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基于单片机控制的智能小车设计与制作.doc

发布时间：2022-05-30 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：3.66M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    Abstract：This subject is to design and manufactur
    1 引 言
    2 方案论证
    2.1 控制核心的选择及其简介
    2.1.1 SPCE061A单片机简介
    2.2.2 61板简介
    2.2.3 集成开发环境（IDE）简介
    2.2 小车驱动方式的选择
    2.3 语音播放和语音识别模块
    2.4 光电检测模块
    2.5 障碍检测模块
    3 系统硬件设计
    3.1 车体结构及其驱动电路
    3.2 循线模块
    3.2.1 循线硬件电路设计
    3.2.2 循线传感器的安装
    3.3 避障模块
    3.3.1 避障硬件电路设计
    3.3.2 避障硬件电路的制作与安装
    3.4 硬件完成后的小车总体图
    4 系统软件设计
    4.1 主程序设计
    4.2 循线模块程序设计
    4.3 障碍检测模块程序设计
    4.4 语音播放程序设计
    5 使用说明
    结论
    谢辞
    [参考文献]
    附录1：
    附录2：
    附录3：
    附录4：
    附录5
    目 录 中文摘要.............................................................................................................................. 1 英文摘要.............................................................................................................................. 2 1 引 言.............................................................................................................................. 3 2 方案论证........................................................................................................................ 4 2.1 控制核心的选择及其简介.................................................................................... 4 2.1.1 SPCE061A 单片机简介................................................................................4 2.2.2 61 板简介...................................................................................................... 5 2.2.3 集成开发环境（IDE）简介........................................................................6 2.2 小车驱动方式的选择............................................................................................ 6 2.3 语音播放和语音识别模块.................................................................................... 6 2.4 光电检测模块........................................................................................................ 7 2.5 障碍检测模块........................................................................................................ 8 3 系统硬件设计................................................................................................................ 9 3.1 车体结构及其驱动电路........................................................................................ 9 3.2 循线模块.............................................................................................................. 12 3.2.1 循线硬件电路设计.................................................................................... 12 3.2.2 循线传感器的安装.................................................................................... 14 3.3 避障模块.............................................................................................................. 16 3.3.1 避障硬件电路设计.................................................................................... 17 3.3.2 避障硬件电路的制作与安装.................................................................... 23 3.4 硬件完成后的小车总体图.................................................................................. 24 4 系统软件设计.............................................................................................................. 26 4.1 主程序设计.......................................................................................................... 26 4.2 循线模块程序设计.............................................................................................. 27 4.3 障碍检测模块程序设计...................................................................................... 28 4.4 语音播放程序设计.............................................................................................. 30 5 使用说明...................................................................................................................... 32 结论.................................................................................................................................... 34 谢辞.................................................................................................................................... 35 参考文献............................................................................................................................ 36 附录 1................................................................................................................................. 37 附录 2................................................................................................................................. 39 附录 3................................................................................................................................. 40 附录 4................................................................................................................................. 42 附录 5................................................................................................................................. 43
    基于单片机控制的智能小车设计与制作 摘 要: 课题的主要任务是设计并制作一辆智能小车，要求实现小车的语音控制、 循线行走、避免撞到障碍物三大功能。设计以凌阳 16 位单片机为控制核 心，应用光电传感器和超声波传感器，成功实现了小车的三大功能。课题 完成了光电传感器和超声波传感器的选择、采购、各传感器的接口电路设 计和制作，以及各传感器和电路的安装位置和方式的安排，并完成了整个 硬件的制作工作。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序 的调试，并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。 关键词：智能小车，光电传感器，超声波传感器，单片机 1
    Abstract ：This subject is to design and manufacture an intelligent car, whose three functions are car’s voice control, following the line to run, avoiding hitting the obstacles. This design takes the Ling Yang 16 monolithic integrated circuits as the control core, and with applying the photoelectric sensor and the ultrasonic sensor, the car's three functions have realized. The designer has completed the choice and purchase of the photoelectric sensor and ultrasonic sensor, the design and manufacturing of various sensors' interface circuit, the installment position and arrangement preparation of the sensors and circuit, as well as the entire hardware's manufacturing work. At the same time, the control software's design and the program’s establishment and debugging are finished. Finally completes the software and hardware's fusion, which realizes the car's anticipated function. Keywords：intelligent car，photoelectric sensor，ultrasonic sensor，SCM 2
    1 引 言 当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息 已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词 也已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平， 特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而 且具有一定的学习能力，还据说其智商已达到 6 岁儿童的水平。 作为机械行业的代表产品—汽车，其与电子信息产业的融合速度也显著提高， 呈现出两个明显的特点：一是电子装置占汽车整车（特别是轿车）的价值量比例逐 步提高，汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展，汽车电子产业也 很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点；二是汽车开 始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为一种代步工具、同时能具 有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。 无容置疑，机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来， 主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器 人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都 能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。但很现 实的状况是，国内不论是在机械还是电气领域，与国外的差距还是很明显的，所以 作为机电一体化学生，必须加倍努力，为逐步赶上国外先进水平并超过之而努力。 为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求，提出简易智能小车 的构想，目的在于：通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车，获得项 目整体设计的能力，并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。所以立“基于单 片机控制的智能小车设计与制作”一题作为尝试。 此项设计是在以张老师提供的小车为基础上，采用凌阳 16 位单片机作为控制核 心，逐步实现语音识别、躲避障碍和循迹行走三大功能。 本次设计主要解决利用凌阳单片机强大的语音识别功能实现语音识别，并独立 设计和制作避障用超声波接口电路和循迹用红外发射和接收电路。最后完成硬件实 物制作与组装，并编制相关程序，使其实现功能的融合，做出具有预先要求功能的 实物。 3
    2 方案论证 小车总体功能描述：在小车的底盘上有一个总开关，当开关闭合时，小车开始 工作，播放语音提示“请选择模式”，进入模式选择菜单，这时可以呼叫其名字，小 车则做出相应的应答，还可以语音选择模式，即语音和循线两种模式，确定工作模 式后开始工作。在语音模式下，可以识别前进，后退，左转，右转和返回五个命令， 而且在小车前进、左转或右转的过程中，将调用避障函数进行避障，所以一旦离障 碍物的距离小于安全距离时，（设的安全距离为 23CM），小车反转急停车，播放语音 提示遇到障碍；或者本来就离障碍物小于安全距离时，命令小车前进、左拐、右拐， 小车将不会执行相应动作，且直接语音提示遇到障碍。当小车接到返回命令时，则 返回至模式选择菜单，并语音提示返回成功；在循线模式下，把小车放到线轨上时 则执行循线动作，值得注意的是如果小车不在循线轨道上时，小车是不会执行循线 动作的，只有在放到线轨上才会执行动作，当按下控制板上的 KEY2 键则退出循线模 式。至于左后退和右后退两个不常用的命令则由于语音识别函数局限的原因，放到 了模式菜单那一级。 下面根据设计要求，针对各模块需要完成的功能，本着简单、实用、廉价、容 易操作、稳定的原则，对各模块进行充分的理论分析和方案论证。 2.1 控制核心的选择及其简介 因为所设计的小车具有语音、循迹和避障的功能，所一对控制核心的要求还是 比较高的，特别是语音模块，一般的单片机很难满足要求，比如常用的 51 系列单片 机，要其真正实现语音识别很有难度，所以根据实际需要选用具有强大语音功能的 SPCE061A 单片机。SPCE061A 单片机的编程环境也比较人性化，采用专用的集成开发 环境（IDE）进行程序的编辑，而且其不仅支持汇编，还支持比较高级的 C 语言。 还有一个特点是这种单片为凌阳公司所提供，有现成做好的 61 板，也就是说有 供电电路等辅助电路，还特别具有音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分）、 复位电路等。 2.1.1 SPCE061A 单片机简介 4
    SPCE061A 是继μ＇nSPTM 系列产品 SPCE500A 等之后,凌阳科技推出的又一个 16 位结构的微控制器。SPCE061A 里内嵌了 32k 字的闪存 FLASH。较高的处理速度,使μ＇ nSPTM 能够非常容易地快速处理复杂的数字信号,以μ＇nSPTM 为核心的 SPCE061A 微 控制器,也适用在数字语音识别应用领域。SPCE061A 在 2。6～3。6V 工作电压范围内, 工作速度范围为 0。32～49115MHz,较高的工作速度使其应用领域进一步拓宽。2k 字 SRAM 和 32k 字闪存 FLASH 仅占一页存储空间,32 位可编程的多功能 I/O 端口:两个 16 位定时器/计数器,32768Hz 实时时钟,低电压复位/监测功能,8 通道 10 位模—数转换 输入功能,并具有内置自动增益控制功能的麦克风输入方式,双通道 10 位 DAC 方式的 音频输出功能。SPCE061A 是数字声音和语音识别产品的一种非常经济的应用。 2.2.2 61 板简介 61 板是 SPCE061A EMU BOARD 的简称，是以凌阳 16 位单片机 SPCE061A 为核心的 精简开发－仿真－实验板（如图 2.1），大小相当于一张扑克牌，是“凌阳科技大学 计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作 及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61 板除了具备单片机最 小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部 分）、复位电路等，采用电池供电，方便学生随身携带！使学生在掌握软件的同时， 熟悉单片机硬件的设计制作，锻炼学生的动手能力，也为单片机学习者和开发者创 造了一个良好的学习条件和开发新产品的机会！ 图 2.1 61 板实物图 5
    2.2.3 集成开发环境（IDE）简介 61 板配有凌阳自行研发设计的 16 位单片机开发环境 IDE。此工具在 Windows 环 境下操作，支持标准 C 语言和汇编语言，集编译、编程、链接、调试和仿真于一体， 应用方便简单易学。同时还提供大量的编程函数库，特别是语音播放和语音识别的 相关函数，大大加快了软件开发的进程。 集成开发环境 IDE 具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列 表等，使编程、调试工作方便且高效。此外，它的软件仿真功能可以在不连接仿真 板的情况下模拟硬件的各项功能来调试程序。 在集成开发环境 IDE 中，可以非常方便将编写好的程序，通过 61 板配套的下载 线下载到 61 板上进行在线调试。 2.2 小车驱动方式的选择 玩具小车上的两个电机均为一般的玩具直流电动机，前轮用一个电机控制方向， 后轮的电机用来驱动小车，这就是传统的控制小车方向的方式，缺点是转向过于灵 敏；另外一种常见驱动方式为两电机四驱，差速转向，其优点是转向性能好，能实 现原地 360°转向，且在循迹行走的时候能比较稳定的行驶，但是这种驱动方式的硬 件制作比较有难度；还有一种驱动方案是采用三轮方案，即前面或后面安装一个万 向轮，然后两电机分别控制两驱动轮，这种驱动方式具有两电机四驱的优点，而且 硬件制作简单多了。 比较上面三种方案，首先排除了第三种方案，因为一开始的定位是要做四轮车。 对于第二种驱动方式虽然有制作的经验，但是制作过于麻烦，而且由于小车采用单 片机控制，可以通过单片机自动校正来克服第一种转向过于灵敏的缺点，能达到运 行平稳、安全高效的要求；再者，参照合肥工业大学参加“飞思卡尔”比赛的视频， 其驱动就是采用第一种方式，并很好的实现了预期的功能。所以，本设计亦采用此 种驱动方式。 2.3 语音播放和语音识别模块 语音模块需要实现语音播放和语音识别的功能，在 2.1 章节已经对控制核心作 了选择，利用 61 板就能很好的实现这些功能。 6
    前面已经对 61 板进行了简单了介绍，61 板上面已经集成了音频电路（含 MIC 输 入部分和 DAC 音频输出部分），所以不必要对硬件电路进行单独设计了。再者，在软 件方面，凌阳提供了多种格式的语音播放函数和功能强大的语音识别函数库，极大 的方便了语音模块的程序编制。 2.4 光电检测模块 光电检测是用于循迹功能的，这里的循迹是指小车能在白色地板上循黑线行走， 通常采取的方法便是红外探测法。 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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫 反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上 的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线 的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 3cm。 传感器的选用是个艰难的过程，放弃使用前几届师兄所采用的那种一般的红外 发射接收对管，因为那种管子太大，不适合安装，而且发射和接收为独立的部分， 之间没有遮挡，容易造成干扰。根据日 常经验，麻将机中有一种很好的红外发 射接收光耦管可以用于循线，经查找相 关资料，查到如下几种型号的传感： FS-359F\RG149A\RPR220\TCRT5000。然 后，逐一查找到了这几种传感器的技术 资料，经过仔细分析和对比其性能，结 合 购 买 可 能 性 ， 最 后 确 定 了 选 用 TCRT5000 型号的传感器，其形状如图 2.2 所示。 图 2.2 TCRT5000 实物图 7
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