全自动电子迎宾机器人设计

摘 要本电路可安装在商场、宾馆、舞 厅等营业场所的门口，利用红外线检测技术自动识别顾客的进、出方向。客人进门时它会说欢迎光 临，同 时模特会做出弯腰和伸手的示意动作。客人出 门时它又会说谢谢光临，同时做出和上述相同的动作。语音电路发出的语音能给人以愉悦、亲切的感觉。 该 装置不受情绪和天气冷热的影响，对顾 客热情如一。增强顾客对该部门的好感，提高该部门的声誉。它将成为一个无人值守的自动迎宾礼仪小姐。用该装置来代替迎宾小姐，不仅经济，而且十分有趣。自动电子迎宾电 路工作原理如附图所示。它由红外振荡器 IC1、红外接收器 D5 及 D6、互锁单稳态触发器 U12A 及 U12B 和语音存储器 IC6 和 IC7等构成。IC1 是一片单时基集成电路 NE555，接成无稳态多谐振荡器模式，其振荡频率由 R11、R9、C1 确定，一般可按 f=1.443/(R9+R10+R11)C1。关键词：电子迎宾，语音模块， 红外线发射，红外线 接收Abstract This circuit can be installentrance in the market, hotel, dance hall and so on. It use infrared examine technology to distinguish the direction of guest coming and coming out automatic. When gust comes in, it says welcome presence, meanwhile, the module can make action of bent waist and put out hand. When gust comes out, it will say thank presence, meanwhile , above making same action. The pronunciation circuit sending out voice can give person joyful and cordial impression. Moreover, mood and weather temperature cant affect the equipment. It give same cordial to gust. Strengthen the favorable impression of customer to department. And improves the department reputation . It will become a automatic welcoming guest lady with no person on duty. Using this equipment to replace welcome guest lady, it is not only economic but also interesting. The work principle of automatic electron welcoming guest circuit is shown in attached diagram. It consists of infrared oscillator IC1, infrared receiver D5 and D6, mutually locks single stable state trigger U12A and U12B. and pronunciation storage IC6, IC7 IC1 is a single time integrate circuit NE555 .Connect as non-stable state multivibrator pattern, its oscilation frequency determined by R11, R9, C1 generally according to f=1.443/(R9+R10+R11)C1.Key words: welcoming gusts of electron,The pronunciation module,Emission of infrared radiation,The infrared receive目 录1 绪论 .12 方案论证 .23 系统框图 .44 电路的工作原理 .45 模块介绍 .65.1 电源模块 .65.2 检测模块 .75.2.1 红外信号发射模块 .75.2.2 红外信号接收模块 .85.3 互锁控制模块 .95.3.1 电压比较器 LM324.95.3.2 双四位加法计数器 CD4518 .105.4 语音控制模块 .115.4.1 主要特性 .115.4.2 封装形式 .125.4.3 引脚描述 .125.4.4 录放音的操作方式 .135.4.5 应用线路图 .145.4.6 TDA2822 功放集成电路 .146 模特动作控制模块 .167 整体电路图 .168 印刷电路板 .189 结束语 .19谢辞 .20参考文献 .211 绪论机器人是人类二十世纪的一项重要发明。1959 年美国的英伯格和徳沃尔制造出世界上第一台工业机器人，之后，世界各国都在争相开展机器人研究，机器人的的功能和应用领域一直在不断地拓展。我国机器人起步究较晚。先后经历了二十世纪 70 年代的萌芽期，80 年代的开发期和 90 年代的适用化期。1972 年，中国科学院沈阳自动化所开始了机器人的研究工作。1977 年，南开大学机器人与信息自 动 化研究所研制出我国第一台用于生物试验的微操作机器人系统。1985 年 12 月 12 日，我国第一台重达 2000 公斤的水下机器人“ 海人一号 ”在辽宁旅顺港下潜 60 米，首潜成功，开 创了机器人研制的新纪元。随后，我国研制的机器人相继问世：中国科学院沈阳自动化所研制成功了体重 36 公斤，身高 1 米的缆浮游作业轻型“ 金鱼二号”水下机器人；中科院长春光机所发明的“ 四足遥控仿生 载重步行机器人 ”，在 1986 年中国第二届发明展览会上获金牌奖；1987 年又获第 15 届日内瓦国际发明与新技术展览会银牌奖。而在竞争日益激烈的今天,各行各业为提高竞争力，纷纷推出了各种新、奇的事物来吸引消费者。经过长时间的市场调查,发现各种商场、宾馆、舞 厅等场所其门口都站有一排或两排迎宾小姐，这种迎宾方式不但耗费了大量的物力资源，而且由于现在人力成本的不断的增加,这样就大大增加了企业的生产成本，此外还会由于服务人员长时间的从事单调重复的工作,造成对工作的热情锐减,从而影响服务质量。 针对这一现象我决定开发设计一套自动电子迎宾机器人装置，虽然现在市场上使用的自动电子迎宾运用了人体感应检测和语音输出来实现的，但是这种产品没有进出识别功能，人性化程度比较低，不能全方位的体现人的服务特点。市场 上至今还未出现这 种比较完善的自动电子迎宾机器人产品。相比之下，自动电子迎宾机器人体现出强大的优越性，现在所开发的这套电子迎宾机器人装置,不但成本低廉,而且工作性能稳定,还能为消费者提供感官上的人性化服务。伴随微电子技术与数字化技术的发展，开发出一种服务质量好、智能化程度高、经济实 用的自动控制系 统成为诸多工程技术人员的追求。而电子机器人不仅便于统一管理，而且能减少人力资源， 还对环境改善、提高经济效益都有着显著的效果。为此我们决定设计这 种新型的自动电子迎宾机器人来代替人力。该电子迎宾机器人装置是以红外线为传感源，加以语音和动作控制电路组装而成，能在动作控制电路的自动控制下做出部分人性化的迎宾动作，而且还能随时任意改变语音电路中的录音,以满足不同场所的不同使用效果。该电子迎宾机器人装置的开发设计，符合社会经济发展的必然趋势，在投放市场时一定能得到广泛的应用，并且具有广 阔的市场前景。因此,将本论文及实物设计好是我所要完成的任务。2 方案论证本设计控制系统是采用红外线控制的，红外线控制是个很广泛的技术领域，它是通过一定的技术对被控物体实施一定距离的控制,普通的红外探测器只能探测人体运动的红外光谱产生信号，它不能分辨人体运动的方向，不能依据人体运动不同的方向产生不同的信号触发相应控制电路。因此，它只要见到人便产生信号，不能满足某些产品的特殊要求。根据新近研 发的方向识别红外探测模块突破了原有的模式，它能识别人 进来（向左运动）或者出去（向右运动）而产生不同的通道信号去触发相应的控制电路，实现某些产品的功能要求。本设计中优先考虑了以下几种控制方式：（1）红外线接收解调专用集成电路CX20106的控制：它的 电路外围还需要接一些电阻和电容元件，做成印刷板时需要把二极管、三极管、 电阻、电容、集成块做在一块，并且外壳需要金属封装，因此体积比较大，抗干扰能力也比较弱，长期使用会使它的频率发生偏移，现在市场上这种红外接收已被淘汰。（2）TX05D反射式红外控制：实际上是一种一体化的红外线发射，接收器件，它内部包含红外线发射，接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高电平信号输出。由于TX05D 内部采用了低功耗器件和抗干扰电路，所以工作稳定可靠，性能优良，可广泛 应用于各种自动检测，本器件属模块化 产品，全部 电路焊装在一只 46x32x17mm（不包括安装支架）的塑料盒内。盒的侧面设有状态指示和灵敏度调节孔，一只红色发光管用来指示开关的工作状态，平时熄灭，有反射物 时发 光。灵敏度 调节孔用来调节反射检测距离，顺时针调整距离增大，逆时针调距离减小。TX05D通过一条1.5米的双芯屏蔽线作为输出引线，其中红色线为电源正极，白色线为输出端， 铜网接电源负极。白色线静态时为 低电平，有反射物 时输出高电平。 实际应用时，如需加长引出线，可选用相同材 质的双芯屏蔽线即可。但是它的检测距离与工作电压有关，电压越高检测距离越 远。TX05D的电参数：工作电压512V，极限电压15V，工作电流520mA，最大30mA，对应检测距离为0 120，当工作 电压12V时，输出最大灌电流大于50mA，最大输出电流大于 3mA。TX05D的输出端内部电路见图2，由于考虑器件的通用性和输出保护措施，加入了限流保护电路，当外接负载超过额定值时启动保护，自 动减小电流输出，以保护组件和外部负载的安全。如用户有特殊需要或批量定货时可申请减去保护电路，以便能直接驱动功率较大的负载，如电机， 继电器等。TX05D的 工 作 原 理 ：当 TX05D接 通 电 源 后 ，即 从 模 块 内 部 的 红 外 线 发 射管 向 前 方 发 射 38KHZ的 调 制 红 外 线 ，一 旦 有 物 体 或 人 体 进 入 有 效 范 围 内 时 ，红 外 线 就 会 有 一 部 分 被 反 射 回 来 ，被 与 发 射 管 同 排 安 装 的 光 敏 接 收 管 收 到并 转 换 成 同 频 率 的 电 信 号 后 ，由 模 块 内 部 电 路 进 行 放 大 ，解 调 ，整 形 ，比 较处 理 后 ，在 输 出 端 给 出 高 电 平 信 号 。模 块 的 红 外 线 发 射 能 力 与 工 作 电 压 有 关 。工 作 电 压 越 高 ，红 外 线 发 射 功 率 越 强 ，检 测 距 离 就 越 远 ；反 之 ，电 压 低 ，检 测距 离 就 相 对 较 近 。在TX05D的前方或侧面不应有大面积的阻挡物或反射物，影响其正常工作。所以根据本设计的要求不宜采用这种控制电路。（3）红外线二极管控制：使用红外发光二极管获得近红外光是相当简便的。红外发光二极管是一种由PN结构成的注入电流型发光器件，在加上合适的正向偏置电压后，就可以发出一定波长的近红外光。红外发光二极管的特性：红外线是一种不可见光，人眼是觉察不到的。电子技术中是用红外发光二极管(又称红外发射二极管)来产生红外线。常用的红外发光二极管( 如SE303、PH303) ，其外形和 发光二极管 LED相似，红外发光管正向导通工作时， 发出红外光( 近红外线约0.93m)。二极管的管压降约1.4V，工作电流一般小于20mA。为了适应 不同的工作电压，二极管的回路中常串有电阻作为二极管限流电阻。采用红外线二极管去控制受控装置时，受控装置中均有相应的红外光电转换元件，如红外接收二极管，光电三极管等。 红外线发 射与接收的方式有两种，其一是直射式，其二是反射式。直射式是指发光管和接收管相对安放在发射与受控物的两端，中间相距一定距离；反射式指发光管和接收管并列在一起，平时接收管始终无光照，只在发光管 发出的红外光遇到反射物时，接收管收到反射回来的红外线才工作。双管红外 发射电路，可提高 发射功率，增加红外发射的作用距离。在本设计中红外光发射模块如图3所示，555时基振荡器产生一定占空比的脉冲信号，驱动红外发光二极管，使其发射出一系列等幅的红外光脉冲信号。红外接收模块如图4所示。光电探测器（红外光电二极管）用来将接收到的红外脉冲信号转换成相应的电信号。光电接收管在没收到红外光信号时，光电管中流过的电流很小，即只有很小的“暗电流”，负载上无电脉冲信号输出；当有红外光脉冲信号照射时，光电管的内阻急剧减少， 电流增大，并在负载电阻上得到相应的电脉冲信号。由于检测 出的信号微弱，需 经电压 放大器放大后， 输出正极性脉冲信号，加至触发电路，使触发器可靠翻转，并输 出规范的控制信号，驱动执行机构动作。本装置由语音 电路和电机正反转电路组成。这种方案设计比较合理。因红外遥控方式用量大，所以其红外发射、接收 电路均有完整的配套器件，这些器件不仅售价低而且可靠，电路简单。依据本 课题的要求使用这种控制方式最为经济。3 系统框图本设计是由多个模块组成的控制电路，整个电路主要有红外线发射模块、红外线接收模块、互锁控制模 块、 语音控制模块、模特 动作控制模块等5大模块组成。系统各模块之间的关系示意图如图1所示。图1 系统总体框图4 电路的工作原理该电子迎宾机器人控制电路有红外信号发射模块、红外信号接收模块、互锁控制模块、 语音控制模块、模特动作控制模块等组成。红外信号发射模块是由555时基集成电路组成的多谐振荡器和红外线发光二极管Ds1 、Ds2组成的。其振荡频率为：f=1.443/(R10+ R11+R9)C1由555型时基集成电路组成的多谐振荡器，其振荡脉冲由555的3脚输出。输出的脉冲信号经R12后可直接驱动红外发光二极管Ds1、Ds2向外发射控制信号。由于一个发射器要同时为进、出两个接收器发送控制信号。因此采用两只红外发射二极管串联并分开安装。红外接收器有两个：一个为进门接收器，另一个为出门接收器。两个接收器均采用红外光电二极管。这样 ，当 电路通电后，其发 、收的中心频率一致，在红外光路传输正常（无人遮挡）时， Ds1、Ds2发出的红外光脉冲信号直射在光电接收管U5、 U6的窗口上，U5、 U6将该红外光脉冲信号转换 成相应的电信号，经LM324互锁控制模块红外线接收模块语音控制 模块模特动作控制模块红外线发射模块放大，D3 、D4整流，R5、C2和R6、C3限幅、 滤波后，在其4518的输出端14脚和8脚输出低电平信号。该低电平信号对后级电路不发生作用，即语音电路和机械装置不工作。当有客人从大门走进时，其红外光路被人体遮挡住，进门接收器U5接收不到Ds1发来的 红外光信号，U5 输出便转呈高电平。 该上跳变脉冲经U12A、U12D门电路两次反向后，加至CD4518的1脚，经CD4518的 3脚输出，触发语音电路发出“欢迎光临河南科技学院 “的礼貌问候语，同 时门外的模特做出弯腰和伸手的动作。并且LM324的14脚输出高电平加至CD4518的9脚复位端，将另一发声电路和机械装置封死，使之不会发出“欢迎下次再来”的出门欢送语音信号和机械动作。在另一条“出 ”红外光路中， “出” 红外光路的电路工作原理与上述“进”红外光路类同。当 “出” 红外光路传输正常（不受遮挡）时，U6 输出低电平，该低电平信号对后级的电路没有影响 。当 “出”红外光路中有人出 门时，光路被遮 挡，出门接收器U6接收不到Ds2发来的红外光信号， U6输出便转呈高电平。该上跳变脉冲经U12B、U12C门电路两次反向后，加至机械装置 电路的 9脚 ，经CD4518 的11脚输出，触发语 音电路发出“欢迎下次再来”的欢送声，同时门内的模特做出弯腰和伸手的动作。并且， LM324的8脚输出高电平加至CD4518的1脚复位端，将另一发声电路和机械装置封死，使之不会发出“欢迎光临河南科技学院 ”的进门问候语和机械动作。互锁电路的作用是，在客人进门时，使 电路在发出“欢迎光临河南科技学院”的同时将“欢 迎下次再来”的触发电路和机械装置封 锁，使其不能发声和动作；在客人出门时，使电路在发出 “欢迎下次再来”的同时将“ 欢迎光临河南科技学院” 的触发电路和机械装置封锁，使其不能发声和动作。互锁电路是有两个T触发器组成的单稳态电路，它的作用是触发、互锁和延时。互锁电 路的关系是这样 形成的：首先在电路连接上，将单稳态电路U12A的脉冲端接到单稳态电路U12B的复位端，将U12B的脉冲端接到 单稳态电路U12A的复位端。这就使U12B的输 出状态受U12A 输出状态 的控制，而U12A的输出状态又受U12B 输出状态的控制。 这样，当有客人进门时，U1D输出的正向脉冲首先将U12A触发， Q1端输出高电 平又将发声电路触发，使 发声电路发出一声“欢迎光临河南科技学院” ，同时模特做出弯腰和伸手的动作。在U12A输出高电平时，U12A的复位端必然为低电平，这一低电平加至U12B的脉冲端，将U12B封锁，使其不能翻转。这时，即使U1C输出触发脉冲，U12B也不会翻转， 发声电路不会发 声。同理，当有客人出门时，U1C输出正向脉冲首先将U12B触发，Q2 端输出高电平，将另一路发声电路触发 ，使 发声电路发出“欢迎下次再来”的欢送语，同时模特做出弯腰和伸手的动作。在Q2端输出高电平时，U12B 的复位端必然为低电平，这一低电平加至U12A的脉冲端，将U12A封锁，使其不能翻转。这时，即使 U1D输出触发脉冲，U12A也不会翻转， 发声电路不会发 声，机械装置不会 动作。这两个语音电路是以语音集成电路ISD1820为核心而组成的。两块ISD1820分别储有“欢 迎光临河南科技学院 ”和“欢迎下次再来” 语言信号，采用 电平、保持触发方式，一经触发，便迅即发出内存的语言信号，时长约为1.5s 。两块语音电路分别安装在两个模特身上。 门外模特身上装有存储“ 欢迎光临河南科技学院” 语言信号，门内模特身上装有存 储“欢迎下次再来”语言信号。这样就能完成自动电子迎宾的目的。5 模块介绍5.1 电源模块 目前不同的供应商在市场上推出多种不同的电源模块，而不同产品的输入电压、输 出功率、功能及拓扑结构等都各不相同。采用电源模块可以节省开发时间，使产 品可以更快推出市 场，因此 电源模块比集成式的解决方案优胜。本 设计中电源电路如图2所示。系统采用220V电压供电，220V交流电经过T降压、D1D4整流、C1滤波后产生12V直流电，作为继电 器的驱动电压。 12V电压经过 7805稳压器稳压后产生5V电压，作 为 控制器的主 电源。 电容C2作为高频旁路电容，将高频信号旁路到地。同样电容C3 为滤 波电容， C4为高频旁路电容。R1为 限流电阻，在设计的过程中，滤波电容要尽量选择的大，因 为在电路中要求电压比较稳定。其中三端稳压器件 7805 是 78xx/79xx 系列三端稳压 器件，它们是最常用的线性降压型 DC/DC 转换器，目前也有大量先 进的 DC/DC 转换器层出不穷，例如低压差线性稳压器 LDO 等（例如，NSC 的 LM2940、LM2651、LM5020，MAXIAM 的 MAX1747 等等）。 78xx/79xx 系列简单易用、价格低廉，直到今天还在大多电路中采用。78xx/79xx 系列在降压电路中应注意以下事项：1、输入输出压差不能太大,太大则转换效率急速降低，而且容易击穿损坏； 2、输出电流不能太大，1.5A 是其极限值。大电流的 输出，散热片的尺寸要足够大，否 则会导致高温保护 或热击穿； 3、输入输出压差也不能太小,大小效率很差。7805 稳压集成电路参数：输出电压： 4.75 vmin 5.25 vmax电压调整率：（I0=500ma 8v100;T 用 220V/12V2W 优质电源变压器,并且系统要求这些元件长时间运行不过热。其他元器件均无特殊要求,可按图所标型号及参数进行选择。没有特殊要求的不能用其他元件替代。安装方法：Ds1、Ds2 沿水平方向安装在大 门一侧，两者距离 11.5m，距地面1.2m，Ds1 靠近门口。U5、 U6 正对 Ds1、Ds2 安装在大 门另一侧， U5、U6 接收窗口装上红色滤光片，防止杂 散光干扰。限流 电阻 R12 不宜取值过小， Ds1、Ds2 否则寿命短。8 印刷电路板本次毕业设计经过不懈的努力已经做出实物并通过了调试，达到了预想的效果。图 13 为语音电路印刷板，与原理图 8 相对应 ，本 语音电路可以单独使用。图 14 为整体电路图印刷板，包含进出检测、两 块语 音、机械装置 电路印刷板。注意：焊接时一定要看清集成块的管脚排序。图 13 语音电路印刷板 图 14 系统印刷电路板9 结束语“提出一个问题 往往比解决一个 问题更重要，因 为解决 问题也许仅是一个数学上或实验上的技能而已。而提出新的问题、新的可能性，从新的角度去看旧的问题，都需要有创造性的想象力，而且标志着科学的真正进步。 ”爱因斯坦经过了近半学期的学习和工作，在田泽正老师的悉心指导和严格要求下，我终于完成了迎宾机器人设计的论文。从课题选择、方案论证到具体设计，每一步对我来说无疑是巨大的尝试和挑战，也成就了我在大学期间独立完成的最大的项目。 记得在刚接到这个 课题时，由于 对机器人以及相关知识不是很了解，我都有些茫然不知所措。于是我给自己提出了第一个问题：设计好一个机器人需要什么具体的专业知识？带着这个疑问我开始了独立地学习和实验：去图书馆查阅相关资料、上网去了这方面的最新动向。科学上没有平坦的大道，真理 长河中有无数礁石险滩。只有不为畏攀登的采药者，只有不怕巨浪的弄潮儿，才能登上高峰采得仙草，深入水底觅得骊珠。 华罗庚在具体设计的过程中，我遇到了更大的困难。我不断地给自己提出新的问题，然后去论证、推翻，再接着提出新的问题。在这个循 环往复的过程中，我这篇稚嫩的设计日臻完善。每一次改 进我都收获良多，每一次修改后的成功我都能兴奋好长一段时间。虽然我的设计 作品不是很成熟，即使借鉴前人的很多资料仍然还有很多不足之处，但我仍然心里有一种莫大的幸福感，因为我实实在在地走过了一个完整的设计所应该走的每一个过程，并且享受了每一个过程，更重要的是这个设计中我加入了自己鲜活的思想。“只有经过长时间 完成其发 展的艰苦工作，并 长期埋 头沉浸于其中的任务，方可望有所成就。 ”黑格尔电子迎宾机器人的设计有很大的应用前景,关于它在各个服务部门中的应用还未在市场上开始推广，我 选择这个题目，一方面是自己对它比较感兴趣,希望在这方面有所突破,;另一方面是发现有很多部门正在以高薪聘 请迎宾小姐，与其长期的向迎宾小姐付薪水，不如想法做出一种自动电子迎宾机器人来替代人力，这个目的在毕业论文完成过程中得到了实现。进出门检测控制电路经改造后,提高了电路的可靠性，降低了误检测率。实现了无人值守的自动迎宾礼仪小姐。语音电路设置为专用的问候语，“ 欢迎光临河南科技学院” ，欢送用语“欢迎下次再来”。这种电子迎 宾机器人不但经济而且十分的有趣。但是，在我的设计中由于还是缺乏一些实 践的经验，考 虑问题也不太全面，使得控制系统有一些的小漏洞。比如说模特做的 动作不太灵活， 对于这个问题的解决，还需要我在以后的工作过程中继续学习和增加实践经验来完成。就此作结。谢辞经过几个月的艰苦奋战，我的毕业设计已接近尾声。在这几个月