基于单片机控制的智能小车.docx

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基于单片机控制的智能小车

Companynumber：

【WTUT-WT88Y-W8BBGB-BWYTT-19998】

基于单片机控制的智能小车

学年论文设计

题目基于单片机控制的智能小车

Basedonsingle-chipmicrocomputer

controlofthecar

姓名

学号

所在系

专业班级

指导教师

日期

学年论文（论文）学生开题报告

课题名称

基于单片机控制的智能小车

课题来源

课题类型

指导教师

学生姓名

学号

专业班级

本课题的研究背景、现状和研究目的及意义

课题背景

智能小车是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的一种智能移动机器人。

移动机器人作为现代高科技的集成体，是21世纪的科技制高点之一。

移动机器人技术的发展，应该说它是科学技术发展的一个综合性的结果。

同时，它为社会经济发展产生了一门有着重大影响的科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战后各国加强了经济的投入，而移动对机器人的研究成果又提高了本国的经济的发展水平。

比如说日本，战后以后开始进行汽车工业，这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是社会发展需求本身的一个需求。

另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，人们在不断探讨自然、认识自然、改造自然过程中，需求一种能够解放人的自动化装置。

那么这种自动化装置就是代替人们能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达到的世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。

但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术及制造技术等相关技术的发展而产生提供了强大的技术保证。

智能小车机器人技术在国内外的研究现状

机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。

而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。

移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮......

智能小车研究目的和意义

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”一题作为尝试。

课题类型：

（1）A—工程实践型；B—理论研究型；C—科研装置研制型；D—计算机软件型；

E—综合应用型

（2）X—真实课题；Y—模拟课题；

（1）、

（2）均要填，如AY、BX等。

本课题的研究内容

（1）分析目前单片机控制的小车技术以及各种方案，并以此为基础提出自己的小车制作初步方案。

（2）确定智能小车的总体设计，包括控制核心的选择，小车驱动方式的选择，语音播放和语音识别模块，障碍检测模块

（3）进行智能小车电机驱动电路、语音控制电路等的设计和对各器件的选择及连接，大体分配各个器件及模块的基本功能要求。

（4）进行软件系统的设计，对于本系统，本人采用单片机C语言和汇编语言编写，对单片机内部结构和工作情况做了充足的研究，了解电机驱动的芯片原理，总体上完成了软件的编写。

本课题研究的实施方案、进度安排

实施方案:

智能小车为四轮结构，其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。

在自然状态下，前轮弹簧作用下保持中间位置。

后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。

所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两个轮子为驱动轮。

在软件方面运用C语言编写程序来控制单片机以达到控制小车的前后左右的基本变化，同时实时处理外界声音输入数据。

进度安排：

第一阶段：

撰写开题报告。

第二阶段：

着手进行方案的实施，并开始撰写论文初稿。

第三阶段：

在朱老师的指导下进行论文初稿的修改。

第四阶段：

将修改后的论文交给朱老师进行审阅。

第五阶段：

准备论文答辩工作。

已查阅的主要参考文献

【1】王晓明.《电动机的单片机控制》北京航空航天大学出版社2007年8月第2版

【2】吴红星.《电机驱动与控制专用集成电路及应用》中国电力出版社2006年6月第1版

【3】李仁定.《电机的微机控制》机械工业出版社2004年1月第1版

【4】赵亮，侯国锐.《单片机c语言编程与实例》人民邮电出版社2003年9月第1版

【5】陈永甫.《红外探测与控制电路》人民邮电出版社2004年6月第1版

【6】欧阳杰.《红外电子学》北京理工大学出版社1997年1月第1版

【7】韩纪庆,张磊,郑铁然.《语音信号处理》清华大学出版社2004年9月第1版

【8】黄智伟.《全国大学生电子设计大赛》北京航空航天大学出版社2007年2月第1版

【9】吴文虎.《程序设计基础》清华大学出版社2003年9月第1版

【10】谭浩强.《C语言程序设计》清华大学出版社2008年11月第2版

【11】LawrenceRabiner，Biing-HwangJuang.《fundamentalsofspeechrecognition》清华大学出版社，1999年9月第1版纯英文版

指导教师意见

指导教师签名：

年月日

摘要

课题的主要任务是设计并制作一辆基于单片机控制的智能小车，要求实现小车的声控和避障两大功能。

设计以凌阳16位单片机为控制核心，应用超声波传感器。

语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。

以往做这方面的设计，一般有两个途径：

一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。

普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。

专门的语音处理芯片也比较多，如ISD系列、PM50系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。

SPCE061A是一款16位μ'nSP结构的微控制器。

该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。

它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到49MHz。

SPCE061A内嵌32K字节的FLASH程序存储器以及2K的SRAM。

同时该SOC芯片具有ADC和DAC功能，其MIC_ADC通道带有AGC自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路10位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。

以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A能够单芯片实现语音处理功能。

超声波传感器是利用超声波的特性研制而成的传感器。

以超声波作为检测手段,必须产生超声波和接收超声波。

超声传感器的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。

超声波传感器主要材料有压电晶体（电致伸缩）及镍铁铝合金（磁致伸缩）两类。

电致伸缩的材料有锆钛酸铅（PZT）等。

压电晶体组成的超声波传感器是一种可逆传感器,它可以将电能转变成机械振荡而产生超声波,同时它接收到超声波时,也能转变成电能,所以它可以分成发送器或接收器。

课题完成了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，单片机，语音识别和播放，超声波传感器

Abstract

Subjectofmajortaskistodesignandproducearevivificationcontrolofthecarfortheimplementationofthecarfromthegreatbarriervoicecontrolandfunctions.Designedtolingyang16monolithicintegratedcircuitstocontroltheuseofultrasonicsensors.

Fordealingwithtechnologyisanewtechnology,itincludesnotonlythesoundrecordingandplay,butalsoinvolvesvoicecompressionencodinganddecoding,thevoiceofthepastsuchasprocessing.dothedesign,therearetwochannels：

amonolithicintegratedcircuitsdesignschemeisexpanded,theotherisspecializedforthemonolithicintegratedcircuitsarenotabletoachievesuchacomplicatedprocessandalgorithms,evenjusttomanyoftheperipheraldevicetoaddspecialhandling.thevoiceofthechipsarealsomanyisd,specialpm50series,butthevoicecapabilitiestochipinasinglevoiceinadditiontotheotheraspectsoftheapplicationisbasicallyimpossible.

Spce061aisa16-bitμ'nspstructureofthecontroller.Thechipwithahardwaremultiplication,canachieveinamultiplicationoperation,suchascomplexoperations.itisnotonlyofoperation,andprocessingspeedandacycle.Thehighestattainable49MHz.

Spce061abuilt-inflashmemory32kofprocedureand2ksramthesoc.ThechipistheDACADCandfunction,micwithenormousADCchannelagcautomaticallygain,caneasilybeasignaltochipin,twotenofthecurrenttypeofoutput,aslongasthedacapoweramplifiercanfinishthesound.Theaboveinformationwillsofthehardwareresourcesthatspce061atochipwiththevoicecapabilities.

Ultrasoundisauseofultrasonicthecharacteristicsofthedevelopmentofsensors.ultrasoundtests,asameanstogeneratesupersonicwaveandreceiveanultrasound.ultrasoundatthecoreistheplasticjacketorcoatofmetalapiezoelectriccrystal.

Ultrasonicsensorsofthemajormaterialshaveapiezoelectriccrystal（electricitytonickelandironexpansion）aluminium（magnetic）twotypesofexpansion.Theresultofthematerialshavethetitaniumsourzirconium（pzt）,etc.apiezoelectriccrystalofultrasonicsensorisareversiblesensors,anditcanbetransformed

intoelectricitymechanicalvibrationandgeneratesupersonicwave.Itreceivesofultrasonic,canalsobetransformedintoelectricity,soitcanbedividedintotransmittersandreceivers.

Keywords：

intelligentcarsingle-chipmicrocomputer

voicerecognitionandplayanultrasoundsensors

1绪论

选题背景及意义

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”一题作为尝试。

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（ABUROBCON）、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。

国内外研究现状及其发展

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。

机器人技术是一个国家高技术实力的一个重要标准，它涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，是众多领域的高科技。

而移动机器人比赛就是机器人技术的一个重要研究方向，目前许多国家己经把移动机器人比赛作为创新教育的战略性手段。

移动机器人比赛是一种高科技对抗活动，各国专家学者通过移动机器人竞赛，不断推进了在竞赛型移动机器人方面的研究，不断改进机器人寻址速度和算法研究，试图让机器人更接近智能化，它集高科技、娱乐和比赛于一体，引起了各国的广泛关注和极大兴趣，从而推动了移动机器人研究的热潮......

拓展部分

智能语音识别：

能判断是否主人的声音能达到远程声控

单片机控制系统主要研究的内容

一是确定智能小车的总体设计

小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，小车动作之后，随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。

在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能正常的接收语音指令，则只要定时时间一到，中断服务程序就会发出指令让小车停下来。

二是进行单片机及电机的硬件电路的设计

单片机是小车的核心，单片机的选择和运用直接影响小车的反应速度，电机控制系统和语音系统都是在单片机的控制下运行的要使它们之间配合运作则要求单片机的运算速度足够快和RAM够大，达到运作协调效果。

三是进行软件系统的设计

（1）时序管理：

采用时间控制的方法，在程序中设定各种时间参数值（这些参数值由反复实际测量得到），通过比较是否已达到或超过预定时间，来控制各段运行。

（2）中断管理：

采用多中断方式，因为优先级的设置，避免了多级中断的相互干扰。

其中，T0中断的优先级最高。

（3）多种控制方式复合：

用时间信号与各种检测信号共同控制车的运行。

2系统硬件电路的设计

单片机

当今世界上单片机的种类繁多：

8051单片机，凌阳单片机，STC单片，Atmel单片，Motorola单片机（现在为飞思卡尔）等等。

凌阳单片机：

SPCE061A是一款16位μ'nSP结构的微控制器。

该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。

它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到49MHz。

SPCE061A内嵌32K字的FLASH程序存储器以及2K的SRAM。

同时该SOC芯片具有ADC和DAC功能，其MIC_ADC通道带有AGC自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路10位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。

以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A能够单芯片实现语音处理功能。

借助于SPCE061A的语音特色，“基于单片机的智能小车”实现了对小车前进、后退、左转、右转、停车等语音控制功能.

SPCE061A特性：

16位μ’nSP微处理器

工作电压：

VDD为~（CPU）

VDDH为VDD~（I/O）

CPU时钟：

~

内置SRAM：

2K字

内置FLASH:

32K字

可编程音频处理

晶体振荡器

2个16位可编程

定时器/计时器

2个10位DAC

32位通用可编程输入输出端口

14个中断源

具有触键唤醒功能

使用凌阳语音编码

时钟信号

32768HZ实时时钟

7通道10位ADC

内置麦克风放大器和

自动增益控制功能

串口

具有低电压复位和

低电压监测功能

内置在线仿真电路ICE接口

具有保密能力

具有看门狗功能

耗电量低

Motorola单片机（现在为飞思卡尔）:

Motorola是世界上最大的单片机厂商,品种全,选择余地大,新产品多,在8位机方面有68HC05和升级产品68HC08,68HC05有30多个系列200多个品种,产量超过20亿片。

8位增强型单片机68HC11也有30多个品种,年产量1亿片以上,升级产品有位单片机68HC16也有十多个品种。

32位单片机683XX系列也有几十个品种。

近年来以PowerPC,Codfire,等作为CPU,用DSP作为辅助模块集成的单片机也纷纷推出。

目前仍是单片机的首选品牌。

Motorola单片机特点之一是在同样的速度下所用的时钟较Intel类单片机低的多因而使得高频噪声低,抗干扰能力强,更适合用于工控领域以及恶劣环境。

Motorola8位单片机过去策略是掩膜为主,最近推出OTP计划以适应单片机的发展,在32位机上,在性能和功耗上都胜过ARM7。

Atmel单片机:

ATMEL公司是世界上着名的高性能低功耗非易失性存储器和数字集成电路的一流半导体制造公司。

ATMEL公司最令人注目的是它的EEPROM电可擦除技术闪速存储器技术和质量高可靠性的生产技术。

在CMOS器件生产领域中，ATMEL的先进设计水平优秀的生产工艺及封装技术一直处于世界的领先地位，这些技术用于单片机生产使单片机也具有优秀的品质在结构性能和功能等方面都有明显的优势。

ATMEL公司的单片机是目前世界上一种独具特色，而性能卓越的单片机它在计算机外部设备通讯设备自动化工业控制宇航设备仪器仪表和各种消费类产品中都有着广泛的应用前景。

其生产的AT90系列是增强型RISC内载FLASH单片机,通常称AVR系列。

AT91M系列是基于ARM7TDMI嵌入式处理器的ATMEL16/32微处理器系列中的一个新成员该处理器用高密度的16位指令集实现了高效的32位RISC结构且功耗很低。

另外ATMAL的增强型51系列单片机目前在市场上仍然十分流行,其中AT89S51十分活跃。

8051单片机：

最早有Intel公司推出8051/31类单片机,也是世界上使用量最大的几种单片机之一。

由于Intel公司将重点放在186,386,奔腾等与PC类兼容的高档芯片开发上,8051类单片机主要有Philips,三星,华帮等公司接手。

这些公司在保持与8051单片机兼容基础改善了8051的许多特点。

提高了速度,降低了时钟频率,放宽了电源电压的动态范围,降低了产品价格。

STC单片机:

STC单片机完全兼容51单片机,并有其独到之处,其抗干扰性强,加密性强,超低功耗,可以远程升级,内部有MAX810专用复位电路,价格也较便宜,由于这些特点使得STC系列单片机的应用日趋广泛.

经过以上单片机的比较最后决定采用凌阳单片机：

（1）体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展

（2）具有较强的中断处理能力

（3）高性能价格比

（4）功能强、效率高的指令系统

（5）低功耗、低电压

语音声控

语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。

以往做这方面的设计，一般有两个途径：

一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。

普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。

语音识别的原理简介：

语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。

在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。

语音识别的具体流程如下图所示：

SPCE061A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。

专门的语音处理芯片也比较多，如ISD系列、PM50系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。

SPCE061A是数字声音和语音识别产品的一种非常经济的应用

基于单片机和语音系统综合考虑所以选择：

SPCE061A凌阳单片机

电机选择和电机芯片

2.3.1电机模块

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。

由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：

采用步进电机作为该系统的驱动电机。

由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。

虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。

经综合比较考虑，我们放弃了此方案。

方案2：

采用直流减速电机。

直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。

我们所选用的直流电机减速比为1：

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