智能发声小车毕业设计终期答辩

、本科毕业设计（论文）燕 山 大 学里 仁 学 院2017 年 5 月智能发声小车的设计与研究本科毕业设计（论文）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 智能发声小车的设计与研究摘要I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目录II目 录第 1 章 绪论 .11.1 课题背景及意义 .11.2 课题研究现状及分析 .11.2.1 可行性分析 .11.2.2 技术现状 .21.3 技术要求与性能指标 .21.3.1 技术要求 .21.3.2 功能要求 .31.3.3 技术参数指标 .3第 2 章 方案确定与技术路线 .52.1 硬件方案设计与对比分析 .52.2 软件方案设计与对比分析 .62.3 人机接口设计与对比分析 .7第 3 章 智能小车的硬件实施方案 .93.1 智能小车的实现平台介绍 .93.2 微控制器的选择 .93.3 命令发送端平台 .93.3.1 命令发送端液晶显示介绍 .93.3. 2 触屏操作平台介绍 .123.3.3 芯片 STM32F103ZET6 介绍 .133.4 无线收发模块与串口通信 .143.4.1 无线通信模块原理 .143.4.2 串行通信接口电路 .163.4.3 无线模块应用示意图 .163.5 命令接收端平台介绍 .163.5.1 电机驱动模块 L298N 介绍 .163.5.2 直流电机驱动介绍 .173.5.3 芯片 STM32F103RCT6 介绍 .183.5.4 ISD1820 录放模块使用说明介绍 .19第 4 章 发声小车系统软件设计 .204.1 单片机开发环境 KEIL 介绍 .204.2 驱动库函数介绍 .204.3 应用程序设计 .204.3.1 接收端主程序驱动 .204.3.2 发送端主程序驱动 .22目录III4.4 人机接口方案的详细设计与实施 .234.4.1 液晶显示驱动 .234.4.2 液晶显示函数 .24第 5 章 系统测试实验与结果分析 .255.1 功能实现测试实验与分析 .255.2 性能技术参数测试分析 .26设计总结与存在的问题 .27参考资料 .28附件： .30附录 1.31附录 2.37附录 3.41第 1 章 绪论1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第 1 章 绪论2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。第 1 章 绪论31.3 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第 1 章 绪论4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 enhanced short burst 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5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