涤丝纺-诺比
2009
全国大学生电子设计竞赛
题目
B
:
<
/p>
参赛学生:
指导教师:
学
校:
院
系:
《声音导引系统》
信息
学院
临沂师范学院
目
录
一、设计任务与要求
.
.............................................
..................................................
..................................................
1
二、系统整体设计方案比较与选择
.
.......................................
..................................................
................................
1
三、设计与论证
.
< br>............................................... .................................................. .................................................. ......
1
1
、电机运行速度设计
.............................................
..................................................
.........................................
1
2
、误差信号的产生
.
..................................
..................................................
..................................................
.....
2
3
、控制理论简单计算
.............................................
..................................................
.........................................
2
四、电路设计
.
................................................ .................................................. .................................................. .........
2
1
、系统整体设计框
.
..................................
..................................................
..................................................
.....
2
2
、单元电路设计
< br>.
...................................
..................................................
..................................................
........
3
1
)可移动声源及声音接收器
..........................................
..................................................
........................
3
2
)电机驱动电路设计
.............................................
..................................................
.................................
4
3
)无线收发模块
< br>............................................... .................................................. .......................................
5
3
、电源设计
.
.....................................
..................................................
..................................................
..............
5
五、软件设计
.
................................................ .................................................. .................................................. .........
6
六、运行情况测试
.
..............................................
..................................................
..................................................
...
7
1
、声源速度测试
< br>.
...................................
..................................................
..................................................
........
7
2.
测试方法
.
.....................................
..................................................
..................................................
................
7
3.
测试数据
.
.....................................
..................................................
..................................................
................
7
4.
误差分析
.
.....................................
..................................................
..................................................
................
8
七.设计总结
.
................................................ .................................................. .................................................. .........
8
八.参考文献
.
................................................ .................................................. .................................................. .........
8
九
.
附录
.
...........................
..................................................
..................................................
......................................
8
十、结束语
.
.................................................
..................................................
..................................................
..........
1
3
声音导引系统设计与总结报告
摘要
:
本文
描述了声音导引系统的设计原理和实现方法。该系统由
AT89S52
< br>单片机控制,双直
流电机双轮驱动小车。通过
NEC
p>
公司的
ASSP
电机控制芯片和单片机之间
的串行通信实现可
移动声源的运动。主控制器利用不同声音接收器间产生的误差信号,并
用无线通信方式将此
误差信号传输至可移动声源,引导其运动。到达目的地,发出声光信
号。系统最大特点在于
软件设计采用层次化、模块化的设计方法,使得复杂数学模型和控
制算法得以简化和快速开
发。经调试和测试,系统各项性能参数已基本达到设计指标。且
本系统在设计中注意低功耗
处理和力求高性价比等细节。
关键词
:
声音导引
89S52
单片机
ASSP
芯片
算法
Abstract
T
his
system
use
two
STC12C5A60S2
enhanced
51-series
microcomputer,
double
dc
motor
drive
car
outfit.
Through
different
voice
signal
method-the
peak-trough
received
from
various
terminal, the car of
distance, through wireless transmission module
control vehicle, and control chip
car
movement, destination, a sound signal. This system
in the design of low power consumption and
high performance to such
details.
一、设计任务与要求
设计并制作一个
声音导引系统,可移动声源运动的起始点必须在
Ox
线右侧,位
置可以任
意指定。
利用声音接收器和可移动声源之间的不同距离
,
产生可移动声源和目标线之间的误差
信号,并利用无线通信方
式将此误差信号传输至可移动声源,引导其运动。
二、系统整体设计方案比较与选择
根
据题目要求,
系统可以分为两个基本模块,
由两片八位单片机分
别实现,
本声音导引系
统的控制关键在于,精确检测误差信号,
使可移动声源按要求运动。系统示意图如下,初步分
析设计方案:
方案一、在可移动声源向
Ox<
/p>
线逼近时,把接收器
A
和
B
接收到声源的声音的强弱分别转
换成它们与声源之间
的距离,从而判断声源是否到达目的地。
方案二、启用单片机
定时器,根据接收器
A
和
B
接收到声音的时间差来判断声源的位置,
进而调节电机运行的速度,直至声
源是否到达目的地。
方案分析:鉴于方案一中声音的强弱受外
界干扰太大,检测到的声音信号不定,而测量时
间差则相对精确,所以本系统采用方案二
。
三、设计与论证
1
、电机运行速度设计
1
根据题目要求,可移动声源发出声音后开始运动,到达
p>
Ox
线并停止。要求平均速度大于
5cm/s
。如上图
1
所示,鉴于此要求,可以采用霍尔传感器直接测出电机的转速,并将此速度
反馈给辅控
制单片机,由此来调节占空比,进而调节电机的转速。但由于比赛时间有限,此方
案并未
落实。
2
、误差信号的产生
声源发出声音并移动,辅助控制器控制
A
、
B
接收器同时启动,利用
A
、
B
接收器
接收到声
音的时间差来判断声源与
Ox
线之间的误差,若时间差大于零则说明声源与
Ox
线之间有误差
,
声源继续移动,直到时间差为零时停止。
3
、控制理论简单计算
由上图
1
所示
,
声源从右至左行驶时,
计声音接收器
A
、
B
接收到
声源的时间分别为
TAs
、
TBs
p>
。其时间差为为
TAs-
TBs
,主控制器将此时间差通过无线通信方式传给辅控制单片机,进
而来调节
PWM
波的占空比。从而改变电机的转速。以达到由声音控制电
机转速的目的。直到
TAs- TBs=0
,声源停在
Ox
线。
四、电路设计
1
、系统整体设计框
如图
2
所示
:
本系统由两片单片机完成控制任务,电机控制
ASSP
芯片可以由硬件直接
产生
PWM
波,
因此主控制器单片机可以通过
ASSP
芯片产生的
PWM
波形来控制直流电机的运转,<
/p>
省去了用单片机产生
PWM
波,提高了编
程效率。只需再接上
L298
驱动电路,就可以轻松的达
到控制直流电机的目的。声源是通过主控制单片机的
P3^7
脚输出一定频率的波形,再经过放
大电路放大,
最终产生声音。
声音接收器接收声音并传给辅助单片机,
辅控制
器和主控制器之
间无线传输信息。进而判断声源的前进方向,并通过液晶显示器显示系统
运行状态。
2
图
2
系统总体框图
2
、单元电路设计
1
)可移动声源及声音接收器
可移动声源的信号频率由单片机产生,经功率放大电路放大后
由喇叭输出音频信号。电路
图如下:
图
3
声音发生器电路
音频接收处理
方案一:由于声源离各
接收站距离不等,所以各接收站收到声音信号所需时
间不等,进而可以判断出小车方位,
引导小车前进。
方案二:
由于声源离
各接收站距离不等,
所以各接收站收到声音信号的强度
不等,通
过
AD
转换器测出电压大小,进而可以判断出小车大概方位,引
导小车
前进。
由于接收站离主控单片机有
1
米距离,传输距离比较远
,需要导线比较长,
容易受分布电容等干扰,
直接传输电压信号
容易导致不精确,
所以我们采用测时
间差的方法。
3
通过
MIC
接收,音频信号经放大和滤波后再整形成方波,测出响应时间。
具体工作原理:
主控单片机通过无线给从机发送触发信息,
并开始计时,
当车载
单片机接收到信号后发出
p>
4Khz
音频信号。
当
MIC
接收到小车上发来的音频信号,
从而停止计时,
p>
再根据声速便可测出声源距
3
个接收点之间
的距离,
通过主控单
片机计算,给小车发送指令,引导小车到达
目的地。
1
2
3
4
D
Vout
5
103
104
VCC
VCC
10uF
+
6.6
K
8
503
6
< br>1
8
7
6
5
LM567
1
2
< br>223
MIC
3
LM386
p>
4
2
3
4
10uF
5
+
0.05u
1.8K
22uF
+
103
C
10
VCC
图
4
音频接收原理图
< br>
2
)电机驱动电路设计
方案一、
在电动机前段加电位器使之分压减少以降低转速,
< br>同时在前端并联
B
一个电容可以使电动机缓慢加速,
p>
从而避免突然加速对系统的冲击,
避免轮子打
滑。
这种方案的缺点是调节转速需要人工手动调节电位器,
非
常不方便,
小车刹
车时由于电容放电,刹车也很缓慢,不能及时
刹车。
方案二、
采用专用集成电机控
制芯片
L298
驱动电机,
通过单片机
调节
MMC-1
芯片产生
PWM
波的占空比,来控制
L298
的输入使之工作
在占空比可调的状态,
精确调整电动机转速。
A
综合以上两种方案,本系统采用方案二。
Title
Size
B
Number
MMC-1
为多通道两相四
线式步进电机
/
直流电机控制芯片,
基
于
NEC
电子
16
位通用
MCU
固化专用程序实现,
通过
UART
或
SPI
串行接口,
为主控
MCU
扩展
专
1
2
3
4<
/p>
5
Da
te:
F
ile:
5-Se
p-2009
d:My Docume
nts
声导小
车
S
用电机控制功能,
可同时控制三路
步进电机或直流电机。
用于直流电机控制时,
通道输出频率固定
为
16KHZ
,通过设定给定寄存器选定不同占空比,进而调节
了两个直流电机的转速,直至达到设计要求,
ASSP
芯片通过
L298
驱动电路驱
< br>动两个直流电机运行。
由于
ASSP
芯片自身具有
PWM
输出,
所以两
台电机都采用
PWM
控制,通过调节占空比,实现电机的速度调
节。
L298
是双
H
< br>桥高电压大电
4
流功率集成电路,可以用来驱动
2
个直流电机或
1
个
步进电机等感性负载。采
用
L298
作
为电机驱动电路,可靠性高,可以方便的控制电机正反转。
单片机、
ASSP
芯片
和
L298
的连接电路图如
下:
图
5
单片机、
ASSP
芯片
和
< br>L298
的连接电路图
3
)无线收发模块
< br>方案一:红外通信,红外通信器件易得,价格低廉,但必须直线收发是其
致命弱点
。
方案二
:采用
nFR24L01
无线通信模块,此无线通信协议工作于
2
.4
~
2.5
GHz
ISM
频段,数据传输率最快可达
2
Mb
/
s
。
?
方案分析:选用
< br>nFR24L01
无线通信模块,确保通信的流畅性和准确性。
< br>
方案三、采用
SUNRF-
2051
无线通信模块。
<
/p>
方案四
、采用无线发射模块
PT2262
,接收模块采用
PT2272
超再生接
收板。
?
方案分析:超再生式接收板
具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点,
接收电路自身辐射极小,
< br>加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用,
可以减少
自
身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。
内含放大整形及解码电路,
使用极为方
便。
因此本系统采用方案?。
3
、电源设计
方案一、所有器件采用单一电源。这样供电比较简单。但
是由于声源小车有
两台电机,
电动机起动瞬间电流很大,
而且
PWM
驱动的电机电流波动较大,
会造
成电压不稳、有毛刺等干扰,严重时可能造成单片机系统掉电,缺
点十分明显。
5
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
涤丝纺-诺比
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