智能发声小车毕业设计终期答辩.docx

智能发声小车毕业设计终期答辩.docx

《智能发声小车毕业设计终期答辩.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能发声小车毕业设计终期答辩.docx（54页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

智能发声小车毕业设计终期答辩

、

本科毕业设计（论文）

智能发声小车的设计与研究

燕山大学

里仁学院

2017年5月

本科毕业设计（论文）

智能发声小车的设计与研究

学院：

里仁学院

专业：

通信工程

学生姓名：

赵凯月

学号：

131308071157

指导教师：

郭经纬

答辩日期：

2017.6.18

摘要

智能小车不仅仅已经在工业中得到了广泛的应用还广泛应用于各种行业。

从通常的意义上来讲，机器人作为一种可以用来模拟人类行为的电子智能装置设备，除了可以进行长时间的大量的工作，还可以对环境变化有产生分析判断和快速反应的能力因此还可以用来抵抗和应对恶劣的环境。

机器设备现今作为人类最伟大的发明之一，已经逐渐变成每个领域不可或缺的设备。

不仅在制造业更是到家庭甚至一些穿戴设备比如电子表逐渐作为可以通讯的设备，因为计算机、高新技术等技术的快速发展已经使得智能机器技术得到了发展。

本文实现了通过ARM单片机上的触屏操作例如各个触屏上的按键或者对触屏上的不同的滑动操作实现对小车的智能控制，主要通过对触屏点坐标的读取和识别通过遥控端的无线模块发送命令或数据，同时在小车的遥控端接麦克风的端口，在小车的接收端将命令或数据读取并执行相应的命令，将数据中的语音信号进行模数转换通过语音的功放模块在喇叭终端实现语音的发声，达到传送语音的目的。

本实验在传送命令的调试过程中采用串口调试助手调试发送以及接受程序，在完成初步的收发命令的步骤后，对每一条命令编写要执行相应的功能程序在接受端对直流电机驱动模块控制电机的正转与反转。

本课题完成设计实现的系统已试运行正常。

实验结果表明此次毕设已基本实现了所要求的功能。

关键词：

智能小车；触屏；无线收发；遥控；ARM

第1章绪论

1.1课题背景及意义

科学的不断进步需要人们向前的不断探险，而在漫长的过程中，我们需要更加有力的工具或者一些电子或者机械的设备帮助我们努力前进。

这些高科技的设备可以帮助我们延长我们的视觉上的空间或者我们的双手去获得我们本不能或者本身人类所接触不到的东西。

一切都正在因它们而逐渐发生改变。

智能小车正是其中一种。

智能小车不仅可以帮助我们抵抗自然灾害更在探索外太空探索未知领域起着重大的作用。

最近几年里，中国、日本等国发生了多次极为严重的自然灾害。

例如汶川大地震、日本海啸等提升了人们对自然灾害的警惕，同时也提醒着人们应该给予智能机器人方面足够的重视，提高抗灾救灾能力迫在眉睫。

伴随着智能小车和计算机技术的不断发展机器的越来越智能化并逐步地成为了一种潜在的力量，比如它可以代替人类或者动物进入危险的环境中，去探索一些人类不能进入或者不敢进入的地方，还可以更近地拍摄一些未知的危险环境等等。

除了在科学探索方面该技术也可以应用于救援方面，例如为消防官兵的救援做好准备，帮助消防官兵救援和探索有难以发现的生命迹象，给受困群众更多生还的机会。

最后，智能小车还能帮助我们探索无限的天空，美国探索月球和火星的主要工具便是智能小车，我国的探月计划也少不了智能小车的帮助。

此外，智能小车也逐渐开始在军事、民用和科学研究等方面走向巅峰，而且在科学领域也提供了一种新的途径。

1.2课题研究现状及分析

1.2.1可行性分析

随着计算机技术的快速发展也带动着电子行业的不断向前发展，小到家庭生活大到航天科技，无一不体现着技术的极大应用和发展，例如日常生活中的自动扫地机器人就是深入人们生活的一个典例，嫦娥一号探月机器人则是在航天方面的应用。

但是到目前为止，智能机器车技术在获取信息、传输数据，处理信息和控制等等方面都有很大的限制，伴随着图像技术的应用，图像信息的处理和获取方面等都方面都有很大的限制，因其无法处理复杂的和多任务的优先级的处理或者在多变的环境下工作因为环境的变化产生无法工作或者彻底瘫痪并因此产生更加巨大的影响，所以需要考虑多个机器设备共同组成的系统的可性，此系统内需要多个传感器的共同协作和信息的共享以达到完成单个智能车难以完成的任务，或者在单个智能车上板载更多的电子设备，以达到多个智能机器人共同协作的能力，提高执行任务的效率。

由多个智能电子设备或者多机器设备组成的系统相比较而言有很大的优越性。

1.2.2技术现状

从2003年以来全国电子设计大赛和省级全国电子设计大赛智能小车一直备受青睐，大家都在前人的基础上纷纷亮出自己的得意之作。

且大部分是以循迹小车为主题，主控芯片自然是用的赞助商提供的片子为多。

其中飞思卡尔、MPS430等都是智能小车的热门主控芯片，甚者有采用FPGA、DSP、ARM 来做控制台的，个人觉得 Cortex‐M3 很适合，而此文为大家介绍的是采用STM32F103ZET6为主控芯片,为从处理器搭建的智能小车平台。

ARM芯片功能众多相比51单片机可实现的功能和集成更加优秀，在因此决定用ARM芯片来作为主控芯片搭建智能小车。

随着科技的迅猛发展特别是电子行业和计算行业的快速发展，机器车的应用越来越广泛越来越复杂，人们开始更加全面细致地深入研究关于智能机器的各项技术，

比如对信息的处理越来越快速高效，前段时间出现的人工智能阿尔法狗已经超越人类的第一围棋高手着标志这人工智能在深度学习已经到达了一个巅峰，除了在人工智能方面的发展；电子行业也得到很大的发展，例如美国一公司已经设计出能独立跨越各种阻碍的机器狗，这除了得益于计算机的计算能力有了很有效的提高，还得益于智能机器车的应用已经逐渐的渗透到人们生活的各个领域，这是一个让人高兴事情。

随着技术的不断发展以及对智能机器方面的各项技术的成熟，智能已经逐渐向民用发展，例如餐饮行业的服务与现场机器人，不仅能够像服务员一样为顾客提供而且还能及时明白顾客的要求实现科技与生活相结合的目的。

除此之外，人机交互也是21世纪人类对本身的智能研究的一个清晰的方向，增加客户体验等，如果能把人类的智慧充分发挥出来监控技术和人机技术就可已得到更加充分的发展，甚至达到人机一体。

智能技术的发展涉及传统的人工智能和新型的人工智能，每个阶段的智能发展都受到当时社会的发展力的影响，所以迄今为止还没有一个完全可以用来完整全面的阐述指导研究智能的实现的理论。

1.3技术要求与性能指标

1.3.1技术要求

通过上面的介绍，表面上是单纯的一个用遥控来控制小车执行命令并用无线麦克来传输数据和声音的一个玩具，其实不然，该毕业设计虽然只是一个很简单的实现过程其实在应用方面还是有很大的拓展空间，例如在一些迪士尼等游乐场可以用来逗乐游人的一个游玩的措施，不仅好玩而且还能大大吸引游客。

在一些孩子的玩具上应用可以激发孩子的想象力，避免抑郁症的出现，另外在餐饮行业应用来送餐以及可以直接通过语音来和顾客交流，实则也是一个很好的创意，不仅仅是应用在民用，很多的也可以应用在科研，例如在探月，救援，军用中都可以实现更大的价值。

在高校中从2003年以来全国电子设计大赛和省级全国电子设计大赛智能小车一直备受青睐，大家都在前人的基础上纷纷亮出自己的得意之作。

且大部分是以循迹小车为主题。

从成本的角度来考虑，简单易行而且成本很低，不仅仅适合游乐场这样的大型的设施也适合家庭这样的小的场所。

1.3.2功能要求

简单介绍一下智能小车平台可以实现的功能：

上位机无线遥控可发送速度、转向、行车时间、轨迹、测距、自动蔽障等控制命令，同时可以反馈实时速度、距离、电源电压、功率等状态数据，本次的毕业设计将采用智能遥控小车增加语音模块的功能。

本项目的整个实现过程是通过控制端向小车发送转向停止前进等命令，再由终端的单片机处理信息，将数据转发给板载的电机驱动模块，模块通过对命令的解析实现对直流电机的正转反转实现小车的各种运动的命令。

此外在遥控端采用TFTLCD触摸屏作为发送命令的端口而并没有采用按键，可以通过对触屏的操作让屏幕识别动作从而可以实现对终端的命令。

除此之外，小车上还安装了语音模块，在无线传输过程中不但要处理执行的操作命令，还要将语音信息及时传给语音模块进行模数操作后通过喇叭发出声音。

总体来说主要分成四部分，液晶触摸屏和无线传输，电机驱动模块和语音模块部分。

1.3.3技术参数指标

（1）液晶坐标读取与定位

在机器人研究领域中，人机交互问题一直都是机器人和智能车研究的热点问题，这些都要不仅要靠机器的传感器来感知环境并将环境的参数读取出来还要能实现对人的一些命令的准确执行，目前液晶的显示以及人机交互的成果上已经取得了一些成果，但是对于手势的变化以及定位是目前研究的难点，除此之外该研究包括如何让小车与环境进行交互，构建精确的环境与运动模型，如何有效的去除环境中的不确定因素。

（2）无线传输

NRF24L01是一款专门用来无线通信的通信芯片，采用FSK调制方式，该模块内部集成可以实现点对点的无线通信的enhancedshortburst协议，在每次进行点对点通信时要配置相应传输数据的主从机的地址，除此之外，无线通信的速度可以达到2M。

每个无线模块上有六个控制和数据信号，采用spi通信方式。

能极大提高传输的准确性和速率。

第2章方案确定与技术路线

2.1硬件方案设计与对比分析

本系统可拆分为三个部分：

1、液晶显示触屏操作部分；2、无线传输模块；3、小车驱动模块和直流电机。

综合以上的设计要求，在此提供了两种可能的设计方案。

方案一：

单片机选用简单的51单片机最小系统板显示屏用LCD1602显示数据，无线传输模块采用WiFi进行传输，对命令的发送端则采用单个端口控制的独立按键方式，相对结构来说更加简单易行。

同时作为wifi的接收端的设备也很广泛，因为wifi本身是一种允许电子设备连接到一个无线局域网的开放的技术，通常使用2.4G频段。

连接方式上也更加多元化既可以密码保护也可以开放，这样就可以运行任何在WLAN范围内的设备可以连接上。

接收端也采用51单片机结构更加简单。

该方案优缺点：

1.优点：

使用wifi传输一段距离，可以极大的方便安装；51单片机的可靠性强，精度高，价格低廉；使用无线传输方便遥控小车，省去了有线的限制。

2.缺点：

使用WIFI及无线AP信号增强设备可能花费较高的预算并且AP的软件写起来也相当复杂；WIFI信号相比有线传输不够稳定，可能会影响设备的可靠性。

方案二：

单片机选材方面选择功能更加丰富的ARM单片机功能强大，而在编写程序方式上选择调用库函数来写程序，显示屏则改成使用显示数字和图片的TFTLCD液晶显示屏，而且也支持触屏操作，不用额外的输入模块即可一个模块实现同时的功能。

而在音频的模式上选择直通的方式，可以通过对音频的采集和AD/DA转换后直接通过一个功放模块输出信号。

该方案优缺点：

1.优点：

选用arm芯片功能上强大能直接使用更多丰富的功能，而选择液晶显示则能更加将数据传输的结果显示出来，触屏操作更加方便。

2.缺点：

编程复杂，需要花费更多的时间和成本。

序号

经济成本

工艺要求

技术难度

对安全影响

方案一

100RMB

设备质量好

低

无影响

方案二

200RMB

设备质量好

中等

无影响

综上两个方案的优缺点之后选择方案二作为此次毕设的主要执行方案。

本次智能小车的硬件设计方面是以控制为基础，以数据传输作为中继并选择合适的控制器实现众多功能的一款设计，其中控制器包括最小系统、电源电路、无线传输模块、AD/DA转换电路、控制器输入输出接口电路、电机驱动电路等、语音放大电路方框图如图2-1所示。

图2-1系统方框图

无线通信模块

通信模块主要是用来完成智能小车与控制端的单片机的通信，由于小车移动性的特点，所以系统选用无线通信进行数据传输。

通信模块采用的是SPI的通信方式这种方式能短距离内传输数据具有抗干扰性强，安装灵活等优点，并且该模块具有enhancedburst通信方式，能大功率发送信号。

2.2软件方案设计与对比分析

系统的软件设计包括在keil的软件编程以及stm32开发板的基础上进行小车电机驱动程序、语音模块驱动程序、AD/DA转换的驱动程序、液晶显示程序的编写；

否

是

否

是

每两毫秒中断一次

方案一程序框图方案二程序框图

如上述程序框图所示，方案一采用定时器中断的方式，方案二采用查询的方式两种，方案一中每次定时时间到，就要执行一次条件检测是否满足要求，满足则执行数据命令判断函数并执行指令，方案二则处于一直查询的状态，满足则执行，相对方案一来说更加严谨，而且简单。

综上利弊采取方案二作为此次毕设方案。

2.3人机接口设计与对比分析

本次毕业设计主要的功能集中在小车的遥控和无线传输语音上上，因此在实现这些功能的同时，更多的精力是集中在发送端的处理上，因此在人机的接口问题上更加注重方案的选择，从中选择能更好实现这些功能的方案。

方案一：

选择lcd1602作为显示命令以及是否成功发送与接受数据的显示芯片，操纵方面使用按键控制，通过按键时间的长短实现不同的功能。

语音的处理更加复杂。

成本较低，功能简单，显示效果不尽如人意。

方案二：

选择功能更加丰富的TFTLCD可触屏操作的液晶显示屏。

按键和一些手势的识别通过触屏上的传感的坐标实现，集中度更高，直接在屏幕上实现显示和操作两项功能。

成本较低，难度中等实现起来较为方便。

方案三：

操作方面用操纵拉杆，通过角度不同实现速度与方向的识别，小车通过识别操作执行命令，显示方面选择小的液晶显示屏来显示数据。

但是成本较高，实现难度相对中等。

在综合成本和效果的考虑后决定选择方案二作为本次毕设要实现的具体的功能，而且方案二的集成度更高，在功能的扩展方面有更大的优势。

而且能更大程度上节约IO端口，对于芯片来说这至关重要。

方案一在成本上较低，但是功能显示上效果很差，影响效果和美观，而方案三则成本较高，实现难度较高因此综合考虑以上因素后决定选择方案二。

序号

经济成本

工艺要求

技术难度

对安全影响

方案一

80RMB

设备质量好

低

无影响

方案二

150RMB

设备质量好

中等

无影响

方案三

300RMB

设备质量好

高

无影响

第3章智能小车的硬件实施方案

3.1智能小车的实现平台介绍

该小车的命令或数据传输实现涉及了多个平台间的相互协调通信。

ARM作为命令或数据发出端，使用者可以通过触屏上的不同触电和动作发送指令控制小车各个模块的不同命令并进行对电机的调节。

下位机发送端MCU连接着电机驱动模块用以实现遥控指令并转发给直流电机，模块调制信息并通过控制电机的正反转实现不同命令和动作。

3.2微控制器的选择

近年来，由于科技的快速发展，大量先进的微处理器也得以快速发展，随着处理器的种类越来越多，各种单片机层出不穷，从8位、16位的51和AVR单片机到32位的嵌入式微处理器，焊接方式从双列直插式也逐渐变为接触更加稳固可靠的贴片形式，而且处理器的构造和设计也越来越复杂，体积变得越来越小，能耗越来越低，性能却是在逐步提高，传输速率也越来越快。

从目前来看常用的处理器主要有以下几种。

单片机系列，主要有Intel公司的8031/8051/8751系列的51单片机，而从目前的智能小车的来看，微控制器大多选用8/16位的单片机和DSP两大类，而从国内的四轴来看，则更加偏向ARM芯片，使用单片机做控制器，控制系统设计相比较其他的方式来说制作比较简单，并且可以使用单片机与一些传感器模块的硬件连接，方式灵活而且软件编程方面技术都已经成熟，除了考虑到小车传感器的数量较多可开发程度很大，硬件设计的开发周期短以外，还在硬件方面这就需要占用较多的处理器引脚和外设的功能要求也很强大，在软件方面这就使得软件的复杂度和程序代码增加，所以选用单片机作为控制系统的微处理器，无论是硬件还是对软件都是很方便的。

3.3命令发送端平台

3.3.1命令发送端液晶显示介绍

TFTLCD即薄膜晶体管液晶显示器。

具有显示和触屏双重操作，与普通的OLED液晶显示屏不用，他具有可以显示颜色的功能，也因此在液晶的构造和程序的编写上更加复杂，为了保证像素和显示的双重效果；在液晶屏幕上每一个像素都配有晶体管用以显示不同的颜色值，从而通过人眼的暂留效应，形成不同的颜色。

而在选择颜色填充的构造上则是优先选择简单RGB565的格式。

TFTLCD其实就是一种中底端的液晶显示屏，并不常用于大型的电子产品，早期只是应用在MP3，MP4上，因其LCD液晶显示技术的不断成熟，TFTLCD显示屏也逐渐具有了高品质的优点，产量也大幅度增加，成本降低。

该显示屏的命令或数据传输实现涉及了多个平台间的相互协调通信的特点。

图3-12.8寸TFTLCD外观图

本次毕业设计的TFILCD液晶显示模块则采用的是16位并方式与MCU相连接，之所以不采用八位的方式，是因为彩屏要传输的控制信息的数据量比较大，不仅要显示数据还要同时读取坐标点，执行触屏操作，尤其在现实图片的时候，如果用八位的数据线，就会比16位的方式慢上一倍，为了保证数据的正常传输和速率的正常发送与接收，所以我选择16位并口的接口液晶显示屏来作为此次的显示和驱动模块，该模块的80并口有如下的一些信号线入下所示；

CS：

TFTLCD片选信号。

WR：

向TFTLCD写入数据。

RD：

从TFTLCD读取数据。

D[15：

0]：

16位双向数据线。

RST：

硬复位TFTLCD。

ILI9341液晶控制器自带显示字库的存储的数据，其显示数据存储大小为172800，即18位数据线读取数据的显示的存储空间的大小，在该模式下，存储芯片ILI9341采用RGB565格式存储颜色数据，此时ILI9341的18位数据格式与MCU的16位数据线以及LCDGRAM的对应关系如图3-2所示：

图3-2LCDGRAM的对应关系图

图3-32.8寸TFTLCD模块接口图

这样，在实际显示内容的时候，就有了很大的灵活性，比如显示JPG图片，就可以开始从图片的左下角，逐渐显示到右上角，也可以从任意一个点任意的方向扫描到另外的一个坐标点，例如我们规定LCD液晶显示的扫描方向右边到左边，从下到上，那么我们只需要设置一次坐标再设置一个扫描方向，显示屏就可以不停地向LCD填充颜色数据即可，这样就可以大大提高显示速度从而显示更加准确。

图3-4液晶显示流程图

3.3.2触屏操作平台介绍

FSMC，即灵活的静态存储控制器，STM32采用FSMC来连接外部的一些静态的存储功能的芯片，引文FSMC采用的直接是并口方式读取和存储的速度非常快，而且地址线有26位，可直接连接的芯片支持大容量存储，而且能够与同步或者异步的16位的存储器和PC存储器卡当外部接的不是存储芯片而是改接TFTLCD显示屏时真正用到的有数据线片选端写信号和读信号线，而且操作的时序和读取外部存储器时的时序操作是一样的，其中片选端是一位的地址线，因此从某种程度上来说是节省了端口量。

片选端作为0和1时作为两个连续的地址，用FSMC接显示屏实际是把显示屏当成存储器来使用了。

本次设计需使用一个FSMC静态存储的端口，作为液晶显示屏读取和写入数据和命令的地址和使能端。

图

图3-5FSMC框图

电阻屏实际上是有表面的一层有机玻璃作为基层，表面上粘贴一层硬化的放刮痕的塑料层，以及内部是导电的两个导电层共同组成。

在两层之间因为电阻值的不同每次按压都会通过读取屏幕上的阻值来判断坐标点，类似于矩形键盘的原理。

通过读取x轴和y轴的阻值的相交点即可以得出坐标的具体位置。

图3-6四线电阻屏幕的工作原理

对于电阻屏在屏幕使用过程中会出现漂移的现象，为了解决这个问题，需要在执行程序时编写触屏校准函数，每次校准会将坐标数据重新与定义的触屏的位置进行比较，并在屏幕上显示偏差，如果偏差太大则重新进行校准，校准成功进入遥控界面。

图3-7触屏校准原理图

3.3.3芯片STM32F103ZET6介绍

既是遥控命令的发送端同时也是咪咕头接收语音数据的接收端，由于向电小车上的单片机模块发送数据与接收无线传输数据都需使用端口，并且再考虑到遥控发送端的高速率和日后的可扩展性，需要选用一块高速率、功能强大、稳定且具有两个串口以上的单片机作为主控芯片。

STM32F103ZET6单片机接口丰富，该单片机可以通过外设的不用模块从而可以外接包括十多种标准的接口，可以方便的调用各种的资源，最大限度地开发。

此外使用最小系统板设计灵活，通过杜邦线能调用所需模块的很多资源并灵活配置，可以极大的方便大家扩展使用。

另外开发板载支持硬件调试需要使用jlink一键下载

可避免频繁地更改端口B0、B1带来的麻烦，仅通过1根USB线即可实现STM32的开发。

使用ARM芯片的好处是资源充足。

该主芯片自带512K字节的闪存，并外扩1M字节SRAM和16M字节FLASH，满足大内存需求和大数据存储。

板载双RS232串口调试电路和各种接口芯片。

图3-8STM32F103ZET6最小系统实物图

3.4无线收发模块与串口通信

3.4.1无线通信模块原理

为了实现单片机能和小车通信，本次设计采用了深圳云佳科技生产的NRF2401模块为例。

模块如图2-3所示。

图3-9NRF2401无线传输模块

NRF24L01无线模块，采用NRF24L01的无线传输芯片，该芯片的主要特点如下：

1）2.4G全球开放的ISM频段，免许可证使用。

2）最高工作速率2Mbps，高校的GFSK调制，抗干扰能力强。

3）125个可选的通道，满足多点通信和调频通信的需要。

4）支持spi通信，点对多点的通信地址控制和内置CRC检错。

5）低工作电压（1.9~3.6V）。

6）可设置自动应答，确保数据可靠传输。

该芯片与外部MCU通信采用SPI通信方式，相对于i2c的通信方式SPI速度可以达到10Mhz/s而且稳定性和可靠性都有很大的提高。

本章我们用到的模块是NRF24L01的2.4G的频分复用的方式。

图3-10NRF2401无线模块外观引脚图

NRF2401具有众多的工作模式，在进行大功率的收发时要对NRF2401模块配置成EnhancedShockBurst的模式。

在初始化过程中要对主要的通信的端口配置。

除此之外收发模式有EnhancedShockBurstTM收发模式和ShockBurstTM收发模式两种方式，而且只有EnhancedShockBurstTM收发模式支持自动ACK和自动重发。

开启自动ACK，则默认选择Enhanced模式。

在EnhancedShockBurstTM收发模式下，DR1不变高说明NRF2401就没接受到数据，如果肯定发射没问题，那就是接受的问题，基本上是程序的问题，我曾遇到过的问题，接收不到数据，后来发现通过无线和电脑串口连接用串口助手查看传输的数据才发现是从发送到接受转换时没有重新配置成接收模式。

在发送数据时NRF24L01自动处理添加上字头和CRC校验码然后对数据打包发送。

在接收数据时，则自动把字头和CRC校验码移去解析后边字节的数据并进行提取，在发送模式下，置CE为高，至少等待超高10us，NRF2401高速发送数据。

发送端要求终端的小车设备在接收到数据后有应答信号即ACK校验，以便发送方能时刻检测有无数据丢失，一旦丢失则重发数据。

重发数据设置在重发寄存器中用于重新发送丢失的数据，在设置寄存器中则设置其重发次数和在未