机分别独立控制其左右两边的车轮，靠两边电机的转速的不同来实现转弯功能，还可让其原地转弯，便于控制。而传统的小车是靠动力电机和转向电机驱动，转弯角度难以控制，不便于使用。电机控制电路采用大功率对管BDl39、BDl40组成的H型驱动电路，通过单片机产生占空比不同的PWM脉冲，精确调整电机的转速。这种点路由于工作在晶体管饱和或截止状态，避免了在线性放大区工作时晶体管的管耗，可以最大限度地提高效率；H型电路保证了可以简单地实现电机转速和方向的控制；电子开关的速度和稳定性也完全可满足需要，整套驱动电路是一种被广泛采用的电机驱动技术。电路如图2-9。图2-92.3.2 无线遥控单元无线电遥控由发射机、接收机及执行机构三部分组成。图2-10 是无线电遥控设备图。图中发射机主要包括编码电路和发射电路。编码电路由操纵器(操纵开关或电位器等)控制，操纵者通过操纵器；使编码电路产生所需要的控制指令。这些控制指令是具有某些特征的、相互间易于区分的电信号，例如：用频率为270Hz的正弦信号作为控制左舵的指令，用频率为350Hz的正弦信号作为控制右舵的指令，即不同频率的正弦信号代表不同的控制指令。除了可利用频率特征外，还可用正弦信号的幅度及相位特征、脉冲信号的幅度、宽度及相位特征以及码组特征等表示各种指令6。图2-10 无线电遥控设备方框图编码电路产生的指令信号都是频率较低的电信号，无法直接传送到遥控目标上去，还要将指令信号送到发射电路，使它载在高频信号(载波)上，才能由发射天线发送出去。我们把指令信号载到载波上去的过程叫调制，调制作用由发射电路的调制器完成。发射电路的主要作用是产生载波，并由调制器将指令信号调制在载波上，经天线将已调载波发送出去。接收机由接收电路及译码电路组成。接收电路又包括高频部分及解调器部分。由接收天线送来的微弱信号经接收机高频部分的选择和放大后，送到解调器。由于“卸”下来的各种指令信号是混杂在一起的、还要送到译码电路译码。译码电路的工作就象把卸下来的货物鉴别分类，再分别送到使用场地一样，它对各种指令信号进行签别，送到相应的执行放大电路。执行放大电路把指令信号放大到具有一定的功率，用以驱动执行机构。执行机构将电能转变为机械动作，例如电机的转动、电磁铁的吸动等，带动被控的调节机构，从而实现对被控目标的控制7。本模块采用的无线遥控是市场上现成的带有PT2272解码的TDL-9915接收模块和带有PT2262编码的TDL9988-4发送模块，如图2-11：图2-11 TDL-9915和TDL9988-4 PT2262/2272 芯片介绍：编码芯片PT2262 发出的编码信号由：地址码、数据码、同步码组成一个完整的码字，解码芯片PT2272 接收到信号后，其地址码经过两次比较核对后，VT 脚才输出高电平，与此同时相应的数据脚也输出高电平，如果发送端一直按住按键，编码芯片也会连续发射8。当发射机没有按键按下时，PT2262 不接通电源，其17 脚为低电平，所以315MHz 的高频发射电路不工作，当有按键按下时，PT2262 得电工作，其第17 脚输出经调制的串行数据信号，当17 脚为高电平期间315MHz 的高频发射电路起振并发射等幅高频信号，当17 脚为低平期间315MHz 的高频发射电路停止振荡，所以高频发射电路完全收控于PT2262 的17 脚输出的数字信号，从而对高频电路完成幅度键控（ASK 调制）相当于调制度为100的调幅。PT2262引脚如图2-12：图2-12 PT2262引脚图PT2272解码芯片有不同的后缀，表示不同的功能，有L4/M4/L6/M6之分，其中L表示锁存输出，数据只要成功接收就能一直保持对应的电平状态，直到下次遥控数据发生变化时改变。M表示非锁存输出，数据脚输出的电平是瞬时的而且和发射端是否发射相对应，可以用于类似点动的控制。后缀的6和4表示有几路并行的控制通道，当采用4路并行数据时（PT2272-M4)，对应的地址编码应该是8位，如果采用6路的并行数据时(PT2272-M6)，对应的地址编码应该是6位9。PT2272引脚如图2-13：图2-13 PT2272解码电路引脚图编码电路PT2262和解码PT2272的第18 脚为地址设定脚，有三种状态可供选择：悬空、接正电源、接地三种状态，只有发射端PT2262和接收端PT2272的地址编码完全相同，才能配对使用。同一个系统地址码必须一致，不同的系统可以依靠不同的地址码加以区分。2.4 红外避障单元红外避障模块主要实现娃娃行径的避障处理，当机器人检测到前面有障碍物时，由单片机发出指令实现机器人停止功能。其实现原理与红外线对管寻迹模块基本一致，只是为了实现更好的避障效果（主要是距离问题），所以采用了自制红外接发电路。2.4.1 红外避障电路介绍本模块主要有两部分组成，38KHZ的红外发射模块和接收比较模块，采用38KHZ频率段是能有效的排除可见光的干扰，实现避障有效距离50CM左右，更好的完成对电机的控制。图2-13是红外线避障电路原理图。通过555芯片组成多谐振荡器，根据式（2-1）可设计出38KHZ方波信号 （2-1）图2-13 红外线避障电路原理图接通电源后，电容C被充电当2脚上升到2/3，使3脚为低电平，同时内部三极管T导通，此时电容C通过和T放电，下降，当下降到/3时，翻转为高电平。当放电结束时，T截止，通过、向电容C充电，上升到/3时，电路又翻转为低电平，如此周而复始，于是，在电路的输出端就得到一个周期性的矩形波，由3脚输出，再通过三极管9013驱动后由发射管发出并由接收模块接收实现单片机控制10。2.4.2 555芯片工作原理NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器，其输出驱动电流可达200MV。在多谐振荡器工作方式时，其输出的脉冲占空比由两个外接电阻和一个外接电容确定；在单稳态工作方式时，其延时时间由一个外接电阻和一个外接电容确定，可延时数微秒到数小时11。工作电压范围：4.5V16V。555内部框架如图214 。图2-14 555内部框架图其中，2脚的功能为触发，5脚功能为控制电压，6脚功能为阀值，7脚功能为放电端。2.5语音控制单元本模块为机器人的附加功能模块，主要采用柱极式话筒接收声波信号，通过三极管放大电路放大信号，使信号经过电容和整流的二极管得到一个电压峰值为一伏的脉冲信号，并经过74HC04取反后供单片机控制，实现语音控制。语音制模块原理图如图2-15：图2-15 语音控制模块原理图其中图中P15为连接柱极式话筒的接口，P16为电源接口，R23的作用是调节话筒的灵敏度，C7则是用来滤除波形中的直流部分。中间电路为典型的三极管共e极放大电路，其放大倍数可以根据R24和R25来确定。但由于9013管的自身特性，使的其最大的放大电压为1伏，经过电容的整形形成直流电压输入二极管。当话筒没有接受到一定强度的声波时，由于二极管的管压降，使电压不能经过其到非门芯片而让芯片输出电平为数字“1”，但当话筒接收到的声波信号经放大后超过二极管的管压降，非门的输入端上有一个正电压，而使输出端为低电平“0”，实现跳变触发的产生，进而让单片机的中断口进行判断，作出响应，实现语音控制。2.6传感器单元整个机器人共采用了8个传感器，分布在整个机器人的不同部位，相互配合起不同的作用，如图2-16。图2-16 各传感器单元传感器1置于机器人正后方的光电码盘，用于计里程，借助于鼠标原理，选用直径为26 cm的塑料小轮自制光电码盘，经过打磨使其周长为8 cm，再在该小轮上打等距离的8个孔，如图5所示。最小测距精度可达到1 cm，足以满足要求，两侧装上光电传感器，将其安装在车尾，使之与车的行驶同步。就实际情况自制出来的各个孔之间的距离无法精确相等，但经过具体测量该光电码盘，能保证行驶50 cm产生50个脉冲，于是采用其作为计算距离的基准单位12。在直道区，可由该电路产生的脉冲数，计算出铁片中心线至起跑线间的距离。 传感器2 、3置于机器人正前方朝下的红外光电传感器，用于检测停止线。红外发射管发出信号，经不同的反射介质反射，根据红外接收管是否接收到信号做出相应的判断。 传感器4、5置于机器人底座下方朝下的红外光电传感器，用于检测地面的引导线，原理同传感器2、3。 传感器6、7置于机器人正前方朝前的光敏电阻传感器，用于寻找光源。当机器人前方有光源照射时，光敏电阻的大小将会改变，将2个传感器的改变量进行比较处理后送入单片机，单片机将会产生相应的调整信号，使机器人朝光强的方向行走。 传感器8置于机器人后方两侧朝外的超声波传感器，用于在机器人遇到障碍物时的转弯处理，判断机器人是否完全绕开障碍物，原理同传感器2。此外，为了清楚直观地观察到各传感器的工作状态，电路中还专门为每个传感器设计了工作指示灯，实时显示每个传感器的工作状态。2.7键盘输入单元键盘输入单元采用独立式键盘，由2个按键组成，其中一个为启动键，另一个为显示切换键，当机器人行走完全程后，按下该键，将显示整个行走过程的时间。2.8显示单元根据设计的要求，显示系统采用4个LED数码管来显示时间，为了减少整个系统的功耗，采用了由单片机软件译码，动态显示，实时显示每个断点到起点的距离以及整个运行过程的时间。数码管显示电路图如图2-17：图2-17 数码管显示电路图2.9声光报警单元灯光模块采用8个发光二极管，实现小灯以0.2秒为间隔循环闪烁，与单片机P1.0P1.7相连通过对P口高低电平的设定来控制二极管的导通与关断。普通发光二极管压降为1.62.1V，正向工作电流为520mA。而在51系列单片机中高电平一般在3伏以上所以理论上可以使二极管正常工作。但不排除电压电流不满足条件的情况，所以还可采用输出端接二极管的负极，其正极串联一个适当大小的电阻再与电源正极相接。端口输出低电平时点亮二极管。此部分声音模块相对来讲简单很多，我就是采用单片机与蜂鸣器的连接，然后用单片机编程，通过蜂鸣器的发声，实现了小车的音乐播放。本次设计的智能小车的音乐曲子用的是世上只有妈妈好这个音乐来实现小车的音乐播放。2.10电源单元由于机器人需要供电，分为电池和稳压两个部分，我通过测试考虑采用9V干电池为直流电机供电，将9V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。干电池以强大的电流驱动能力和稳定的电压输出性能胜出。虽然9V的干电