1、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 .65.2.1 红外信号发射模块 .65.2.2 红外信号接收模块 .85.3 互锁控制模块 .85.3.1 电压比较器 LM324 .85.3.2 双四位加法计数器 CD4518.95.4 语音控制模块 .95.4.1 主要特性 .105.4.2 封装形式 .105.4.3 引脚描述 .105.4.4 录放音的操作方式 .115.4.5 应用线路图 .115.4.6 TDA2822 功放集成电路 .126 模特动作控制模块 .137 整体电路图 .138
2、印刷电路板 .159 结束语 .16谢辞 .16参考文献 .171 绪论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
3、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
4、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。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
5、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
6、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
7、测距离与工作电压有关，电压越高检测距离越远。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 2。 （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
8、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 1。在本设计中红外光发射模块如图3所示，5
9、55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
10、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=1.44
11、3/( 2R11+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放大，D3、D4整流，R
12、5、C2和R6、C3 限幅、滤波后，在其 4518的输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
13、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
14、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
15、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 3。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
16、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
17、”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 电源电路如图2所示。系统采用220V供电，220V 市电经过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。D1IN4007D2D3 D4D5D6C1220uC22200uC3330uC4100uR139/2W R25/2WBTVin1GND3+5V 2U17
18、80512V5V220V12VT图2 电源电路5.2 检测模块 5.2.1 红外信号发射模块红外信号发射模块是以时基NE555集成电路为核心，由R11、 R9、 C1等组成无稳态多谐振荡器和红外光电发射管组成，电路如下图3所示。NE555集成块各引脚的功能介绍如下：1脚： 电源负端(VSS) 2脚：低触发端3脚：输出端4脚：强制复位端5脚：控制端6脚：高触发端7脚：放电端8脚：电源正极(VDD)工作原理分析如下：当接通电源后，电源+VCC通过R9 、R11给C1充电，随着C1 充电的进行，它的电压逐渐上升。当上升到（2/3 ）+VCC时，第一个比较器输出低电平，RS触发翻转到Q=0,电路输出为
19、Vo=0,因而在此期间C1通过R11 放电，随C1 放电的进行，它上面的电压下降，当下降到（1/3）+VCC 时，第二个比较器输出为低电平，使触发器翻转为Q=1，电路输出再次变为Vo=1，电容C1再次充电，如此周而复始，电路输出得到周期性矩形脉冲信号,以驱动所接的红外发光二极管发出脉动的红外光信号。电路参数计算。当电容器C1上电压由（1/3）+VCC充到（2/3）+VCC时所需时间为t1, 则t1=（R9+ R11）C12=0.7(R9+ R11)C1 （5.2.1）当电容器C1上电压由（2/3）+VCC下降到（1/3）+VCC时所需时间为t2 ，则t2= R11C12=0.7R11C1 （5
20、.2.2）从而可求出图3所示电路的震荡频率ff= （5.2.3）1)92(43.1CRt由于NE555内部的比较器灵敏度较高，而且采用差分电路形式，它的震荡频率受电源电压和温度变化的影响很小。时基NE555电路产生周期性振荡频率就是由上面的计算公式5.2.3计算出来的，其周期性的振荡频率以驱动红外线发射二极管向外发射红外线光束作为传感信号。C10.01uTRIG2Q 3R4CVolt5 THR 6DIS 7VCC8GND1DS1DS2D14148 D24148R91kR10200K R116.8KR121205V图3 红外线发射电路5.2.2 红外信号接收模块红外信号接收模块是由红外光电二极管
21、U5、U6 组成的，当红外光电二极管接收到红外线信号时便将光信号转换为电信号并送至运算放大器U1A和U1B，经放大后，再经D3、 D4、R5 、R6送至运算放大器U1D、U1C，以作进一步放大，以提高输入信号增益。最后输出驱动后级负载。电路如图4所示。C2103D34148C3103D4414832 1U1ALM32456 7U1BLM324109 8U1CLM3241213 14U1DLM32412V5V12V12VR7 R8R5150KR6150KR41K5VR311KU5LEDAU6LEDAR210KR110KCLK1 EN2R7Q0 3Q1 4Q2 5Q3 6U12A4518CLK9
22、EN10R15Q0 11Q1 12Q2 13Q3 14U12B4518信信信信信信信信信信信信图4 红外线接收电路5.3 互锁控制模块 5.3.1 电压比较器 LM324LM324是四运放集成电路。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大有5个引出端，其中“+”、“-”为两个信号输入端， “V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。两个信号输入端中， Vi-（- ）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端 Vo的信号与该输入端的相位相同。LM324的管脚排列见下图5所示。电压比较器的工作原理：当红外线光照射时，电压比较器U12A、U12B （-）端电位升高，当V-V+ 时，输出低电平，当红外光线被挡住时，光敏二极管的电阻值升高，电流减小，电压比较器U12A、U12B 的（-）端电位降低，当V-V+ 时，输出高电平。由于LM324四位运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。V -V +V o V oV -V +V oV +V -V +V -V o1 2 3 4 5 6 7891 01 11 3 1 21 4L M 32 4V C CV S S_+_+_+_+
