基于单片机的智能小车设计北京交通大学.docx
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基于单片机的智能小车设计北京交通大学.docx
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基于单片机的智能小车设计北京交通大学
1.1研究目的
要求完成小车车体设计、电路设计,程序设计。
通过本课题的研究,可以使学生对所学知识如何应用到实践中得到综合训练,为其进入社会,发挥专业特长打下坚实基础。
1.2研究况状
随着微电子技术、计算机技术、及传感器技术的迅速发展,现今声控技术已经应用到社会中的各个角落,为人们提供着各种便利。
声音系统应用如下:
1、声控玩具车:
进一步提高系统的滤噪声性能和识别的准确率,并利用已有的软件开发出独具特色的语音芯片,并将其集成在遥控上即可做出声控玩具车。
2、能识别主人的看门狗:
在本系统的基础上扩充对说话者的识别功能,并将软件硬件化,集成在芯片上。
将芯片至于防盗门上,使之可以完成主人叫门及开门功能。
3、真实汽车上的声控系统:
在驾驶的过程中,不便于用手来完成的其他操作可以用声控系统来实现。
这于我们的系统是极其相似的。
但是实际的汽车中可能存在这大量的噪声,所以,滤波便成为最为关键的技术。
4、声控电脑:
设备在应用之前都要进行长时间“训练”。
这个“训练”过程有点类似教婴儿听说,首先要把我们知道的告诉声控电脑设备,比如一句话怎么说才正确。
电脑在“学习”这些话时,会把这些话拆成字或拼音中的声母和韵母去一点一点学习。
这个“训练”或“学习”过程很费时间。
当然,“学习”时间越长,该声控设备也越灵。
、
5、声音识别身份更保险:
由于每个人的声音千差万别,因此声音可以用作安全认证的依据之一。
别人可以模仿你的签字,猜测你的密码,甚至能留下你的指纹,但要模仿你的声音就有点太苛刻了。
美国的一座智能化大厦就采用了声音识别的方式。
到达公司门口,你必须通过安全检查。
电子声控门卫将问候“早上好!
”你也该回答“你好!
”或“早上好!
”之类的礼貌用语。
此时电子门卫通过你的声音来辨别你是不是该公司的工作人员,如果确认你是,它将主动为您打开门,但如果不是,电子门卫将客气地将你“拒之门外”。
1.3研究内容及方法
1.3.1研究内容
1、可以通过简单的I/O操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能。
2、可以在行走过程中声控改变小车的运动状态。
3、在超出语音控制范围时能够自动停车。
4、配合AT89C52的语音特色,利用系统的语音播放和语音识别资源,实现语音控制的功能。
1.3.2研究方法
本系统采用两片AT89C52增强型51单片机,双直流电机双轮驱动小车。
通过接收点收到声音信号时间不同,判断小车离各个接收站的距离远近,通过无线传输模块控制车载单片机,进而控制小车运动,到达目的地,发出声光信号。
音频处理方案:
采用测时间差的方式。
主控制器:
两片STC12C5A60S2增强型51单片机。
小车行驶方案:
双直流电机双轮驱动。
无线通信模块:
nFR24L01通信模块。
电机控制系统:
NEC_MMC电机控制芯片和L293集成芯片。
第二章方案设计及论证
2.1设计过程
2.1.1系统组成
整个系统由2片AT89C52增强型51单片机组成,可分为以下这几个模块:
周期性音频脉冲信号产生模块,声音接受、处理电路,无线电收发模块,NEC电机驱动及声光指示模块。
系统方框图如图2.1所示。
图2.1系统方框图
Fig.2.1Systemblockdiagram
2.1.2系统的工作流程
系统的工作的流程有以下几点:
1、启动MCU1、音频接收装置及无线电发送装置。
MCU1通过音频接收装置对音频信号进行实时监控。
2、启动MCU2、音频发生装置,由音频发生装置发出一串间歇的脉冲音频信号。
3、MCU1通过音频接收装置接收音频信号,进行算法处理,将结果由无线电发送装置发送出去。
4、MCU2接收MCU1的无线电引导信号,对电机进行控置,接近目标。
当小车行驶到指定的位置时停止,并发出信号使声光指示装置响应。
2.2主控系统选择
2.2.1采用高性能嵌入式系统
这些年来掀起了嵌入式系统应用热潮的原因只要有几个方面:
一是芯片技术的发展,使得单个芯片具有更强的处理能力,而且使集成多种接口已经成为可能,众多芯片生产厂商已经将注意力集中在这方面。
另一方面的原因就是应用的需要,由于对产品可靠性、成本、更新换代要求的提高,使得嵌入式系统逐渐从纯硬件实现和使用通用计算机实现的应用中脱颖而出,成为近年来令人关注的焦点。
嵌入式系统的几个重要特征:
1、系统内核小。
由于嵌入式系统一般是应用于小型电子装置的,系统资源相对有限,所以内核较之传统的操作系统要小得多。
比如Enea公司的OSE分布式系统,内核只有5K,而Windows的内核?
简直没有可比性。
2、专用性强。
嵌入式系统的个性化很强,其中的软件系统和硬件的结合非常紧密,一般要针对硬件进行系统的移植,即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要根据系统硬件的变化和增减不断进行修改。
同时针对不同的任务,往往需要对系统进行较大更改,程序的编译下载要和系统相结合,这种修改和通用软件的“升级”是完全两个概念。
3、系统精简。
嵌入式系统一般没有系统软件和应用软件的明显区分,不要求其功能设计及实现上过于复杂,这样一方面利于控制系统成本,同时也利于实现系统安全。
4、高实时性的系统软件(OS)是嵌入式软件的基本要求。
而且软件要求固态存储,以提高速度;软件代码要求高质量和高可靠性。
5、嵌入式软件开发要想走向标准化,就必须使用多任务的操作系统。
嵌入式系统的应用程序可以没有操作系统直接在芯片上运行;但是为了合理地调度多任务、利用系统资源、系统函数以及和专家库函数接口,用户必须自行选配RTOS(Real-TimeOperatingSystem)开发平台,这样才能保证程序执行的实时性、可靠性,并减少开发时间,保障软件质量。
6、嵌入式系统开发需要开发工具和环境。
由于其本身不具备自举开发能力,即使设计完成以后用户通常也是不能对其中的程序功能进行修改的,必须有一套开发工具和环境才能进行开发,这些工具和环境一般是基于通用计算机上的软硬件设备以及各种逻辑分析仪、混合信号示波器等。
开发时往往有主机和目标机的概念,主机用于程序的开发,目标机作为最后的执行机,开发时需要交替结合进行。
这里指采用高性能嵌入式系统比如ARM。
如果采用此方案,可以很好的解决数据处理和控制功能,但是ARM价格昂贵且本科阶段很少接触,在短时间内完成困难比较大。
2.2.2采用大规模可编程逻辑器件
大规模可编程逻辑器件是EDA得以实现的硬件基础,通过编程,可灵活方便地构建和修改数字电子系统。
可编程逻辑器件是集成电路技术发展的产物,很早以前,电子工程师们就曾设想设计一种逻辑可再编程的器件,但由于集成电路规模的限制,难以实现.二十世纪七十年代,集成电路技术迅猛发展,随着集成电路规模的增大,MSI,LSI出现,可编程逻辑器件才得以诞生和迅速发展。
这里指采用大规模可编程逻辑器件,如FPGA,CPLD。
但本题属于控制类,不适合采用此方案。
1、FPGA
(1)FPGA的概述
FPGA是英文Field-ProgrammableGateArray的缩写,即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分。
(2)PGA的基本特点主要有:
A)采用FPGA设计ASIC电路,用户不需要投片生产,就能得到合用的芯片。
B)FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。
C)FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。
D)FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。
E)FPGA采用高速CHMOS工艺,功耗低,可以与CMOS、TTL电平兼容。
(3)FPGA的应用
FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式,采用不同的编程方式。
加电时,FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中,配置完成后,FPGA进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的FPGA编程器,只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。
当需要修改FPGA功能时,只需换一片EPROM即可。
这样,同一片FPGA,不同的编程数据,可以产生不同的电路功能。
因此,FPGA的使用非常灵活。
(4)FPGA配置模式:
并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
2、CPLD
(1)CPLD的概述
CPLD(ComplexProgrammableLogicDevice)复杂可编程逻辑器件,是从PAL和GAL器件发展出来的器件,相对而言规模大,结构复杂,属于大规模集成电路范围。
是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。
其基本设计方法是借助集成开发软件平台,用原理图、硬件描述语言等方法,生成相应的目标文件,通过下载电缆(“在系统”编程)将代码传送到目标芯片中,实现设计的数字系统。
CPLD主要是由可编程逻辑宏单元(MC,MacroCell)围绕中心的可编程互连矩阵单元组成。
其中MC结构较复杂,并具有复杂的I/O单元互连结构,可由用户根据需要生成特定的电路结构,完成一定的功能。
由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连,所以设计的逻辑电路具有时间可预测性,避免了分段式互连结构时序不完全预测的缺点。
(2)CPLD可编程器件特点
它具有编程灵活、集成度高、设计开发周期短、适用范围宽、开发工具先进、设计制造成本低、对设计者的硬件经验要求低、标准产品无需测试、保密性强、价格大众化等特点,可实现较大规模的电路设计,因此被广泛应用于产品的原型设计和产品生产(一般在10,000件以下)之中。
几乎所有应用中小规模通用数字集成电路的场合均可应用CPLD器件。
CPLD器件已成为电子产品不可缺少的组成部分,它的设计和应用成为电子工程师必备的一种技能。
2.2.3采用单片机芯片
采用2片高性能单片机来实现,一片用来处理音频信号接收,同时控制车载单片机,担当主控单片机。
另一块作为从单片机,用来控制小车运动。
1、AT89C52单片机的概述
AT89C52单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机,是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机,指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。
内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制,强干扰场合。
2、AT89C52单片机的特点
(1)增强型8051CPU,1T,单时钟/机器周期,指令代码完全兼容传统8051。
(2)工作电压:
AT89C52系列工作电压:
5.5V-3.3V(5V单片机)STC12LE5A60S2系列工作电压:
3.6V-2.2V(3V单片机)。
(3)工作频率范围:
0-35MHz,相当于普通8051的0~420MHz。
(4)用户应用程序空间8K/16K/20K/32K/40K/48K/52K/60K/62K字节。
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