毕业设计（论文）-智能玩具车系统设计.doc

毕业设计说明书（论文）智能玩具车系统设计摘要：本文主要以单片机为控制核心，完成无线遥控，红外线对管的自动寻迹，红外线自动避障和语音控制等模块设计。通过调试检测各模块，得到正确的信号输出，通过单片机的控制，将各模块有效整合在一起，达到智能控制目标。关键词：51单片机 红外线传感器 语音控制 玩具小车。1引言随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本文设计的智能玩具小车应该能够实时显示时间、速度、测距、避障功能、准确定位停车。根据题目的要求，本设计的设计思路如下：在现有玩具车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。2总体方案设计2.1方案一：采用at89c51单片机作为整机的控制单元以at89c51单片机为核心的控制电路，采用模块化的设计方案，运用光电传感器、金属探测传感器、超声波传感器组成不同的检测电路，实现小车在行驶中自动寻迹、障碍物报警、测量里程等问题。并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动小车的智能化控制。在本系统中，先将信号传送到单片机系统进行处理，使小车沿轨道自主行走；电感式接近开关电路代替传感器探测障碍物，并发出声光信息进行提示；通过霍尔元件测量小车行驶里程；采用h型脉冲宽度调制（pwm）全桥式驱动电路控制电机的转向，实现电动小车的正反向行驶、快慢速行驶及转弯；采用lcd1602实时显示小车行驶的时间。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，具有高度的智能化、人性化，一定程度体现了智能，能满足系统的要求。此方案如图1所示：图1方案一原理图2.2 方案二：采用类数字电路来组成电动小车的控制系统采用数字电路对外围探测轨迹信号，检测信号，避障报警信号，寻找源信号分部进行处理。但对输入输出都是模拟量的小装置，如果采用数字化方案，则要先用a/d转换器将模拟量转换为数字量，经过数字电路处理后，再经d/a转换器将数字量转换为模拟量。这样必然带来高成本、电路复杂等缺点。因此，本方案灵活性不高，效率低，不利于电动小车智能化的扩展。同时，对各路信号处理也比较困难。比较以上两种方案的优缺点，方案一简洁、灵活、可扩展性好，能达到设计要求，因此本设计采用方案一来实现。3分电路设计与论证硬件设计是整个系统设计的基础，只有在系统硬件设计可行，稳定，可靠的前提下，其他设计方案才得以继续。系统硬件设计包括单片机（主控），旋转编码器（速度检测），sd卡（大量数据存储），无线抄表（数据是我无线收发），直流电机，电源等组成。本系统采用at89c51单片机作为中央处理器。其主要任务是在小车行走过程中不断读取传感器采集到的数据，将得到的数据进行处理后，来控制小车行走，同时将相关数据送显示单元动态显示。at89c51是一种低损耗、高性能、cmos八位微处理器，片内有8k字节的在线可重复编程、快速擦除快速写入程序的存储器，能重复写入/擦除1000次，数据保存时间为十年。它与mcs-51系列单片机在指令系统和引脚上完全兼容，不仅可完全代替mcs-51系列单片机，而且能使系统具有许多mcs-51系列产品没有的功能。at89c51的主要特性：与mcs-51产品指令系统完全兼容4k字节可重檫写flash闪速存储器1000次檫写周期全静态操作：0hz-24mhz三级加密程序存储器128x8字节内部ram32个可编程i/o口线2个16位定时/计数器6个中断源可编程串行uart通道低功耗空闲和掉电模式3.1单片机最小系统电路设计单片机是小车的控制中心，单片机最小系统的合理设计是小车平稳运行的前提，所谓最小系统，就是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计，at89c51可构成单片机最小应用系统，缩小系统体积，增加系统的可靠性，降低系统的成本。只要程序长度小于8k，四个i/o口全部提供给用户。可用12v电压编程,而且擦写时间仅需10毫秒，仅为8751/87c51的擦除时间的百分之一,与8751/87c51的擦写相比，不易损坏器件，没有两种电源的要求，改写时不拔下芯片，适合许多嵌入式控制领域。工作电压范围宽（2.7v6v），全静态工作，工作频率宽在0hz24mhz之间，比8751/87c51等51系列的6mhz12mhz更具有灵活性,系统能快能慢。at89c51芯片提供三级程序存储器加密，提供了方便灵活而可靠的硬加密手段，能完全保证程序或系统不被仿制。p0口是三态双向口,通称数据总线口,因为只有该口能直接用于对外部存储器的读/写操作at89c51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。 图2 at89c51at80c51的最小系统还应特别注意第31脚（如图）应拉高，31脚ea脚为内外存储器的选择脚，由于我们只用内部存储器，因此需要将此脚连至高电平，这一点非常重要，很多人的单片机无法工作也往往是由于疏忽这一点引起。另外还有一点要引起注意的是p0口，与其他几组i/o口不同，p0口没有内部上拉电阻，因此如果驱动led等外部器件时可以在p0口加上10k的排阻，而实际结果也证明加外部上拉电阻的方式有助于增强端口的驱动能力。at89c51的各个管脚说明： vcc：正电源输入端。电压范围为+4.5v+5.5v。gnd：地。p0口是一个8位漏极开路的双向i/o口。作为输出口，每位能驱动8个ttl逻辑电平。对p0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，p0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，p0具有内部上拉电阻。在 flash编程时，p0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。p1 口：p1 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p1输出缓冲器能驱动4 个ttl逻辑电平。对p1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil） 。此外，p1.0和p1.2分别作定时器/计数器2的外部计数输入（p1.0/t2）和时器/计数器2的触发输入（p1.1/t2ex） ，具体如下表所示。在flash编程和校验时，p1口接收低8位地址字节。p2 口：p2 口是一个具有内部上拉电阻的 8 位双向 i/o 口，p2 输出缓冲器能驱动 4 个ttl 逻辑电平。对 p2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时，p2口送出高八位地址。在这种应用中，p2口使用很强的内部上拉发送 1。在使用8位地址访问外部数据存储器时，p2口输出p2锁存器的内容。在flash编程和校验时，p2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。 p3口：p3 口是一个具有内部上拉电阻的8位双向i/o口，p2输出缓冲器能驱动4个ttl逻辑电平。对p3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（iil）。在flash编程和校验时，p3口也接收一些控制信号。p3口亦作为at89s52特殊功能（即第二功能）使用。引脚名称第二功能p3.0rxd串行输入p3.1txd串行输出p3.2 外部中断0p3.3 外部中断1p3.4t0定时器0外部输入p3.5t1定时器1外部输入p3.6 外部数据存储器写选通p3.7 外部数据存储器读选通p3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。rst：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持rst脚两个机器周期的高电平时间。ale/prog：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在flash编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ale端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ale脉冲。如想禁止ale的输出可在sfr8eh地址上置0。此时， ale只有在执行movx，movc指令是ale才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ale禁止，置位无效。 /psen：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/psen有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/psen信号将不出现。 /ea/vpp：当/ea保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000h-ffffh），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/ea将内部锁定为reset；当/ea端保持高电平时，此间内部程序存储器。在flash编程期间，此引脚也用于施加12v编程电源（vpp）。xtal1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。xtal2：来自反向振荡器的输出。at89c51采集系统包括以下几个部分：单片机的基本电路。此部分电路主要是单片机最小系统的最基本的电路之一，也是本系统的核心电路，其余电路都是以该部分电路展开的，它负责整个系统数据的处理和协调工作。单片机的中央处理器（cpu）是单片机的核心，完成运算和控制操作，中央处理器(cpu)主要包括控制器和运算器。1）运算器运算器主要用来实现算术，逻辑运算和位操作，其中 包括算术运算和逻辑运算单元alu，和累加器acc，b寄存器程序状态字pws和控制器。2）控制器控制器是识别指令并根据指令性质协调计算机内部组成单元进行工作的部件，控制器主要包括程序计数器pc，pc增量器，指令寄存器，指令译码器，定时及控制逻辑电路等。其功能是控制指令的读入，译码和执行，并对指令执行过程进行定时和逻辑控制，在at89c51单片机中，pc是一个16位的计数器，可对64kb程序存储器进行寻址，复位时pc内容为0000h，说明程序应从存储器0000h单元开始执行。3）外围接口电路cpu与外部设备的信息交换都要通过接口电路来进行，这主要是为了解决cpu的高速处理能力和外部设备低速运行之间的速度匹配的问题，并可以有效的提高cpu的工作效率，同时也提高了cpu的对外的驱动能力。输出接口电路具有锁存器和驱动器，输入接口电路具有三态门的控制，成为接口电路的基本特征，at9c51单片机的外围电路主要包括：4个可编程并行i/o口，1个可编程串行口，2个16位的可编程定时器及中端系统等，由于受集成度的限制，片内存储器和外围接口电路的规模及数量受到一定的限制，为了适应外部更复杂的控制功能，单片机具有较强的控制功能，可以很方便地扩展外部寄存器rom,ram和i/o等位处理器单片机主要用于控制，需要有较强的位处理能力，因此为处理器是它的必要组成部分，常把处理器称为布尔处理器。位处理器以状态寄存器中的进位标志位c为累加位，可进行置位、复位、取反、等于“0”转移、等于“1”转移且清“0”以及c与可寻址位之间的传送、逻辑与或等位操作。位处理操作也是通过运算器来实现的。4)存储器单片机内部的存储器分为程序存储器，标准型at89c51单片机的程序存储器采用4kb的快速写存储器flash memory,程序和擦除完全是电器的实现，编程和擦写速度快，可以使用通过的编程器脱机编程，也可在线编程。flash的应用成为at89系列单片机的显著的特点之一，在单片机中，用随机存储器ram来程序运行之间的工作变量和数据，所以又称为数据存储器。一定容量的ram集成在单片机内，提高可单片机的运行速度，也降低了功耗。5）串行口at89c51单片机是由一个全双工的串行接口，以实现单片机和其他数据设备之间的串行数据传送。该串行口功能较强，即可作为全双工异步通信收发器使用，也可作为同步移位器使用。6）中断控制系统at89c51的中断功能较强，以满足控制应用的需要。80c51共有5哥中断源，既有中断2个，定时/计时中断2个，串行口中断1个，全部中断分为高级和低级共两个优先级别。3.1.1晶振电路 单片机要想工作要有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，就能构成自激振荡电路。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振电路。电容器主要起频率微调作用，电容值可选取适当值时可以使震荡电路产生谐振。3.1.2复位电路复位电路包括上电复位和手动复位两部分，at80c51系列单片机多为高电平复位，也就是说rst脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，保证单片机正常工作。3.1.3电源电路电源电路由稳压电源的输出电压uo（或电压可调范围uomin uomax）和最大输出电流iomax是它的特性指标，这两个指标决定了该电源的适用范围，同时也决定了稳压器的特性指标以及如何选择变压器、整流管和滤波电容。而输出电阻、纹波电压、温度系数是稳压电源的质量指标，它们决定了稳压器的稳压系数、输出阻抗、温度系数和滤波电容的选择。因为系统是由单片机直接控制处理，其稳定的电压对单片机来说是十分重要的,稳压电源可以使系统能正常的工作。为了改善波纹特性,在稳压电源的输入端加接电容。三脚稳压块选择：该装置中的稳压块选用lm7809集成稳压块。下面介绍lm7809的技术参数。(所图4所示)图4 电源电路lm7809系列集成稳压块主要技术参数：输入电压：dc3v35v；最大输出电流：1.5a。lm7809系列稳压块封装：1脚为输入端 ，2脚为公共端 ，3脚为输出端。注意事项：引脚不能接错，公共端不能悬空；为防止过热应安装散热片，其内部原理图如图所示，按图我们来分析其原理：在本设计中应输出电压为vo=5v，则当vo5v时，t2的b极电压上升，进而t2的c极电压下降，进而t1的b极电压下降,进而t1的vce极电压上升，进而vo趋于5v；反之当vo5v时亦然。3.2电机驱动电路设计小车电机以两直流电动机为主驱动，带有齿轮组，考虑不需调速功能，所以采用电机驱动芯片。l293d是著名的sgs公司的产品。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收dtl或者ttl逻辑电平，驱动感性负载(比如继电器，直流和步进马达)，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。l293d可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的i/o输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，有效控制电机运动。通过单片机的i/o输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，有效控制电机运动。l293d芯片中j16和j17控制左边电机，j18和j19控制右边电机。取左边电机为例，当j16输入数字电平“1”， j17输入数字电平“0”时实现正转；当j16输入数字电平“0”， j17输入数字电平“1”时实现反转；当j16输入数字电平“0（1）”， j17输入数字电平“0（1）”时实现停止；最后结合左右电机通过单片机共同实现小车的前后左右四个方向行驶。3.3轨迹电路设计方案一：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，稳定性差，所以放弃该方案。方案二：利用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到障碍物上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在障碍物上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。方案三: 采用反射式红外线光电传感器。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到地板时发生漫反射，反射光被装在电动小车上的接收管接收；如果遇到障碍物则红外光被吸收，电动小车上的接收管接收不到红外光。单片机根据是否收到反射回来的红外光来确定障碍物的位置，从而控制小车的行走路线。采用红外线发射，外面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隔离。红外线光电传感器的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小。它的外围电路简单。因此本方案易于实现，也比较可靠。所以本设计采用方案三。轨迹探测电路根据反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。当小车在行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号， 经反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，光敏三极管将导通，输出低电平，经lm306电压比较器送单片机控制。当小车行驶到障碍物引导线时，红外线信号被障碍物吸收后，光敏三极管截止，输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机i/o口，当i/o口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的障碍物引导线吸收了，表明小车处在障碍物的引导线上；同理，当i/o口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。即当小车底部的某边红外线收发对管遇到障碍物时输入电平为高电平，反之为低电平。为了保证小车沿一边行驶，采用了两个检测器并行排列，左右方向都可以进行控制，控制精度得以提高。在小车行走过程中，结合查询方式，通过程序控制小车行走轨迹。如果左方向偏离，则右侧的探头就会检测到障碍物，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向右转；如果右方向偏离，则左侧的探头就会检测到障碍物，把信号传送到单片机，进行处理校正。控制其向左转。从而保证小车行驶。3.4障碍物检测电路设计方案一:采用激光传感器探测障碍物。该传感器能非常准确地测出障碍物的存在，但价格高，处理复杂，不符合该设计的要求。方案二: 采用超声波探测障碍物。本设计应用超声波探测电路探测障碍物（方案2）。该电路分为超声发射电路，超声接收电路和信号处理电路。at89c51单片机的超声波测距仪超声波测距仪主要以单片机at89c51为核心，其发射器是利用压电晶体的谐振带动周围空气振动来工作的.超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器接收到反射波就立即停止计时。一般情况下，超声波在空气中的传播速度为340m/ s，根据计时器记录的时间t ，就可以计算出发射点距障碍物的距离 s，即s=340t/2， 这就是常用的时差法测距。在测距计数电路设计中，采用了相关计数法，其主要原理是：测量时单片机系统先给发射电路提供20个左右的脉冲信号，单片机计数器立即计数；当信号发射一段时间后，若单片机收到外中断1的信号，则计时成功。若没有收到信号就重新发射信号一次，直到收到脉冲信号，计数器停止计数。考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40cm的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物后，可寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生对障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向。根据上述要求，提出以下方案。超声波传感器安装于小车前端，在规定的检测距离内，当探测到障碍物时，超声波传感器给出脉冲信号至单片机，单片机检测到该信号后，调整小车的方向，以控制小车准确地绕过障碍物，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度在温度为20oc时约为345m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=345t/2。这就是所谓的时间差测距法。 超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。测距的公式表示为：l=ct式中l为测量的距离长度；c为超声波在空气中的传播速度；t为测量距离传播的时间差(t为发射到接收时间数值的一半)。利用单片机发射40khz超声波。声波遇到障碍物反射回来。若可以测出第一个回波到达的时间与发射脉冲之间的时间差t，利用s=1/2*v*t,即可算得传感器与反射点间距离s，由图可知，被测距离h=s*cos, =arcsin(m/s) ,m两探头之间中心距离的一半，将代入，h=s*cos(arcsin(m/s) ,再将s=1/2*v*t代入，得h=1/2*v*t*cos(arcsin(m/s) ,v在一定温度下是一常数（例在t=15时，v=340.0 m/s），当被测距离远远大于m时，cos(arcsin(m/s)1,所以式可以化简为h=1/2*v*t。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性.同时，超声波传感器具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在光线不透明的固体中，它可穿透几十米的深度。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射，形成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。因此超声波检测广泛应用在工业、国防、生物医学等方面。超声波是一种在弹性介质中的机械振荡，其频率超过20khz，分横向振荡和纵向振荡两种，超声波可以在气体、液体及固体中传播，其传播速度不同。它有折射和反射现象，且在传播过程中有衰减。利用超声波的特性，可做成各种超声波传感器，结合不同的电路，可以制成超声波仪器及装置，在通讯、医疗及家电中获得广泛应用。作为超声波传感器的材料，主要为压电晶体。压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器，它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波，同时它接收到超声波时，也能转变成电能，故它分为发送器和接收器。超声波传感器有透射型、反射型两种类型，常用于防盗报警器、接近开关、测距及材料探伤、测厚等。3.4.1超声波发射电路超声发射电路由cd4069电路组成，振荡电路的频率可以调整，r18通常是1k,可以将接受超声传感器的输出电压调至最大.如图5所示：图5 超声波发射电路发射电路主要由反相器cd4069和超声波发射换能器t构成，单片机p2.0端口输出的40khz的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，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形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。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻r1o、r11一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，缩短其自由振荡时间。压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。3.4.2超声波接收电路超声波接受电路运用集成块cx20106a。集成块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38 khz与测距的超声波频率40 khz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路(如图6)。实验证明用cx20106a接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容c4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。当r超声波接收头感应到超声波回波的时候，输出就会从高电平变为低电平，产生一个下降沿触发信号。完成信号的采集。由于38khz的红外线频率与40khz的超声波振荡频率相近，并且外围电路简单，故选用cx20106a芯片作为超声波接收电路的主体。cx20106a的引脚注释：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与gnd之间连接rc串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。增大电阻r或减小c，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。但c的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为r=4.7，c=3.3f。3脚：该脚与gnd之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3f。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端vcc接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取r=200k时，fn42khz，若取r=220k，则中心频率f038khz。6脚： 该脚与gnd之间接入一个积分电容，标准值为330pf，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。7脚：遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22k，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。超声波接收电路组成及原理超声波接收模块设计如图6所示通过集成块cx20106a（包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分）经外围。超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，关键是频率要一致，本设计采用发生端同型号的压电式超声波传感器，否则将因无法产生共振而影响接收效果，甚至无法接收。由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。由于是倒车雷达系统所测距离在两米左右所以采用两级放大，用lf353实现。第一级放大100倍，第二级放大50倍总计放大5000倍，这样不仅放大增益足够大，可以适合小信号的需求，而且信号增益也能够变化，适应信号变化范围大的需求。放大后的交流信号经lm567锁相环锁定后向cpu发中断申请。在中断服务程序中，读取时间计数器的计数值，并通过计算算出雷达与障碍物的距离。图6 超声波接受电路接收探头将超声波调制脉冲变为交变电压信号，经运算放大器两极放大后加至lm567。lm567是带有锁相环的音频译码集成块，lm567内部的压控振荡器的中心频率。电容决定其锁定带宽。当发射的载频上，则lm567输入信号大于25mv，输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。选频放大电路的作用是仅允许一定频率的信号通过并放大，而其他频率的信号将被阻断或衰减。只要把选频放大电路工作的中心频率设定为40 khz，就可以把其他频率的干扰信号清除或衰减，同时把40 khz的回波信号进行放大。3.4.3信号处理电路信号处理电路使用集成电路lm2907n，它原是测量转速用的ic,其内部有f/v转换器和比较器、充电泵、高增益运算放大器，它的输出要求有一定频率的信号，能将频率信号转换为直流电压信号。lm2907n具有以下特点：1、lm2907n进行频率倍增时只需使用一个rc网络；2、以地为参考点的转速计（频率）输入可直接从输入管脚接入；3、运算放大器比较器采用浮动三极管输出；4、最大50ma的输出电流可驱动开关管、发光二极管等；5、内含的转速计使用充电泵技术，对低纹波有频率倍增功能；6、比较器的滞后电压为30mv利用这个特性可以抑制外界干扰；7、输出电压与输入频率成正比，线性度典型值为0.3%；8、具有保护电路，不会受高于vcc值或低于地参考点输入信号的损伤；9、在零频率输入时，lm2907n的输出电压可根据外围电路自行调节；10、当输入频率达到或超过某一给定值时，可将输出用于驱动继电器、指示灯等负载。lm2907n的引脚功能如下： 脚（f）和11脚（in-）为运算放大器比较器的输入端 。脚接充电泵的定时电容（c1）。1、3脚接充电泵的输出电阻和积分电容（r1/c2）。 2、4脚（in+）和10脚（uf1）为运算放大器的输入端。 3、5脚为输出晶体管的发射极（u0）。4、8脚为输出晶体管的集电极，一般接电源（uc）。 5、9脚为正电源端（vcc） 。6、12脚为接地端（gnd） 。7、6，7，13，14脚未用。图7 lm2907n原理框图将lm2907n的8脚接到单片机输入口。由图7可以看出，由于两个串联5.1k电阻的分压，lm290n7的10脚电压vop-=6v，这是内部比较器的参考电压。内部比较器的4脚电压为vop+输入电压，它是电阻r（51k）上的电压，这个电压和频率有关的。当vop+大于vop-时，比较器输出为“1”，lm2907n内部三极管导通（或饱和）输出为“0”,则发光二极管led点亮。因此，当超声发射电路由lm555产生40khz方波来起振超声波发射探头，使其发射超声波，如智能电动小车前方遇到障碍物时，此超声波信号被障碍物反射回来，超声波接收电路接收到超声波信号（为正弦波信号）后输入到比较器lm393使其调整为方波输出到lm2907n，lm2907n芯片会把此方波信号的频率转化为对应电压值，当此电压值大于由4号引脚输入的门电压时，lm2907n的8号引脚输出低电平，led处于发光状态。即当有障碍物时led处于发光状态，lm2907n的8号引脚输出低电平，同时通过8脚将信号送给单片机，使单片机该根据信号控制小车转向，从而实现避开障碍物的目的。3.5语音播报系统设计本系统采用的apr9600语音芯片，有关芯片介绍：apr9600语音芯片一款音质好、噪音低、不怕断电、可反复录放的新型语音电路，单片电路可录放32-60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，有多种手动控制方式，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，同时保留了isd2500芯片的一些特点，都是dip28双列直插塑料封装，在管脚排列上也基本相同。apr9600的电性能参数：电源电压4.5-6.5v，静态电流1ua ，工作电流25ma。其外接振荡电阻与采样率、语音频带，该电阻可以根据用户需要的时间和音质效果无级调节。 如图8所示总的来说工作方式分为串行控制和并行控制两种，由芯片msel1（24脚）、msel2（25脚）、/m8（9脚）的设置来实现。本设计运用的是串行选段控制方式。串行控制方式用到的键要少得多，它仅需要一、二个键来控制所有的语音段录放，而且段数可以足够多，每段也没有时间限制。只是在选段上没有并行控制模式方便。将全功能应用电路板上拨码开关的第2位开关向下拨，第3位开关向上拨，第4位开关向上拨，将拨码开关的第1位置向上拨进入录音模式，按住/m1即开始录第一段，松键即停止。再按住/m1即录第二段，如此一直分段录音，直到芯片溢出。在放音时（/re=1）有两种状态，/m8置1为串行顺序控制方式，按一下/m1即放音第一段，再按一下即放第二段，如此顺序逐段放音，到最后一段结束时即停止放音，必须按一下ce键复位，然后再按/m1键就可以又从第一段放音。这种方式下的段不可选择只能按录音的顺序播放，适合走马灯、流程控制等电路使用；/m8置0为串行选段控制方式，按一下/m1只能放音第一段，再按还是放音第一段。这时的/m2有效成为快进选段键，每按一下/m2即向后移动一段，例如现在按了三下/m2，再按/m1就放音第四段。因此可以实现选段放音。按/ce键复位为第一段。3.6显示电路设计方案一: 采用led数码管显示。在系统中要用到多只led数码管进行动态显示即可达到要求。其优点是价格便宜，寿命长。缺点是只能显示09的数字和一些简单的字符，电路设计繁锁，且占用空间。方案二: 采用lcd1602液晶显示器。lcd广泛应用于微型计算机控制系统中。与led相比，它具有功耗低，抗干扰能力强，体积小，廉价的特点，且有良好的人机界面，直观，显示效果漂亮。目前已广泛应用在各种显示领域。另外，lcd在大小和形状上更加灵活，接口简单，不但可以显示数字、字符，而且可以显示汉字和图形，因此在袖珍仪表、医疗仪器、分析仪器及低功耗便携式仪器中，lcd已成为一种占主导地位的显示器件。因此，本设计采用方案二本设计采用lcd1602显示，其与单片机的连接方式如图9所示。单片机的p1口与lcd1602的连接。图9 显示电路该电路用到2行16个字的dm-162液晶模块，它采用标准的14脚接口，其中：(1)第1脚：vss为地电源。(2)第2脚：vdd接5v正电源。(3)第3脚：v0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高。(4)第4脚：rs为寄存器选择，高电平时选数据寄存器、低电平时选指令寄存器。(5)第5脚：rw为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当rs和rw共同为低电平时可以写入指令或者显示地址，当rs为低电平rw为高电平时可以读忙信号，当rs为高电平rw为低电平时可以写入数据。(6)第6脚：e端为使能端，当e端由高电平跳成低电平时，液晶模块执行命令。(7)第714脚：d0d7为8位双向数据线。lcd1602液晶显示器各种图形的显示原理线段的显示：点阵图形式液晶由mn个显示单元组成，假设lcd显示屏有64行，每行有128列，每8列对应1字节的8位，即每行由16字节，共168=128个点组成，屏上6416个显示单元与显示ram区1024字节相对应，每一字节的内容和显示屏上相应位置的亮暗对应。例如屏的第一行的亮暗由ram区的000h00fh的16字节的内容决定，当（000h）=ffh时，则屏幕的左上角显示一条短亮线，长度为8个点；当（3ffh）=ffh时，则屏幕的右下角显示一条短亮线；当（000h）=ffh，（001h）=00h，（002h）=00h，（00eh）=00h，（00fh）=00h时，则在屏幕的顶部显示一条由8段亮线和8条暗线组成的虚线。这就是lcd显示的基本原理。3.7报警电路设计当小车检测到障碍物后，蜂鸣器发出声音提示已检测到障碍物。电路图如图10所示：报警电路由一个蜂鸣器，一个pnp型三极管接构成。工作原理当单片机的p24脚为低电平时，蜂鸣器一端接电源，一端接低电平，三极管ce端形成回路，此时蜂鸣器报警。图10报警电路4软件设计系统软件设计说明程序设计(programming)是指设计、编制、调试程序的方法和过程。它是目标明确的智力活动。在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件也占有重要的地位。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产13。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。把一个程序分成具有多个明确任务的程序模块，分别编制、调试后再把它们连接在一起形成一个完整的程序，这样的程序设计方法称为模块化程序设计。所谓“模块”，实质上就是能完成一定功能，并相对独立的程序段，这种程序设计方法称为模块程序设计法14。模块程序设计法的主要优点是：(1)单个模块比起一个完整的程序易编写、调试及修改。(2)程序的易读性好。(3)程序的修改可局部化。(4)模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用。(5)模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构，由主程序障碍物报警子程序、显示子程序、躲避障碍物子程序构成。4.1主程序设计主程序流程图（图10）图10 主程序流程图主程序清单如下：right_black equ p0.3 ;右边障碍物left_black equ p0.4 ;左边障碍物zhangai equ p0.5left_lamp equ p0.0 ;左边光源right_lamp equ p0.1 ;右边光源bell equ p0.6 ;蜂鸣器 led equ p0.7 ;leddata1602 equ p1 ;1602数据端口rs equ p3.7rw equ p3.6e equ p3.5in1 equ p2.0in2 equ p2.1 ;l298n电机驱动芯片端口定义ena equ p3.4 ;l298n ena端口定义secbuf equ 21h ;秒缓冲minbuf equ 22h ;分缓冲buf equ 20h ;0.05秒缓冲lcd1 equ 30hlcd2 equ 31hlcd3 equ 32hlcd4 equ 33hlcd5 equ 34hcounter equ 35h ;计数次数length equ 36h ;周长licheng equ 37h ;里程org 0000hljmp mainorg 0003hljmp ext0org 000bhljmp itt0org 0013h ;外部中断1,车轮转一圈时,光电传感器发出一个脉冲ljmp ext1 org 0100hmain:mov r0,#00hmov lcd1,#0mov lcd2,#0mov lcd3,#11mov lcd4,#0mov lcd5,#0mov buf,#0mov secbuf,#0mov minbuf,#0setb p3.5 clr p2.0clr p2.1clr p3.4mov sp,#60hmov tmod,#11hmov th0,#3chmov tl0,#0b0hmov length,#1 ;设周长为1setb easetb et0setb et1setb it0setb ex0 setb ex1 setb tr0setb p3.5setb pt0 mov data1602,#00000001b ;清屏并光标复位acall enable ;调用写入命令子程序mov data1602,#00111000b ;设置显示8位*2行，5*7点阵acall enable ;调用写入命令子程序mov data1602,#00001100b ;显示开，光标开，光标允许闪烁acall enable ;调用写入命令子程序mov data1602,#00000110b ;文字不动光标自动右移acall enable ;调用写入命令子程序mov data1602,#86h ;写入显示初始地址acall enable ;调用写入命令子程序mov r7,#5 ;设置每行显示位数mov dptr,#tab ;调用写入命令子程序mov r0,#30h ;显示数据初始地址lcall display ;调用显示程序setb tr0 ;开定时器setb enacarfor:lcall motljmp carforloop: setb p0.6lcall delaysjmp looploop2:setb p0.7lcall delaysjmp loop2start: clr in1clr in2lcall ttclr in2setb in1lcall ttlcall tt setb tr0sjmp start4.2 障碍物报警子程序设计程序清单如下：jb 25h,stopjnb 22h,youzhuanjnb 23h,youzhuanjnb 24h,zuozhuanjnb 26h,zuozhuanajmp jiancezuozhuan:clr p0.5clr p0.4mov sudu,#05hacall delaasetb p0.4setb p0.5mov sudu,#07hajmp jianceyouzhuan:clr p0.6clr p0