智能小车控制系统毕设

I概要本设计采用AT91SAM7S256芯片为控制核心，利用路面黑线检测使用反射式红外传感器检测道路上的障碍，控制小车的自动避障，寻迹。利用PWM技术动态控制电动机的转速；小车具有远程遥控功能，可以实现远程对小车左右转弯，以及前进后退，并利用温度传感器检测周围温度，以完成一些危险地带的数据采集，利用HD7289A显示小车行驶状态。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。关键词：AT91SAM7S256；HD7289A；温度采集；红外传感器；电动小车AbstractAbstractThedesignforthecontrolofAT91SAM7S256corechip,theuseofroaddetectionandtheuseofreflectiveinfraredsensorsdetectobstaclesontheroadtocontrolthecar'sautomaticobstacleavoidance,tracing.DynamicuseofPWMmotorspeedcontrol;carwitharemotecontrolfunction,youcanremotelyturnonthecararoundandbackforwardandtakeadvantageofthetemperaturesensorsdetecttheambienttemperatureinordertocompletesomedangerousareasofdatacollection,theuseofshowcarsdrivingHD7289A.Circuitthewholesystemofsimplestructure,highreliability.Keywords：AT91SAM7S256;HD7289A;TemperatureAcquisition;Infraredsensor;Electricitymotivesmallcar;T">TOC\o"1-5"\h\z摘要iABSTRACTII\o"CurrentDocument"第一章概述51.1智能小车发展现状与趋势51.1.1课题背景51.1.2智能小车机器人技术在国内外的研究现状5\o"CurrentDocument"1.2课题的任务及意义6\o"CurrentDocument"第二章系统设计方案7\o"CurrentDocument"系统功能7\o"CurrentDocument"2.2系统结构及资源分配7\o"CurrentDocument"2.2.1处理器8\o"CurrentDocument"2.2.2车速调速电路8\o"CurrentDocument"2.2.3转向系统82.2.4按键与简单显示8\o"CurrentDocument"2.2.5温度采集8\o"CurrentDocument"2.2.6扩展显示8\o"CurrentDocument"2.2.7声音输出82.2.8与外部设备的通信接口8\o"CurrentDocument"2.2.9外接扩展接口9\o"CurrentDocument"第三章详细设计10\o"CurrentDocument"AT91SAM7S256芯片的选择10\o"CurrentDocument"AT91SAM7S256芯片的处理速度10AT91SAM7S256芯片的功能应用10AT91SAM7S256芯片的功耗11\o"CurrentDocument"PWM技术的应用12\o"CurrentDocument"HD7289A数码管及键盘控制芯片的选择13\o"CurrentDocument"HD7289A智能显示驱动芯片13HD7289A智能显示驱动芯片的符合小车的显示特点143.3.3小车的状态显示14\o"CurrentDocument"温度采集163.4.1温度传感器的必要性163.4.2温度传感器的选择16\o"CurrentDocument"报警装置17\o"CurrentDocument"电机驱动18\o"CurrentDocument"USB接口19\o"CurrentDocument"无线控制20\o"CurrentDocument"LCD液晶显示20\o"CurrentDocument"I/O接口20第四章调试运行21\o"CurrentDocument"第五章结论及展望22\o"CurrentDocument"结束语23\o"CurrentDocument"参考文献24第_章概述1.1智能小车发展现状与趋势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。智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体.它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用，对解决道路交通安全提供了一种新的途径.为了向交通系统提供一种能识别和跟踪线路、自动投币识别和站点停靠的智能车辆，用ARM作控制，采用模块化设计方案，简易智能小车的设计并非简单的电子控制问题，而是涉及到机械学、力学、光学、电子学等多方面知识，所以在全国或地方的大学生电子设计竞赛中，常常出现智能小车这种集光、机、电于一体的题目。简易智能小车，在多种传感器的配合下，小车能自己的模仿人驾驶小车在道路上行走，如前进、后退、左右转弯、加速减速、打方向灯和避开障碍物等。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......1.2课题的任务及意义本课题的任务是研究基于ARM的智能小车硬件电路设计.设计智能小车控制系统硬件电路，主要内容包括：以ARM为核心，完成智能小车的控制，主要实现小车的主要控制功能。前进，后退，左转，右转，还有温度采集，状态显示等。本设计就采用了比较先进的ARM为控制核心。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。第二章系统设计方案2.1系统功能本设计是的内容是一款基于ARM的多功能小车，除具有车的基本功能外，还添加了其他功能，并预留了一些用于扩展的模拟接口和数字接口，以便今后升级，系统功能简述如下：小车可以左转右转，前进倒退，车速可时时变化；步进电机控制转弯大小；小车上有按键功能，可用来控制或输入设定参数使用（具体功能决定于软件编程）；小车上有显示功能，分为基本显示和扩展显示。基本显示只显示数字和简单符号，扩展显示可以接LCD液晶显示复杂内容；小车上有温度采集芯片，可以实时测量环境温度；声音输出功能，即小车可向外界发出声音提示，让用户了解小车运行情况；USB接口通信功能，RS232串口通信功能，以便和PC机通信；外接扩展的模拟接口和数字接口，供接传感器使用；小车系统结构框图2.2系统结构及资源分配实现功能的方案很多，但要从工程的具体需要选择，本设计主要考虑的问题是功耗和系统复杂度。处理器AT91SAM7S256芯片处理速度快，功耗低，拥有完整的系统功能。车速调速电路脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。电机调速电路有两个输入端，在AT91SAM7S256芯片上选I/O口PA0,PA1作为其输入。转向系统为了达到精确的转弯角度，小车采用步进电机。按键与简单显示本设计对按键和简单显示的要求是稳定，尽量节省系统I/O口资源。考虑到以上两点，选用HD7279A串行接口8位LED数码管及64键键盘只能控制芯片。该芯片可同时控制键盘数码管，而且显示功能丰富，对键盘有去抖动功能。HD7289A的输入是CS,CLK,DATA,KEY普通I/O口可以满足，选择PA20-PA23.温度采集新型数字温度传感器DS18B20具有体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点，在实际应用中取得了良好的测温效果。DS18B20只有一条总线，接于AT91SAM7S256芯片的I/O口PA31。扩展显示AT91SAM7S256芯片自带有扩展显示接口，可以方便的介入LCD液晶显示。LCD液晶显示的输入是E和RW，普通的I/O口可以满足，选择PA17,PA18.声音输出小车的声音输出是为了在小车遇到特殊情况下提示用户注意，提示声音不需要很复杂，只要能发出简单的声响就可以了。所以声音输出部分使用一个简单的蜂鸣器，为使声音强度足够大，外加一个三极管放大电路。设定一个I/O口PA25做蜂鸣器输入即可。与外部设备的通信接口由于AT91SAM7S256芯片自带USB接口和RS232串行接口，可直接与外部进行通信。考虑到AT91SAM7S256芯片自带的RS232串行接口信号传输距离较短，为提高传输稳定性，外加一片MAX3232芯片。RS232串行接口连接AT91SAM7S256芯片上的PGMRDYPGMNOE.2.2.9外接扩展接口为了以后可以完善小车自身功能，预留了外界扩展接口。传感器分为数字和模拟两种。AT91SAM7S256芯片自带A/D转换，可直接介入模拟信号。另外，由于AT91SAM7S64芯片的I/O口较多，可预留出一部分作为外界扩展数字接口。模拟接口接AT91SAM7S256芯片的A/D转换接口，AD4-AD7。数字接口接AT91SAM7S256芯片的扩展I/O口，PA7-PA12.第三章详细设计3.1AT91SAM7S256芯片的选择智能小车的芯片选择是最重要的，它是整个小车的核心。它不仅处理速度要快：让小车进行各方面正确快速的运作。而且要满足小车各方面功能的应用，如传感器，无线控制，USB接口，液晶显示，电机驱动等。最重要的是它一定要省电，让小车可以长时间的运转。这样的芯片才能符合小车的要求。根据上面小车的应用，在众多的芯片中，AT91SAM7S256芯片更加符合我小车的要求。AT91SAM7S256芯片方框图如下：AT91SAM7S256芯片方框图AT91SAM7S256芯片的处理速度小车的芯片一定要有高速处理速度。AT91SAM7S256芯片在最坏的条件下可以30MHz的速度进行单时钟周期访问，16K字节的片内高速SRAM，可以在最高时钟速度下进行单时钟周期访问操作。全静态操作：极限条件T(1.65V，85°C)高达55MHz。这样高速处理的芯片正式我所要求的。AT91SAM7S256芯片的功能应用小车的芯片不仅要有快速的处理速度，而且要有方便全面的应用发挥小车的功能。AT91SAM7S256芯片有11个外设数据控制器(PDC)通道，一个USB2.0全速(12Mbps)设备端口，一个同步串行控制器(SSC)，两个通用的同步/异步收发器(USART)，主/从串行外设接口(SPI)，一个3通道的16位定时器/计数器(TC)，一个4通道的16位PWM控制器(PWMC)，一个两线接口(TWI)，一个8通道的10位模数转换器，其中4个通道与数字I/O复用，IEEE1149.1JTAG边界扫描支持所有的数字引脚，5V兼容的I/O，包括4个高达16mA的大电流驱动I/O。足够小车功能要求以及以后小车功能的拓展。AT91SAM7S256芯片的功耗最后就是功耗问题。提起小车，必然要说到电池能撑多久的问题。所以一定要选择功耗低的芯片。AT91SAM7S256有6种类型的电源输入引脚以及一个集成的电源调节器，使得器件可以工作于单一电压。这6种电源引脚类型为：VDDIN：电压调节器的电源输入。输入电压范围是3.0V到3.6V，标称值为3.3V。如果不用电压调节器，则VDDIN应该连接到GND。VDDOUT:电压调节器的输出，1.8V。VDDIO：I/O及USB的电源。支持电压范围为3.0V到3.6V，标称值为3.3V。VDDFLASH：为Flash部分地提供电源，而且是Flash正确工作的先决条件。电压范围为3.0V到3.6V，标称值为3.3V。VDDCORE：芯片逻辑部分的电源。电压范围从1.65V到1.95V，典型值为1.8V。可以通过解耦电容连接到VDDOUT引脚。VDDCORE是器件内核，包括Flash正确工作的前提。VDDPLL：振荡器和PLL的电源。可以直接连接到VDDOUToAT91SAM7S256有一个由系统控制器管理的电压调节器。在正常模式下，电压调节器消耗的静态电流还不到100pA，而输出电流则高达100mAo电压调节器支持低功耗模式。在此模式下它只消耗不到20pA的静态电流，输出电流可达1mAoAT91SAM7S256芯片的低功耗，正是小车需要的。所以根据芯片的三点要求：处理速度，方便充分的展现应用，低功耗。最终我选择了AT91SAM7S256芯片。下面就是AT91SAM7S256芯片的原理图：

「「「「「寸「寸「「「「「「C<1I9505152535A155561575859160101162163「「「「「寸「寸「「「「「「C<1I9505152535A155561575859160101162163645tjTTDOJTAGSELTMSPA31TCKVDDCORE.ERASEDDMDDPVDDIOVDDFLASHGNDXOUTXIN/PGMCKPLLRCVDDPLL_=自.&JI—l<l=L.OIQQAONO寸Q<ONO打功.LSI6z<dDMEVdz<dU14AT91SAM7S256PA7/PGMNVALIDPAS/PGMMOPA9/PGMM1PA10/PGMM2PA11/PGMM3PA12/PGMDUPA26/PGMD14PA25/PGMD13VDDCOREPA24JPGMD12PA13/PGMD1PA1妣GMD2PA15/PGMD3PA16/PGMD4cVDDIO9GND312?InoQQAZSQ>s<2J2(3.2PWM技术的应用对于小车调速技术，我们有三种方案：方案一：串电阻调速系统。方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。方案三：脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)，简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直

流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及前面介绍AT91SAM7S256芯片的时候已经说过芯片的能实现的功能很多，AT91SAM7S256芯片有一个4通道的16位PWM控制器（PWMC）。可以直接对小车进行软件编程后的PWM操控。所以最后小车采用了PWM交换器进行调速。3.3HD7289A数码管及键盘控制芯片的选择小车的显示功能其实就是要显示小车的运动状态，车速，以及采集的温度等。对于这些简单的要求只要八段4位数码管就能够满足要求。因为要求显示很简单，所以数码管显示芯片最好能够自带驱动，以免电路的复杂。而且要尽量少的占用小车资源，从而达到最好的要求。根据小车的需要，我找到了HD7289A芯片。HD7289A芯片非常符合小车的要求。下面是HD7289A的方框图：MCUHD7289A芯片方框图MCU3.3.1HD7289A智能显示驱动芯片HD7279A自带动态显示驱动，不仅节省小车资源，功耗还小。数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数字，因此根据数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。①静态显示驱动：静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5X8=40根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个呢：），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。②动态显示驱动：数码管动态显示接口是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划”a,b,c,d,e,f,g,dp”的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位选通控制电路，位选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。通过分时轮流控制各个数码管的的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为1〜2ms，由于人的视觉暂留现象及发光二极管的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示数据，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O端口，而且功耗更低。HD7289A智能显示驱动芯片的符合小车的显示特点HD7289A是一片具有串行接口的，可同时驱动8位共阴式数码管（或64只独立LED）的智能显示驱动的芯片，该芯片同时还可连接多达64键的键盘矩阵，单片即可完成LED显示，键盘接口的全部功能。HD7289A内部还有译码器，可直接接受BCD码或16进制码，并同时拥有2种译码方式，此外还具有多种控制命令，如消隐，闪烁，左移，右移，段寻址等。HD7289A具有片选信号，可方便的实现多于8位的显示或多于64键的键盘接口。HD7289A应连接共阴式数码管。应用中，无需用到的键盘和数码管可以不连接，省去数码管或对数码管设置消隐属性均不会影响键盘的使用。如果不用键盘，则典型电路图中链接到键盘的8只10K电阻和8只100K下拉电阻均可以省去。如果使用了键盘，则电路中的8只100K下拉电阻均不得省略。除非不接入数码管，否则串入DP及SA-SG连线的8只200欧电阻均不能省去。实际上应用8只下拉电阻和8只键盘连接位选线DIG0-DIG7的8只电阻（以下简称位选电阻），应遵从一定的比例关系，下拉电阻应大于位选电阻的5倍而小于其50倍，典型值为10倍;下拉电阻的取值范围是10K-100K，位选电阻的取值范围是1K-10K。在不影响显示的前提下，下拉电阻应尽可能的取较小的值，这样可以提高键盘部分的抗干扰能力。因为采用普通的数码管，亮度有可能不够，采用高亮或超高亮的型号，可以解决这个问题。数码管的尺寸，亦不宜选得过大，一般字符高度不宜超过1英寸，如使用大型的数码管，应使用适当的驱动。HD7289A内含去抖动电路，小车行驶的颠簸不会影响芯片状态的显示。HD7289A的特点正好符合小车的要求。既减少了耗用小车资源，又能够很好显示小车的状态。3.3.3小车的状态显示

当小车通电后，HD7289A芯片就开始工作，显示小车的状态了。HD7289A上面的4个管脚CS,CLK,DATA,KEY分别与CPU相连。CS为片选输入端，此引脚为低电平时，可向芯片发送指令及读取键盘数据。CLK为同步时钟输入端，向芯片发送数据及读取键盘数据时，此引脚电平上升沿表示数据有效。DATA为串行数据输入/输出端，当芯片接受指令时，此引脚为输入端；当读取键盘数据时，此引脚在‘读’指令最后一个时钟的下降沿变为输出端。KEY为按键有效输出端，平时为高电平，当检测到有效按键时，此引脚变为低电平。这时HD7289A就会按照下图的时序进行工作:-纯指令-带有数据的指令DATAHD7289A芯片需要5V-带有数据的指令DATAHD7289A芯片需要5V的工作电压，才能为小车进行正常的工作。小车的I/O口输出电压都能到达5V，符合HD7289A芯片的需要。卜面是HD7289A的原理图:BBSS-ill3.4温度采集小车设有温度采集功能，主要是用来测量室内温度，电池温度，芯片温度等。3.4.1温度传感器的必要性当小车行驶过程中，如果进入高温或低温环境。就可能影响小车的工作。比如温度很高的环境，小车有可能被高温损坏。这时温度传感器就会显示出温度，以及让蜂鸣器报警来提醒小车进入危险状态。还有测量小车车身上面的芯片的温度，电池温度等也都是必然要有的。这关系到小车能不能正常安全的工作。3.4.2温度传感器的选择一线总线数字式传感器DS18B20，是我为小车选择的温度传感器。DS18B20DS18B20我之所以选择DS18B20，是因为它的特点很明显。-适应电压范围更宽，电压范围：3.0〜5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电-独特的单线接口方式，DS18B20在与微处理器连接时仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯-DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温-DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内

•温范围一55°C〜+125°C，在-10〜+85°C时精度为±0.5°C•可编程的分辨率为9〜12位，对应的可分辨温度分别为0.5C、0.25C、0.125C和0.0625C，可实现高精度测温•在9位分辨率时最多在93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快•测量结果直接输出数字温度信号，以”一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力它的精度，以及它的抗干扰纠错能力是我所要的。但是最重要的是它仅需要一条口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯。这很好的节省了小车CPU的I/O口资源。而且它只需要最低3V就可以正常工作，对于小车全面设计考虑，低功耗是小车最重要的标准。卜面是DS18B20芯片的原理图:C18R3REDS18B20CAPR3REVCCDS18B20的原理图3.5报警装置小车的报警装置只是通过简单的蜂鸣声来提醒小车遇到的紧急情况。如小车前方有障碍物，室内温度高于37度等。所以对于小车报警装置的要求很低。只需要一个蜂鸣器与一个放大器连接即可。这样既保证了小车发出的声音能够听到，又简单方便。蜂鸣器只要连接AT91SAM7S256芯片的一个I/O口，就可以正常的工作。AT91SAM7S256芯片的I/O口可以输出5V的电压供蜂鸣器正常的工作。

蜂鸣器原理图3.6电机驱动小车中的2个直流电机驱动分别控制小车的前进后退和左转右转，当小车在这四个状态中的每一种时，都会有同