【正文】 理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對小車的智 能控制。 該小車可以作為機器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測部分、執(zhí)行部分、 CPU。機器人要實現自動避障功能，還可以擴展循跡等功能，感知導引線和障礙物?？梢詫崿F小車自動識別路線，選擇正確的行進路線，并檢測到障礙物自動躲避?；谏鲜鲆螅瑐鞲袡z測部分考慮到小車一般不需要感知清晰的 圖像，只要求粗略感知即可，所以可以舍棄昂貴的 CCD 傳感器而考慮使用價廉物美的 超聲波 傳感器來充當。智能小車的執(zhí)行部分，是由直流電機來充當的，主要控制小車的行進方向和速度。單片機驅動直流電機一般有兩種方案：第一，勿需占用單片機資源，直接選擇有 PWM 功能的單片機，這樣可以實現精確調速；第二，可以由軟件模擬 PWM輸出調制，需要占用單片機資源，難以精確調速，但單片機型號的選擇余地較大?？紤]到實際情況，本文選擇第二種方案。 CPU 使用 SPCE061A單片機，配合軟件編程實現。 機器人小車的現狀 隨著電子技術、計算 機技術、智能控制技術的飛速發(fā)展，產品的智能化和小型化越來越成為人們關注的熱點。各種智能小車在智能化玩具中占了很大的比例。近年來，傳統(tǒng)玩具的市場逐步縮水，高科技智能化的電子類玩具則逐步成為市場的主流。因此，可遙控的智能化小車的研究是非常有意義的，具有很大潛在市場價值的 。 智能小車，自主移動機器人小 車設計 2 也被稱之為輪式機器人。我們知道，機器人技術的發(fā)展是一個國家高科技水平和工業(yè)自動化程度的重要標志和體現。機器人由于具有高度的靈活性、可以幫助人們提高生產率、改進產品質量和改善勞動條件等優(yōu)點，在世界各地的生產生活領域得到了廣泛的應用。智能 小車正是模仿機器人的一種嘗試。它是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制，模式識別，電子、電氣、單片機、機械等多學科的科技創(chuàng)新性設計，一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制以及車速控制等模塊組成。這種智能小車能夠自動搜尋前進路線，還能爬坡；感知前方的障礙物，并自動尋找前進方向，避開障礙物；加入相關聲光訊號后，更能體現出智能化和人性化的一面。 [1]自主移動機器人小 車設計 3 2 方案設計 主控系統(tǒng)的比較與選擇 方案一：采用各類數字電路來組成小車的控制系統(tǒng)，對外圍避障信號， 自動尋跡信號， 無線遙控 信號，語音控制信號進行處理。本方案電路復雜 ，靈活性不高，效率低，不利于小車智能化的擴展，對各路信號處理比較困難。 方案二：采用凌陽 SPCE061A 單片機來作為整機的控制單元。超聲波采用凌陽超聲波測距模塊，利用超聲波檢測障礙物距離，送往單片機進行處理。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現，能很好地滿足題目的要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點，方案二簡潔、靈活、可擴展性好，更能達到題目的設計要求，因此采用方案二來實現 。 避障單元的比較與選擇 方案一：采用紅外線避障，利用單片機來產生 40KHz 信號 對紅外線發(fā)射管進行調制發(fā)射，發(fā)射出去的紅外線遇到避障物的時候反射回來，紅外線接收管對反射回來信號進行解調，輸出比較電平。但紅外線容易受到光線的干擾。 方案二：采用超聲波避障， 超聲波對外界光線和電磁場不敏感，可用于黑暗、有灰塵或煙霧、電磁干擾強、有毒等惡劣環(huán)境中 。 并且可以進行實時控制。通過比較我采用方案二。 電機驅動模塊 的比較與選擇 方案一 ： 采用繼電器對電動機的開或關進行控制 ,通過開關的切換對小車的速度進行調整 .此方案的優(yōu)點是電路較為簡單 ,缺點是繼電器的響應時間慢 ,易損壞 ,壽命較短 ,可靠性不高 .[2] 方案二 ： 采用電阻網絡或數字電位器調節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網絡只能實現有級調速，而數字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現很困難。 方案 三 ：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電自主移動機器人小 車設計 4 路結構和原理簡單，加速能力強 。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高， H 型橋式電路保證了簡單的實現轉速和方向的控制，電子管的開關速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的調速技術?，F市面上有很多此種芯片，我選用 了L298N。 這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。機器人小車采用前輪驅動，前輪左右兩邊各用一個直流電機驅動，調制前面兩個輪子的正反轉從而達到控制轉向的目的。 驅動電機的 比較與 選擇 方案一：使用直流電機，直流電機具有良好的調速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉動，調節(jié)電壓的大小就可以改變電機的速度。直流電機的驅動電 路實際上就是一個功率放大器。常用的驅動方式是 PWM方式，即脈沖寬度調制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。 方案二：使用步進電機。步進電機具有良好的控制性能。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉動一個角度，因此可以實現精確的位置控制。與直流電機不同，要使步進電機連續(xù)的轉動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉動不受電壓波動和負載變化的影響，也不受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關。但步進電機的驅動相對較復雜，要由控制器和功率放大器組成。 具體差別見下表 21。 表 21 電機控制方式對比 直流電機 步進電機 調速性能 較好 較差 位置控制精度 較差 好 驅動 簡單 復雜 穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關 由上表可以看出步進電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進電機能進行精確的位置控制，但驅動電路麻煩，鑒于本設計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機易于控制，驅動電路十分簡單。 自主移動機器人小 車設計 5 電源模塊的 比較與 選擇 方案一：電腦 USB串口供電。能直接為單片機提供穩(wěn)定的 +5V 直流電壓。 USB 串口線又容易得 到。 但是 需要很長的線，而且要有交流電和電腦配合。 方案二：用 4節(jié)五號電池串聯 6V 直流電源。在不超過單片機工作電壓范圍的情況下，又能驅動直流電機。且這個電源結構簡單，價格便宜，容易得到。 綜上所述，本設計選擇方案二。 系統(tǒng)總體框圖 經過對方案的設計要求的分析和方案論證，采用凌陽單片機控制平臺，經過超聲波 測距 模塊檢測 距離 ，控制運動模塊的電機運動方式，近而控制這個小車系統(tǒng)的運動。系統(tǒng) 總體設計框圖 如圖 21 圖 21 系統(tǒng)總 體設計框圖 SPCE061A 復位電路 語音報警 電機驅動 HGHHLLLL298N 超聲波測距 自主移動機器人小 車設計 6 3 硬件設計 SPCE061A 芯片的特點及其功能 [3] SPCE061A 是繼 μ’nSP?系列產品 SPCE500A等之后凌陽科技推出的又一款 16位結構的微控制器。與 SPCE500A不同的是，在存儲器資源方面考慮到用戶的較少資源的需求以及便于程序調試等功能， SPCE061A里只內嵌 32K字的閃存（ FLASH）。較高的處理速度使 μ’nSP?能夠非常容易地、快速地處理復雜的數字信號。因此，與 SPCE500A相比，以 μ’nSP?為核心的 SPCE061A微控制器是適用于數字語音識別應用領域產品的一種最經濟的選擇。 SPCE061A 特性： 16位 μ’nsp微處理器； 工作電壓：內核工作電壓 VDD 為 ~（ CPU）， I/O 口工作電壓 VDDH 為VDD~(I/O)； CPU 時鐘： ~； 內置 2K字 SRAM； 內置 32K閃存 ROM； 可編程音頻處理； 晶體振蕩器： 32768Hz實時時鐘； 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下（系統(tǒng)時鐘暫停），耗電小于 ； 2個 16位可編程定時器 /計數器 TMR0,TMR1(可自動預置初始計數值 )； 2個 10位 DAC(數模轉換 )輸出通道； 32位通用可編程輸入 /輸出端口； 14個中斷源可來自定時器 A/B，時基， 2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能； 使用凌陽音頻編碼 SACM_S240 方式（ 位 /秒），能容納 210 秒的語音數據； 鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 通道 10位電壓模數轉換器 (ADC)和單通道聲音模數轉換器； 聲音 AD轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制 (AGC)功能； 具備串行設備接口； 自主移動機器人小 車設計 7 低電壓復位 (LVR)功能和低電壓監(jiān)測 (LVD)功能； 內置在線仿真板 (ICE In Circuit Em ulator)接口。 SPCE061A 芯片內核結構 （ 1） 16位數據總線和 22 位數據總線 （ 2） 算術邏輯單元 AUL： 16 位算術邏輯運算，帶移位操做的算術邏輯運算， 16位 X16 位乘法和內積運算。 （ 3） 通用型寄存器 R1~R4：在 unSP CPU（ ）中，集成了一組（ 4個） 16位通用寄存器： R1~R4。 （ 4） 數據運算或傳送的源及目標寄存器 （ 5） 配對組成一個 32位的乘法結果寄存器 MR （ 6） 配對組成一個 32位的內積結果寄存器 MR （ 7） 專用型寄存器 ：堆棧指針寄存器 SP，基址指針寄存器 BP（ R5），程 序計數器 PC，段寄存器 SR。 CS：代碼選擇字段 DS：數據選擇字段 C：進位標志位 Z：零標志位 N：負標志位 S：符號標志位 SPCE061A 的語音播報 功能 SPCE061A 內置了專用的 MIC 輸入通道和音頻輸出 DAC，并具有較高的處理速度，因此非常適合對音頻信號的處理，如語音播放、語音錄制等。由于未經處理的音頻資源數據量很大，對于單片機來說，數據的存儲和傳輸都比較困難，這使得音頻壓縮編碼成為音頻處理的重要環(huán)節(jié)。為方便用戶將 SPCE061A 應用于語音產品，凌陽公司 提供了多種音頻編解碼算法及其 API 函數庫，即 SACMLIB。該函數庫將 A/D、編碼、解碼、存儲及 D/A 做成相應的模塊，每個模塊都有其應用程序接口 API，用戶只需了解每個模塊所實現的功能及其參數的內容即可。 SACM S480 的壓縮算法的壓縮比較大，音質不是太好，適用于對音質要求不是很高的語音播放場合。 SACM S480 語音播放也分為“自動”和“手動”了兩種模式。其播放流程與 SACM A2021 完全相同，僅僅將SACMA2021 播放程序調用的函數名中的“ A2021” 全部替換為 “ S480” 即可。 SACM A2021 壓縮算法壓縮比較小，具有高質量、高碼率的特點，適用于高保真音樂和語音。無論是自動播放還是手動播放，將解碼后的語音數據通過 DAC 播放出來的過程都是在中斷服務程序中完成的。 SACM A2021 在播放初始化是會打開 FIQ TIMERA自主移動機器人小 車設計 8 中斷，并將 TIMERA 溢出頻率設置為 16KHZ。用戶需要在 FIQ TIMERA 中斷服務程序中調用 SACM A2021 函數完成語音播放。 SACM DVR 具有錄音盒放音功能。錄音是從語音采樣、壓縮編碼到存儲的過程，SACM DVR 的錄音采用了 SACM A2021 壓縮編碼。放音是從 取存儲器語音數據、譯碼到輸出的過程，與 SACM A2021 相同。 SACM DVR 編碼實際上使用了 SACM A2021 壓縮算法，因此錄制的語音資源可以使用 SACM A2021 播放出來。 SACM DVR 也提供了一組庫函數，用來播放錄制的語音資源。 SPCE061A 單片機中 DAC 主要用于將數字信號轉換成音頻信號輸出，其音頻信號輸出有兩種控制方式：一種是語音輸出方式；另一種是音調輸出方式。兩者的區(qū)別在于其輸出控制機理不同。語音輸出是用于聲音數據采樣相同的速率將聲音數據通過數/模轉換通道還原成聲音。音頻輸出是通過定時 溢出所產生的不同頻率來決定聲音音調的高低， DAC 的模擬量決定聲音信號的幅值。 語音輸出方式是數 /模轉換器 DAC 把模擬聲波輸入的數字量轉換成模擬量實現波形重放。 D/A轉換器位數越多，重放波形的音質越好。語音輸出是， CPU 以一固定的頻率向 DAC 送出一系列的數字量值。此數值轉換成一系列的電流模擬量，并經平滑濾波后驅動揚聲器得到聲音信號。這種方式下，聲音數據的采樣率決定了聲音音質的好壞。采樣率越高，恢復的聲音波形越接近原來的波形，音質越好。 SPCE061A 單片機采用的 D/A 轉換的音頻輸出硬件結構有兩種：一種是直接采 用數 /模轉換器 DAC實現；另一種是采用單通道脈寬調制 PWM 驅動方式輸出。在本系統(tǒng)的語音播放中采用第一種方式。直接 DAC 方式用于兩個通道的聲音數字信號轉換成模擬的音頻信號輸出。實際應用時，應按相同的采樣速率，將雙通道輸入的表示聲音的數字量同步且分別地寫入到兩個數據單元 DAR1 和 DAR2 中，并分別送入 DAC1