语音光电控制小车设计文档格式.docx
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题目语音光电控制小车设计
1、本论文的目的、意义1、明确毕业设计的内容、要求、目的;
2、理解
SPCE061A的概念及其主要性能和芯片引脚功能说明;
3、指令系统的概述和
符号约定,数据传送指令和伪指令的功能概述;
4、光的幅度、反射的质地、
反射和入射光波之间的夹角以及接收换能器的灵敏度。
接受换能器对光波脉
冲的直接接收能力将决定的最小可测距离。
为了增加所测的覆盖范围、减小
测量误差,可采用多个光波换能器分别作为多路光波发射/接收的设计方法。
2、学生应完成的任务1、完成毕业设计任务;
2、规范化,及毕业设计的内容要齐全;
3、毕业设计的类容包括封面、任务书、中、英文摘要、目录、主题内容;
4、字体、格式要标准化;
5、内容要全面得体;
6、总体符合要求。
3、论文各部分内容及时间分配:
(共20周)
第一部分查阅资料(1—4周)
第二部分明确设计的目的(5—7周)
第三部分制定方案,确定设计的可行性(8—11周)
第四部分软件设计(单片机的选择和主程序、子程序设计)(12—14周)
第五部分调试利用PROBE实现仿真和程序的烧写(15—17周)
评阅及答辩(18—20周)
备注:
指导教师:
年月日
审批人:
年月日
摘要
随着电子业的发展,自动化已不再是一个新鲜的话题,无人驾驶的小汽车也必将进入实用阶段,本系统模拟将来的智能小车。
根据开始录制的语音命令来控制启动、停止、返回和语音辩识,并且能自动避开障碍物,进行前行和倒退。
利用SPCE061A单片机,金属传感器和黑白传感器来控制电机的正反转和控制电磁铁的吸合与断电,从而达到让小车能够清理道路上的小铁块。
利用光电检测器检测道路上的障碍物,控制电动小汽车行使状态,并自动记录往返距离,显示小车所走过的路程。
在整个行程中如果遇到正前方的障碍物将倒退一段距离后拐弯正向前行。
随着计算机新技术不断地涌现和VLSI设计技术的迅猛发展,计算机无论在系统体系结构还是在性能上都发生了巨大的变化。
关键词:
SPCE061A单片机;
红外传感器;
金属传感器;
霍尔组件
Abstract
Withthedevelopmentoftheelectronicsindustry,automationisnolongeranewtopic,driverlesscarswillalsoenterthepracticalstage,thesystemsimulationofthefuturesmartcar.Accordingtostartrecordingthevoicecommandtocontrolstart,stop,returnandvoiceidentification,andcanautomaticallyavoidobstaclesandbackbeforethetrip.SPCE061Ausesingle-chip,metalsensorsandmotorstocontroltheblack-and-whitesensorandcontrolthepositivepull-insolenoidwiththepowertoachievesothatcarsontheroadtocleanupasmallpieceofiron.Theuseofphotoelectricdetectorobstaclesontheroad,controltheexerciseofthestateofelectriccars,andautomaticallyrecordsandfromthedistance,indicatingthedistancetraveledbycar.Iftheentiretripinfrontoftheobstaclesencounteredwillbebackafterthebendisalongwaytogoforward.WithnewtechnologiesconstantlyemergingVLSIDesignTechnologyandtherapiddevelopmentofcomputersystemarchitectureintermsofperformanceorhaveundergonetremendouschanges.
Keywords:
SPCE061Asinglechip,infraredsensor,metalsensors,Hallcomponents
第1章绪论
1.1电子产业的前景
随着中国经济的持续发展和以信息化带动工业化战略的实施,国家对芯片的市场需求保持快速的增长,市场的增长带来了制造业的繁荣,中国正在成为世界集成电路制造业的重要区域,同时也将成为集成电路装备商争胜的焦点。
“如果在内地设立芯片生产线,其成本比美国和日本等国家可以节省30%-40%左右。
”
中科院微电子研究所所长叶甜春认为,这无疑是一个巨大的诱惑,目前的国内的芯片市场正处于高速的增长状态,内地廉价的成本和巨大的市场提供了历史性的产业发展机遇与空间。
最新的研究显示,未来四年亚洲芯片厂商的销售收入将几乎翻一番,达到318亿美元。
面对巨大的市场蛋糕和落后于人的局面,业内人士均表示,除了设备企业自身的努力外,对于这种战略性产业,国家的支持显得尤为关键,由于大规模集成电路装备的研发、制造和工艺验证需要大量资金和技术支持,因此政府应该站在国家战略的高度加大对集成电路制造装备的支持力度。
中芯国际集成电路制造有限公司器件研究和对外合作处技术副处长吴汉明认为,国家的支持可分为政策支持和财政支持两个方面,包括:
首台国产设备的优惠政策,首家用户的选择,配套措施的跟进,相关税收减免和优惠,零部件的进口税减免,科技研发人员的激励政策;
财政支持方面,要做好中央、地方、承担单位三方面资金的配套,还要把设备考核、工艺试验、应用鼓励的资金安排好,宁可少安排一两台设备,也要把资金打足。
国家在支持国产半导体设备项目时,要有所为有所不为,要集中资源挑选国内有基础的项目进行重点支持,支持力度可以与国产设备应用前景挂钩。
1.2光电控制的必要性
进入21世纪以来,光电控制技术正在迅速取代常规电气控制技术,从而在运动控制、工程监控系统等领域得到广泛的应用。
光电传感器由于具有响应速度快,无接触,低耗能,体积小,安装简便等优点而被广泛应用于自动化系统;
可编程控制器由于编程方便,适应性强,抗干扰,可进行网络通信等,已经奠定了在控制系统应用中的主导地位。
随着控制技术的发展和更新,了解和掌握光电控制技术与系统的原理、结构和应用是非常必要的。
第2章SPCE061A单片机的介绍
2.1
SPCE061A主要性能
(1)16位μ’nSP™处理器;
(2)工作电压(CPU)VDD为2.4~3.6V(I/O)VDDH为2.4~5.5V;
(3)CPU时钟:
0.32MHz~49.152MHz;
(4)内置2K字SRAM;
(5)内置32KFLASH;
(6)可编程音频处理;
(7)晶体振荡器;
(8)系统处于备用状态下(时钟处于停止状态),耗电仅为2μA@3.6V;
(9)2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值);
(10)2个10位DAC(数-模转换)输出通道;
(11)32位通用可编程输入/输出埠;
(12)14个中断源可来自定时器A/B,时基,2个外部时钟源输入,键唤醒;
(13)具备触键唤醒的功能;
(14)使用凌阳音频编码SACM_S240方式,能容纳210秒的语音数据;
(15)锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号;
(16)32768Hz实时时钟;
(17)7信道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器;
(18)声音模/数转换器输入信道内置麦克风放大器和自动增益控制功能
(19)具备串行设备接口;
(20)具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能;
(21)内置在线仿真电路ICE(In-CircuitEmulator)接口;
(22)具有保密能力;
(23)具有WatchDog功能;
2.2
SPCE061A芯片引脚功能说明
表2-1芯片引脚功表
IOA0~IOA15
I/O口A共16个
IOB0~IOB15
I/O口B共16个
XRESB
复位输入。
若这个脚输入低电平时会使控制器被重置复位
ICE_EN
ICE使能端
ICE_SCK
ICE时钟端
ICE_SDA
ICE数据端
DAC1
音频输出通道1
DAC2
音频输出通道2
VREF2
2V参考电压输出端
AGC
语音输入自动增益控制端
VCM
ADC参考电压输出端
VDD(第7脚)
琐相环电源
VDD(第15脚)
数字电源
2.3
DAC方式的音频输出
SPCE061A提供的音频输出方式为双通道DAC方式。
在此方式下,DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2引脚输出,输出的数字量分别写入P_DAC1和P_DAC2。
(1)P_DAC2(读/写)(7016H):
在DAC方式下,该单元是一个带10位缓冲寄存器DAR2的10位D/A转换单元(DAC2)。
P_DAC2写:
通过此单元直接写入10位数据到10位缓存器DAR2,来琐存DAC2的输入数字量值(无符号数)。
P_DAC2读:
从DAR2内读出10位数据。
(2)P_DAC1(读/写)(7017H):
该单元为一个带10位缓存器(DAR1)的10位D/A转换单元(DAC1)。
用于向DAR1写入或从其中读出10位数据。
(3)P_DAC_Ctrl(写)(702AH):
DAC音频输出方式的控制单元,其中第5~8位用于选择DAC1输出方式下的数据琐存方式;
第3、4位用来控制A/D转换方式;
第1位总为0,用于双DAC音频输出。
2.4
指令系统的概述及符号约定
指令是CPU执行某种操作的命令。
微处理器(MPU)或微控制器(MCU)所能识别全部指令的集合称为指令系统或指令集。
指令系统是制造厂家在设计CPU时所赋予它的功能,用户必须正确的书写和使用指令。
因此学习和掌握指令的功能与应用非常重要,是程序设计的基础。
本章将详细的介绍SPCE061A指令系统的寻址方式和各种指令。
μ’nSP™单片机指令按其功能可划分为:
(1)数据传送指令,包括立即数到寄存器、寄存器到寄存器、寄存器到内存内存到寄存器的数据传送操作;
(2)算术运算,包括加、减、乘运算;
(3)逻辑运算,包括与、或、异或、测试、移位等操作;
(4)转移指令,包括条件转移、无条件转移、中断返回、子程序调用等操作;
(5)控制指令,如开中断、关中断、FIR滤波器的数据的自由移动等操作。
按寻址方式划分,可分为以下几类:
立即数寻址这种寻址方式是操作数以立即数的形式出现,例如:
R1=0x1234,是把16进制数0x1234赋给寄存器R1。
内存绝对寻址这种寻址方式是通过内存地址来访问内存中的数据,例如:
R1=[0x2222],访问0x2222单元的数据。
寄存器寻址这种寻址方式是操作数在寄存器中,例如:
R1=R2,是把寄存器R2中的资料赋给寄存器R1。
寄存器间接寻址这种寻址方式是操作数的地址由寄存器给出,例如:
R1=[BP],是把由BP指向的内存单元的数据送寄存器R1。
变址寻址这种寻址方式下,操作数的地址由基址和偏移量共同给出,例如:
R1=[BP+0x34]。
2.4.1
数据传送指令
数据传送指令是把源操作数传送到指令所指定的目标地址。
数据传送操作属复制性质,而不是搬家性质。
指令执行后,源操作数不变,目的操作数为源操作数所代替。
通用格式是:
<
目的操作数>
=<
源操作数>
源操作数可以是:
立即数、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、直接地址寻址、变址寻址等。
2.4.2
伪指令
μ’nSP™汇编伪指令与汇编指令不同,它不会被编译,而仅被用来控制汇编器的操作。
伪指令的作用有点像语言中的标点符号,它能使语言中的句子所表达意思的结构更加清晰而成为语言中不可缺少的一部分。
在汇编语言中正确使用伪指令,不仅能使程序的可读性增强,且使汇编器的编译效率倍增。
伪指令的语法格式及特点
伪指令可以写在程序文件中的任意位置,但在其前面必须用一个小圆点引导,以便与汇编指令区分开。
伪指令行中方括号里的参量是任选项,即不是必须带有的参量。
如果某一个参量使用双重方括号括起来,则说明这个任选项参量本身就必须带着方括号。
例如[[count]]表示引用该任选参量时必须写出[count]才可。
μ’nSP™的汇编器规定的标准伪指令不必区分字母的大小写,亦即书写伪指令时既可全用大写,也可全用小写,甚至可以大小写混用。
但所有定义的标号包括宏名、结构名、结构变量名、段名及程序名则一律区分其字母的大小写。
第3章接口设计
3.1
接口电路方框图及说明
电路方框图如下图4-1所示:
图4-1小车界面框图
主控组件采用凌阳SPCE061A单片机,属于凌阳u’nSP™系列产品的一个16位结构的微控制器。
SPCE061A里只内嵌32K字的闪存(FLASH),但用在此系统上已经绰绰有余。
较高的处理速度使u’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此以u’nSP™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2.6V-3.6V工作电压范围内的工作速度范围为0.32MHz-49.152MHz,较高的工作速度使其应用领域更加拓宽。
2K字SRAM和32K字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信道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;
双信道10位元元元DAC方式的音频输出功能,这就为本系统的特定人辨识和语音播报打下了基础。
采用凌阳SPCE061A十六位单片机,对小车的整个行驶过程进行实时监控,完成所有功能需要24个I/O口,由于凌阳SPCE061A单片机提供32个I/O口,一片即可实现所有功能,这为设计过程提供了极大方便。
其主要设计思想是:
在小车上安装一个霍尔组件,利用单片机的IOB3外部中断判别轮胎转数的结果用来计算路程;
安装两个检测障碍物的光电检测器和一个碰撞开关,利用IOB5、IOB6用扫描的方式来控制拐弯和返回;
安装一个金属传感器用来检测轨道上的小铁块,并用一个电机来控制电磁铁的升降来拾起轨道上的小铁块。
再安装了一个黑白传感器用来判断装小铁块的盒子的位置,让其能够正确的落入盒子里面。
利用单片机的IOB8-IOB13控制继电器选择小车的正、反向和左、右转;
凌阳SPCE061A十六位单片机提供了丰富的时基信源和时基中断,给设计者以大量的选择空间,并给设计者提供精确的时基计数,其加减速通过大功率电阻消耗功率来实现。
3.2
光电传感器
光电检测器是一种将光量的变化转换为电量变化的传感器。
它的物理基础就是光电效应。
光电效应分为外光电效应和内光电效应。
图4-3检测器接线图
光电检测器的工作原理:
当外加电压一定时,当电流的大小和入射光的强度成正比例,这样光电检测器能把强弱变换的光转换成强弱变换的电流。
在本系统中,为了确定障碍物,加入障碍物检测的光电传感器,根据小车所处的位置改变行驶状态,所使用的光电传感器为市场上普通的光电传感器,其型号为764型输出形式为晶体管集电极开路输出。
接4.7k的上拉电阻,测量范围为1.5~18.5cm,实际安装距地面为2cm。
在没检测到障碍物时Uo输出为低电平,在检测到障碍物时Uo将与传感器内部电路断开,因而加一个上拉电阻,此时将输出高电平。
把光电检测器输出的信号接入SPCE061A单片机的IOB5和IOB6口,用来控制小车的两个电机正反转动,使小车能够避开障碍物。
在检测障碍物的过程中采用查询方式(即随着小车的运行轨迹,光电传感器便检测小车前方有无障碍物,直到检测到障碍物时就发出指令,使小车避开障碍物,随后继续检测直到小车停止)。
光电探测器的性能参数:
(1)积分灵敏度R:
灵敏度也常称作响应度,它是光电探测器光电转换特性的量度。
(2)光谱灵敏度Rλ。
(3)频率灵敏度Rƒ。
(响应频率fc和响应时间T)。
(4)量子效率η描述。
(5)通量阀Pth和噪声等效功率NEP。
3.2.1
霍尔传感器
霍尔传感器是利用霍尔效应实现磁电转换的一种传感器,它具有灵敏度高、线形度好、稳定性高、体积小和耐高温等特性,它已经广泛应用于非电量测量、自动控制、计算机装置和现代军事技术等各个领域。
霍尔效应是半导体中自由电荷受磁场中洛仑兹力作用而产生的。
设霍尔组件为N型半导体,当它通以电流I时,半导体中的自由电荷即载流子受到磁场中洛仑兹力
的作用,其大小为
=-evB
(4-1)
式中v为电子速度,B为垂直于霍尔组件表面的磁感应强度。
使电子向垂直于B和自由电子运动方向偏移,其方向符合右手螺旋定律,即电子有向某一端积聚的显现,使半导体一端面产生负电荷积聚,另一端面则为正电荷积聚。
由于电荷积聚,产生静电场,即为霍尔电场。
该静电场对电子的作用力
与洛仑兹力方向相反,将阻止电子继续偏转,其大小为
(4-2)
式中
为霍尔电场,
为电子电量。
3.2.2
红外探测器
红外辐射就是红外光,其波长从1—1000um。
红外辐射的物理本质是热辐射。
物体的温度越高,辐射的红外线越多,红外辐射的能量就越强。
红外光具有反射、折射、散射、干涉、吸收等特性。
红外辐射的基本定律:
(1)基尔霍夫定律,它指出,一个物体向周围辐射热能的同时也吸收周围物体的辐射能。
如果几个物体处于同一温度场中,各物体的热发射本领正比于它的吸收本领,这就是基尔霍夫定律,可由下式表示:
,式中
是物体在单位面积和单位时间内发射出的辐射能;
是物体的吸收系数;
是常数,其值等于黑体在相同条件下发射出的辐射能。
黑体是在任何温度下全部吸收任何波长辐射的物体,黑体的吸收本领与波长和温度无关,即
=1。
黑体吸收本领最大,但是加热后,它的发射热辐射也比任何物体都要大。
(2)斯芯藩-波尔兹曼定律,物体温度越高,它辐射出来的能量越大。
可用下面的公式表示:
式中
是某物体在温度T时单位面积和单位时间的红外辐射总能量;
是斯芯藩-波尔兹曼常(
);
是比辐射率,即物体表面辐射本领与黑体辐射本领之比值,黑体的
=1;
T是物体的绝对温度。
物体温度越高,其表面所辐射的能量就越大。
(3)维恩位移定律,热辐射发射的电磁波中包含着各种波长。
实验证明,物体峰值辐射波长与物体的自身的绝对温度T成反比。
它的峰值辐射波长随温度升高向短波方向偏移。
当温度不很高时,峰值辐射波长在红外区域。
红外探测器是红外检测系统中最重要的器件之一,按工作原理可分为“热探测器”和“光子探测器”两类。
(1)热探测器
热探测器在吸收红外辐射能后温度升高,引起某种物理性质的变化,这种变换与吸收的红外辐射能成一定的关系。
常用的物理现象有温差热电现象、金属或半导体电阻阻值变化现象、热湿电现象、气体压强变化现象、金属热膨胀现象、液体薄膜蒸发现象。
因此只要检测出上述变化,即可确定被吸收的收红外辐射能大小,从而得到被测非电量值。
热电探测器主要有热敏电阻型、热电偶型、高莱气动型和热湿电型。
热湿电型探测器:
热湿电型探测器是一种具有极化现象的热晶体或称“铁电体”。
铁电体的极化强度(单位面积上的电荷)与温度有关。
当红外辐射照射到已经极化的铁电体薄片表面上时,引起薄片温度升高,使其极化强度降底,表面电荷减少,这相当于释放一部分电荷,所以叫热湿电型探测器。
(2)光子探测器
光子探测器是利用某些半导体材料在入射光的照射下,产生光子效应,使材料电学性质发生变化。
通过对电学性质变化的探测,可以了解红外辐射的强弱。
利用光子效应所制成的红外探测器,统称光子探测器。
其主要特点是灵敏度高,响应速度快,具有较高的响应频率。
但它一般需在底温下工作,探测波段较窄。
按照光子探测器的工作原理,一般可分为内光探测器和外光探测器两种,前者又分为光电导探测器、光电伏特器和光磁电探测器三种。
3.3
显示路程
所谓LED显示就是通过发光二极管芯片的适当连接(包括串联和并联)和适当的光学结构,可构成发光显示器的发光段或发光点。
由这些发光段或发光点可以组成数码管、符号管、米字管、矩阵管、电平显示器管等等。
通常把数码管、符号管、米字管共称笔划显示器,而把笔划显示器和矩阵管统称为字符显示器。
LED显示器结构
基本的半导体数码管是由七个条状发光二极管芯片排列而成的,可实现0~9的显示。
其具体结构有反射罩式、条形七段式、单片集成式多位数字式等。
(1)反射罩式数码管一般用白色塑料做成带反射腔的七段式外壳,将单个LED贴在与反射罩的七个反射腔互相对位的印刷电路板上,每个反射腔底部的中心位置就是LED芯片。
在装反射罩前,用压焊方法在芯片和印刷电路上相应金属条之间连好φ30μm的硅铝丝或金属引线,在反射罩内滴入环氧树脂,再把带有芯片的印刷电路板与反射罩对位粘合,然后固化。
反射罩式数码管的封装方式有空封和实封两种。
实封方式采用散射剂和染料的环氧树脂,较多地用于一位或双位器件。
空封方式是在上方盖上滤波片和匀光膜,为提高器件的可靠性,必须在芯片和底板上涂以透明绝缘胶,这还可以提高光效率。
这种方式一般用于四位元元元以上的数字显示(或符号显示)。
(2)条形七段式数码管属于混合封装形式。
它是把做好管芯的磷化镓或磷化镓圆片,划成内含一只或数只LED发光条,然后把同样的七条粘在日字形“可伐”框上,用压焊工艺连好内引线,再用环氧树脂包封起来。
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