【JL065】基于单片机的智能语音小车硬件设计
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【JL065】基于单片机的智能语音小车硬件设计,jl065,基于,单片机,智能,语音,小车,硬件,设计
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本科毕业设计论文 题 目 基于单片机的智能语音小车硬件设计 专业名称 自动化 学生姓名 吴晗 指导教师 李雪霞 毕业时间 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 毕业 任务书 一、题目： 基于单片机的智能语音小车硬件设计 二、指导思想和目的要求： 通过毕业设计，使学生对所学电子工艺、传感器知识、电机控制技术、模电、数电、等电子基础课程的基本知识加深理解，在所学 51 八位单片机的基础上，学习更高级 十六位 单片机的基本指令及基本结构，并将其与实际工程应用紧密结合起来，培养创新意识，增强分析问题解决问题能力，为尽快进入社会角色，熟悉相关开发工作流程、项目小组组成、分工、合作方式方法等。增强团队合作意识，提高基本工作技能，为即将踏入社会奠定理论和实践基础。 要求：认真复习有关基础理论和技术知识，查阅参考资料，参照智能小车设计思想，设计一 个可以按照预定语音控制命令动作的智能小车，运用所学单片机知识独立设计电路、自行焊接、调试，直至预期结果方可。要求实现：小熊和在语音信号控制下自动实现启动、停止、左转、右转等功能。 (1)设计思路：在所学单片机知识的基础上，按照设计指标要求完成各功能模块方案论证、原理图设计、器件选型、印刷电路板制作、元器件焊装、软件编程及联机调试。 (2)步骤： l、了解小车各功能模块要求及工作原理。 2、根据功能要求进行方案选型及论证。 3、设计各功能模块原理图。 4、各功能模块器件选型。 5、绘制各功能模块 理图 6、制做各印刷电路板并焊装。 设计 论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7、编程调试。 三、进度与要求： 1第一周第二周 在工作中收集各种相关资料。 2第三周第四周 用 3第五周第九周 绘制 图并焊装。 4第十周第十一周 编程调试，整理并组织论文。 6第十二周第十四周 再次焊装调试，完成修改稿，定稿，打印，交评阅。 7第十五周第十六周 评阅与答 辩 四、主要参考书及参考资料 1 谢宜人主编 ,单片机实用技术问答 , 北京人民邮电出版社 ; 2003 2 靳达，单片机应用系统开发实例导航 , 北京人民邮电出版社 ; 2003 3 流光斌等，单片机系统实用抗干扰技术，北京人民邮电出版社 ;2004 4 余永权， 列单片机应用技术，北京航空航天大学出版社 ;2002 5 陈瑾；智能小车运动控制系统的研究与实现 D；东南大学硕士论文；2005年 6 韦巍；智能控制技术 M；北京：机械工业出版社； 2000年 7 蒋新松 ；机器人学导论 M；辽宁科学技术出版社； 2003年 8 孙迪生，王炎；机器人控制技术；北京：机械工业出版社； 1997年 9 陈明荧， 8051单片机课程设计实训教材，清华大学出版社 ;2003年 10 蔡美琴等， 列单片机系统及其应用，高等教育出版社 ;2004年 学生 吴晗 指导教师 李雪霞 系主任 史仪凯西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 摘 要 随着汽车电子和机器人智能技术的发展，智能车已经成为自动控制领域内的一个研究热点。智能汽车是一种集环境感知、规划决策、 自动行驶等功能于一体的综合系统，集中的运用到了自动控制、模式识别、传感器技术、汽车电子、电气、计算机、机械等众多学科，是典型的高新技术综合体，具有重要的军用及民用价值。 本文讲述了以 制 电源模块，电机模块以及语音模块的运作从而 实现 语音控制小车的 智能特性 。 借助于 各个模块之间的协调作用 ，我们开发出了这款语音控制小车。 实现了 小车前进、后退、左转、右转停车等基本功能 关键词 ：单片机，智能汽车，语音识别系统 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 of a in of is a in on of of so is a as of so as to of we a 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 目 录 第一章 绪论 . 1 题的意义 . 1 题研究现状 . 1 现的内容 . 2 人承担的任务 . 3 第二章 系统硬件 . 4 计方案 . 4 体结构框图 . 4 模块原理图 . 5 控模块飞思卡尔单片机 . 5 统电源模块 . 14 音模块 . 16 统车模介绍 . 21 机驱动模块 . 23 动电机 . 25 机 . 26 第三章 智能语音小车软件设 计 . 27 控系统总体软件流程图 . 27 钟模块初始化 . 28 机驱动 块初始化 . 29 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 统初始化 . 29 块 . 29 断程序模块 . 29 块 . 30 件开发平台介绍 . 30 音芯片开发平台： . 30 思卡尔 16 位单片机 软件开发平台： . 31 体程序 . 32 第四章 硬件设计问题及解决 . 36 系统原理图绘制工具介绍 . 36 件介绍 . 36 系统组成 . 36 能 . 37 性 . 38 题及解决 . 38 第五章 参考文献 . 39 致 谢 . 40 毕业设计小结 . 41 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 1 第 一 章 绪论 题的意义 机器人的应用越 来越广泛，几乎渗透到所有领域。机器人的发展体现了一个国家技术水平的高低，现代机器人从其诞生到现在，己经发展到了第三代。第一代机器人是示教再现型机器人。它们装有记忆存储器，由人将作业的各种操作要求示范给机器人，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地再现示教的动作。第二代机器人是装有小型计算机和简单传感器的离线编程的工业机器人。它能感知外界信息和进行“思维”，比第一代机器人更灵活、更能适应环境变化的需要。第三代是智能机器人。智能机器人是“具有感知、思维和动作的机器”。它装有多种传感器，能识别作业 环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作灵活，是人工智能技术发展到高级阶段的产物。 智能小车，也就是轮式机器人，具有广泛的用途，尤其适合那些人类无法工作的环境中工 作，无人生产线，仓库，服务机器人，航空航天等领域。作为 20 世纪自动化领域的重大成就，机器人已经和人类社会的生产、生活密不可分。应此为了使智能小车工作在最佳状态，进一步研究及完善其速度和方向的控制是非常有必要的。其次学习智能小车的制作也是对大 学 4 年学习的一个很好的检测，对今后的学习和工作具有很大的帮助。 题研究现状 智能车辆作为 智能交通系统的关键技术，是许多高新技术综合集成的载体。智能车辆驾驶是一种通用性术语，指全部或部分完成一项或多项驾驶任务的综合车辆技术。智能车辆的一个基本特征是在一定道路条件下实现全部或者部分的自动驾驶西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 2 功能。 智能车辆的研究始于 20 世纪 50 年代初，美国 司开发出的世界上第一台自动引导车辆系统（ 1974年，瑞典的 车装配工厂与 司合作，研制 出一种可装载轿车车体的 由多台该种 成了汽车装配线，从而取消了传统应用的拖车及叉车等运输工具。 由于 厂采用 得了明显的经济效益，许多西欧国家纷纷效仿司，并逐步使 装配作业中成为一种流行的运输手段。 中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于 2003年 7月研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下，在高速公路上行驶的最高稳定速度为 130 公里 /小时，最高峰值速度为 170 公里 /小时，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标 已经达到世界先进水平。 轿车自主驾驶的基本原理是仿人驾驶。车内的环境识别系统识别出道路状况，测量前方车辆的距离和相对速度，相当于驾驶员的眼睛；车载主控计算机和相应的路径规划软件根据计算机视觉提供的道路信息、车前车辆情况以及自身的行驶状态，决定是沿道路前进还是换道准备超车，相当于驾驶员的大脑；接着，自动驾驶控制软件按照需要跟踪的路径和汽车行驶动力学，向方向盘控制器、油门控制器和刹车控制器发出动作指令，操纵汽车按规划好的路径前进，起到驾驶员的手和脚的作用。 现的内容 本课题是使用的 块作 为语音的识别和输出模块，使用 来自语音模块的命令信息进行判别扫描，根据其内容给出车模电机的驱动命令和舵机的方向控制，使小车按照语音命令实现前进、后退、左转向、右转向等预期的动作。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 3 人承担的任务 在此次设计中我的主要任务是硬件电路设计方面。负责电路原理图的软件绘制，器件的选型，方案确定及小车组装和电路调试方面的工作。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 4 第二章 系统硬件 计 方案 本设计采用了 声音传感器； 收和处理语音传感器传来的信号，并且输出处理后能让 16 位飞思卡尔单片机 处理器识别的信号；当 处理器接收到信号会控制电机的驱动模块使电机实现相应的正反转，同时控制舵机的转向； 电源模块。 体结构框图 图 2车硬件结构 智能车的硬件设计采用模块化的设计方法，分为控制芯片 路，电源的管理单元，语音识别单元，舵机控制单元和直流驱动电机控制单元 。 各单元设计如下： 音识别模块 时钟模块 复位按键 单 片 机 驱 动 模 块 舵 机 电 机 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 5 1电源管理单元主要为 稳压电路的设计及合理利用，通过稳压管将 电压稳到 5 伏给系统各部件供电。 2语音识别单元作为系统的重要组成部分，采用 为语音识别元件 ; 语音处理元件 。 3舵机控制单元通过 控制来调整舵机的角度。 4直流驱动电机控制单元采用 机驱动 本次设计以飞思卡尔 片机为核心，由 音识别模块进行语音的接收并由 处理模块 处理器 将其转换为单片机可识别的信号，从而控制 动模块来实 现电机的正反转。 模块原理图 控模块 飞思卡尔单片机 司的 16 位单片机主要分为 个系列。心是 16 位高速 ，总线速度 8列单片机以速度更快的 核为核心，简称 列，典型的 线速度可以达到 25列单片机是 司于 2005 年推出的 列增强型产品，基于 核，可以达到 25 2性能。总线频率最高可 达 40 列单片机目前又有几个子系列： 列、 列、是 列中的一个成员。 1. 能概述 16 位单片机，由 16 位中央处理单元（ 128序 88据 成片内存储器。主要功能模块包括： 内 部存储器 ； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 6 内部 相环模块 ； 2 个异步串口通讯 1 个串行外设接口 块 ； 1 个 8 通道输入 /输出比较定时器模块 周期中断定时器模块 16 通道 A/D 转换模块 1 个 8 通道脉冲宽度调制模块 输入 /输出数字 I/O 口 ； 2、输入 /输出数字 I/O 口 3 种封装，分别为 64 引脚、 80 引脚、 112 引脚封装。其全名分别为 次毕业设计使用了具有 80 个引脚的 片机。 列具有丰富的输入 /输出端口资源，同时集成了多种功能模块，端口包括 1 个端口。端口引脚大多为复用口，往往具有多重功能，所有端口都具有通用I/O 口功能。 通用 I/O 口 ； 的 脚可作为外部中断输入 ； 成了 块功 能 ； 成了 块功能 ； 成了 线模块 ； 成了 块功能 ； 作为外部中断输入口 ； 成了 块功能 。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 7 片机最小系统如图 2示： 图 2统控制核心 片机 最小系统 系统控制核心 片机是整个系统的 主体 ，它为整个系统提供了运行方式。 该最小系统包括电源、时钟、复位及引脚接插件几大部分 。 排针外扩： 如图 2西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 8 图 2针外扩 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 9 4. 片机端口设置 端口设置原理 图如图 2示： 图 2片机 端口设置 核心板电路是总个电路的核心部分，控制着各部分的功能作用。我们因为把 3 组级联使用，所以输出口变为舵机 机正传为 机反转为 收信号使用了 B 端口： 应引脚标注为 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 10 I/O 分配如表 2示 表 2统 I/O 分配表 引脚名称 对接器件引脚名称及功能 机 机控制 机 机正转 机 机反转 ； 8 路 8 位、 10 位、 12 位 换 ,时间 3 可运行在 40线频率上； 有 块； 7 路 8 路 16 位计数器； 1 个 线模块； 4 路外部事件触发中断输入端口； 2 个 行通信模块支持 线； 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 11 1 个 块； 80 管脚 片封装。 该系列单片机采用 核 。 端口 A， 为通用 I/端口 端口 个定时模块 端口 个 个 端口 个 口 时可用作外部中断源输入 端口 为通用 I/时可用作外部中断源输入 端口 个 16位通道 块 对于端口 T,S,M,P,H,J,和 基于每个针脚的降额输出驱动控制寄存器。 对于端口 A,B,E,和 K，有一个基于端口的降额输出驱动控制寄存器。 对于端口 S、 M，有漏极开路（线或）控制寄存器。 对于端口 P、 ，有基于每个针脚的中断标志寄存器。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 12 （ 1） 纯通用 口 分别是： :0； :0； :5； :2； :6； :6(带中断输入 )。 如图 2图 2通用 I/O 端口示图 通用 I/O 口 , 共 8 个 ,作为通用数字 I/O 口使用 ,未集成特殊功能 据寄存器 据方向寄 存 拉电阻控制寄存器 驱动控制寄存器 通用数字 I/O 口 , 共 8 个。其使用与 本一样。主要配置寄存器有：数据寄存器 据方向寄存 拉电阻控制寄存器驱动控制寄存器 用 作为通用数字 I/O 口使用 , 80 封装也有共 8 个引脚。其使用与 本一样。但是 集成了外部中断输入功能，其 脚可作为 外部中断输入。并且这两位只能作为输入口使用。主要配置寄存器有：数据寄存器 据方向寄存 北工业大学明德学院本科毕业设计论文 13 （ 2） 块 如图 2示 图 2块 通道使能寄存器 每个 道都对应一个使能位来开启和关闭 道，如上 应通道 0，依次类推。一旦 中 x 表示 0 7）置 1 后，相应的 是 形的需要等到时钟源的下一个周期才正常输出。原因是介于 和时钟源的同步机制。注意：使能 道后的第一个 道 7 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开） 道 5 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开） 道 4 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开）当通道 4和通道 4 联合成 16 位通道使用时，联合后信号从通道 5 输出 道 3 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开） 道 2 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开）当通道 2西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 14 和通道 3 联合成 16 位通道使用时，联合后信号从通道 3 输出 道 1 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开） 道 0 的脉宽使能位：（置 0 通道关闭置 1 通道打开）当通道 0和通道 1 联合成 16 通位道使用时，联合后信号从通道 1 输出 统电源模块 电源模块如图 2示： 图 2源模块 系统的总电源采用的是 流电源，一路直接为电机驱动模块 模拟部分 供电。 另一路利用 C 稳压电源模块 流 转换 成 5v 直流输出 ， 为 语音模块 主控单片机 电 。 关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 5V、 12V， 可调版本可以输出小于 37V 的各种电压 。 该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150低频开关调节器相比较，可以使用更小 规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 15 可以使用通用的标准电感，这更优化了 使用，极大地 简化了开关电源电路的设计。 其封装形式包括标准的 5 脚 装（ 5 脚 贴封装（ 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在 4%的范围内，振荡频率误差在 15%的范围内；可以用仅 80 A 的待机 电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级 降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路） 指标： 0V 37V 4% A 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 16 音模块 1. 语音模块电原理图如图 2示： 图 2音模块整体原理图 语音模块由语音接收识别模块 音信号处理单片机 最小系统组成。 2. 语音芯片的接收识别模块如图 22示： 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 17 图 2音芯片的接收识别模块 图 2音信号处理模块 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 18 本次设计采用的是语音芯片模块，所以出现了接收模块和处理模块，接收模块使用的 理模块使用的是 处理器。 理模块主要是将 收过来的信号，经过编程处理成相应的数字信号，对不同的命令信息进行编码。 芯片是一款 “语音识别 ”专用芯片，由 司设计生产。该芯片集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括 换器、麦克风接口、声音输出接口等。本芯片在设计上注重节 能与高效，不需要外接任何的辅助芯片如 接集成在现有的产品中即可以实现语音识别 /声控 /人机对话功能。并且，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的。 块主要特征有： 2* 2*20 标准 针； 片的音频模拟管脚连接相应的电容 /电阻后通过排针引出； 块上设计有 2 个音频插座，直接引出 入和 出信号。用户可以用一个带麦克风的耳机验证语音识别和声音播放，十分方便； 块上 没有电源芯片，相应的电源管脚由排针引出，源输入； 块上的 入可以选择如下任意一种： 1)直接将晶振信号通过排针输入到 相应管脚。 2)或者用户可以自行焊接晶振，在模块上预留了晶振的空间和连接点。 . 时钟（ 芯片必须连接外部时钟，可接受的频率范围是 4 48芯片内部还有 率合成器，可产生特定的频率供内部模块使用 2. 复位 对芯片的复位信号（ 必须在 稳定后进行。无论芯片正 在进行何种运算，复位信号都可以使它恢复初始状态，并使各寄存器复位。如果没有后续的指令（对寄存器的设置），复位后芯片将进入休眠状态。此后，一个 号就可以重新激活芯片进入工作状态。 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 19 3. 并行接口 本芯片可通过并行方式和外部主 接，此时使用 8 根数据线（ 4 个控制信号（ 以及一个中断返回信号（ 。 串行接口通过 议和外部主 接，首先要将 高电平，而将（ 2*）接地。此时只使用 4 个管脚：片选（ 、 钟（ 入 ( 出（ 表 2, 32 - - 数字 I/2 ( - - (根据电路原理图连接上拉电阻 ) 3 ( - - (根据电路原理图连接上拉电阻 ) 4 ( - - (根据电路原理图连接上拉电阻 ) 5 ( - - (根据 电路原理图连接上拉电阻 ) 6 ( - - (可以悬空 ) 7 - D 数字逻辑电路用电源 8, 33 - D 9, 10 , N I A 麦克风输入（正负端） 11 I A 单声道 12 - A 麦克风偏置 13, 14 , R I A 立体声 右端） 15, 16 , R O A 耳机输 出（左右端） 17 - A 模拟电路用接地 18 - A 声音信号参考电压 19, 23 - A 模拟信号用电源 20 O A 喇叭音量外部控制 1 21 I A 喇叭音量外部控制 2 22 O A 喇叭音量外部控制 3 24 - A 模拟电路用接地 25, 26 , P O A 喇叭输出 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 20 27, 28 , R O A 29 ( - - (参考附录 说明 ) 30 ( - - (参考附录 说明 ) 31 I D 时钟输入 4 48(34 I/O D 并行口（第 7位）连接上拉电阻 35 I/O D 并行口（第 6位）连接上拉电阻 36 I/O D 并行口（第 5位）连接上拉电阻 37 I/O D 并行口（第 4位）连接上拉电阻 38 I/O D 并行口 （第 3位）连接上拉电阻 39 I/O D 并行口（第 2位）， 共用 连接上拉电阻 40 I/O D 并行口（第 1位）， 共用 连接上拉电阻 41 I/O D 并行口（第 0位）， 共用 连接上拉电阻 42 I D 写允许（低电平有效）， 共用 电平有效）连接上拉电阻 43 I D 并行方式片选信号， 共用 44 I D 地址或数据选择。 在 效时，高电平表示 7是地址，而低电平表示 7是数据。 连接上拉电阻 45 I D 读允许（低电平有效） 连接上拉电阻 46 I D 0：并行工作方式 1：串行工作方式（ 连接上拉电 阻 47 I D 复位信号（低电平有效） 连接上拉电阻 48 O D 中断输出信号（低电平有效） 连接上拉电阻 共 48个 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 21 一种带 8K 字节闪烁可编程可檫除只读存储器（ 的低电压，高性能 微处理器，俗称单片机。该器件采用 密度非易失存储器制造技术制造 ,与工业标准的 令集和输出管脚相兼容。 这部分是单片机 以并口方式来控制 并行接口 ： 本芯片可通过并行方式和外部主 接，此时使用 8 根数据线（ 4 个控制信号（ 以及一个中断返回信号（ 。 统车模介绍 本次设计采用四轮（前舵后机）小车模型，小车后面的电机用来为小车提供动力从而驱动小车。前面的舵机用来控制小车的行驶方向。 语音控制小车为四轮结构，如图 2 2示。其中前面两个车轮由前轮舵机控制，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， 如下图所示 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 22 图 2车实物图 图 2车实物图 西北工业大学明德学院本科毕业设计论文 23 小车的行走原理 直走：由小车的结构分析，在自然状态下，前轮 舵机驱动柄 保持中间状态，这是只要后轮电机正转小车就会前进。 倒车：倒车动作和前进动作刚好相反，前轮 舵机驱动柄 仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动 。 左转：前轮 舵机 逆时针旋
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