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09年全国电子大赛小车题《声音引导系统一等奖论文》.doc

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.16M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    09电子设计大赛报告-声音导引系统设计
    09 电子设计大赛报告-声音导引系统设计 电子设计 2009-09-16 08:58:53 阅读 620 评论 5 字号：大中小 声音导引系统设计（赛区一等奖论文） 摘要: 为了满足声音导引系统的设计要求，进行了各单元电路方案的比较论 证及确定，系统以 Philips 公司的 P89V51RD2 作为系统的控制核心。对于关键的 声音发生、接收模块部分和无线模块部分，经过充分比较、论证，我们最终选用 了高精度电子蜂鸣器作为声音发生器，用改进的超声波接收电路作为声音接收 器；选用 NRF24L01 型无线模块实现两控制器间的通信。通过接收器对声强的检 测，实现了声源导引定位等功能；系统显示部分选用 7279 芯片驱动数码管，串 行接口，编程容易，显示清晰、美观大方。采用单片机内部时钟实现精确计时， 显示运动时间。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，完成所有基本和发 挥部分的要求。 关键词：P89V51RD2，接收器，无线模块 一、设计任务及要求 1.1 设计任务 设计并制作一声音导引系统，示意图如图 1 所示。
    图中，AB 与 AC 垂直，Ox 是 AB 的中垂线，O'y 是 AC 的中垂线，W 是 Ox 和 O'y 的交点。 声音导引系统有一个可移动声源 S，三个声音接收器 A、B 和 C，声 音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之 间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox 线（或 O'y 线）的误差信号， 并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。 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。 1.2 技术要求 1.2.1 基本要求 （1）制作可移动的声源。可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号， 如图 2 所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。 （2）可移动声源发出声音后开始运动，到达 Ox 线并停止，这段运动时间 为响应时间，测量响应时间，用下列公式计算出响应的平均速度，要 求平均速度大于 5cm/s。 （3）可移动声源停止后的位置与 Ox 线之间的距离为定位误差，定位误差 小于 3cm。 （4）可移动声源在运动过程中任意时刻超过 Ox 线左侧的距离小于 5cm。 （5）可移动声源到达 Ox 线后，必须有明显的光和声指示。 （6）功耗低，性价比高。 1.2.2 发挥部分 （1）将可移动声源转向 180 度（可手动调整发声器件方向），能够重复 基本要求。 （2）平均速度大于 10cm/s。 （3）定位误差小于 1cm。 （4）可移动声源在运动过程中任意时刻超过 Ox 线左侧距离小于 2cm。 （5）在完成基本要求部分移动到Ox 线上后，可移动声源在原地停止 5s～ 10s，然后利用接收器 A 和 C，使可移动声源运动到 W 点，到达 W 点以后，必须有明显的光和声指示并停止，此时声源距离 W 的直线 距离小于 1cm。 （6）其他。 二、系统方案比较与论证 根据题目的要求，系统主要可分为运动控制部分、声音信号检测部分和 无线数据传送部分。具体可划分为声音发送与采集模块、无线收发模块、电 机驱动模块、电源模块、显示和按键模块 2.1 整体方案论证与分析 方案一：根据声强检测来对小车定位，不同距离的声源传到声音接收器的信 号强度不同，根据对信号强度进行 AD 采样，可以判断出声源距离。 方案二：根据声音传输时间差来对小车定位，声音从声源传到不同接收器的 时间不同，针对不同接收时间进行定时计数，做差值，可以判断出声源距离不同 接收器的位置差，进而对小车位置行进控制。
    比较以上两种方案，方案二简单灵活、容易控制，能达到题目的设计要求， 因此采用方案二来实现。 具体方案如下：本系统共用到三个声音接收器（A、B、C），这三个器件通 过电线连接在接收端的单片机上。根据接收器原理电路分析可知，该电路在没有 接收到声音信号时，输出高电平；在接收到声音信号时，输出低电平，非常稳定。 接收器接收到声音信号，输出低电平用来触发单片机的外部中断，通过计数器计 数，算出小车离接收器的距离。经单片机比较、分析、处理后，产生一个可移动 声源离指定位置的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至小车，引导小车 运动，实现小车的定位控制。声音接收器电路图见附录。 2.1.1 微控制器模块论证与分析 方案一：采用周立功公司的 32 位单片机 EasyARM2131。该单片机 I/O 资源 丰富，具有强大的存储空间，芯片内置 JTAG 电路，可在线仿真调试，但对编程 要求较高，且价格较为昂贵。 方案二：采用 Philips 公司的 P89V51RD2。51 单片机价格便宜，应用广泛， 无论是从内部构造，还是编程方面 51 系列单片机都相对简单，容易掌握和使用。 根据本题的要求，我们决定采用方案二。最小系统图见附录 1。 2.1.2 电机模块论证与分析 方案一：采用步进电机。步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构， 其精确度高，控制简单、无积累误差等优点。但是步进电机的力矩会随转速的升 高而下降，调速潜力不大，并且价格较高。 方案二：采用直流电机。直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流来改变 速度，驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑、低速性能好、运行平稳、噪 音低、效率高等方面。 综上所述，我们决定采用方案二。 2.1.3 电机驱动模块论证与分析 方案一：采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件。采用上述元件搭建 两个 H 桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做 到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。 方案二：采用 L298N 驱动芯片。L298N 芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯 片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的 I/O 口提供信号，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。 综上所述，我们决定采用方案二。具体电路图见附录 2。 2.1.4 声源模块论证与分析 方案一：使用扬声器 用扬声器产生声源，其音调不好控制，驱动电路较复杂，成本较高。用麦克 接收声音信号，但是此方案抗干扰性差，不适合本题目。 方案二：使用电子蜂鸣器 用蜂鸣器做声源，有声音清晰宏亮、重量轻、体积小、耗电省、寿命长、价 格低，具能在各种恶劣环境中工作等优点。 综上所述，我们决定采用方案二。 2.1.5 无线模块的论证与分析 方案一：采用 2262 发送芯片，2272 接收芯片。通过编码芯片 PT2262 发出 编码信号，解码芯片 PT2272 接收到信号后，进行数据处理。但由该芯片所做成 的无线模块不稳定，所需的电压大，功耗高，抗干扰能力差。
    方案二：采用 NRF24L01 模块。此模块，可以实现数据的精确传输，应用起 来比较方便，传输距离远，且其有空闲模式，大大的降低了模块的功耗 考虑到比赛题目的要求，需要对声源进行定位，我们决定选择方案二。 2.1.6 电源模块论证与分析 方案一：电池组供电，可提供 800mAh 电流，重量很轻，但是会造成电压不 稳、有毛刺等干扰，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。 方案二：蓄电池供电，电流大，电压稳定。由于电源为 12V 蓄电池。通过 7806 和 7805 稳压芯片提供工作电压。具体电路图见附录 3。 基于上述考虑，所以我们决定选择方案二。 2.1.7 显示模块论证与分析 方案一：使用液晶屏，液晶屏具有显示质量高，数字式接口，体积小，质量 轻，功耗功率小的特点，但是其价格较高，在远距离显示效果较差。 方案二：使用数码管，数码管具备数字接口，高频特性好，单色性好，显示 清晰，价格较低，性价比非常高，方便易行，基本满足本题目的要求。 综上所述，我们决定采用方案二。 2.2 控制方案 经上述论证，此引导系统主要实现电机的驱动与转速转向控制、无线收发控 制。 2.2.1 电机的驱动与转速转向控制 电机驱动模块由 ASSP 芯片（型号 MMC-1）和 L298N 芯片组成。通过主控 MCU 与 ASSP 芯片的串口通信实现对 L298N 的控制，进而实现对电机的控制。 ASSP 芯片（型号 MMC-1）为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片， 可同时控制三路步进电机或直流电机。其对于直流电机的控制和调速程序都已固 化，其与单片机的连接通讯是通过串口实现的，即节省了单片机的 I/O 口又可以 省去生成 PWM 所用的定时器和中断。既简化了程序又增强了程序的稳定性，使 用起来非常方便。 2.2.2 无线模块控制 通过编程用单片机 IO 口模拟 SPI，不需要单片机真正的串口介入，只需要普 通的单片机 IO 口就可以了。该模块通过单片机的软件控制，可实现两机的全双 工通信。 三、设计与论证 3.1 软件设计 3.1.1 基本部分 由从控制器无线发送开始信号给主控制器，同时启动接收器 A、B 和定时 器（此时定时器开始计数），主控制器响应无线信号，使声源发声，接收器 接收到声音信号时定时器停止计数，此时记下两个定时器的计数值 T1、T2， 利用两计数值计算出接收器 A、B 离声源的距离，当距离近似相等时即可认为 到达中线。计数器清零，循环执行上述操作。 3.1.2 发挥部分 在实现基本部分后，需要判断转弯标志，实现小车转向（90 度），然后 只需将接收器选为接收器 A、C，计算出接收器 A、B 离声源的距离，当距离近
    似相等时即可认为到达 W。实际可能出现的问题是小车到达 OX 后，车体与 OX 不垂直，但这个是可以通过调节硬件来解决的。其程序流程图如图 5。 图 4 基本部分流程图 图 5 发挥部分流程图 3.2 控制理论简单计算 小车运动过程中，单片机可利用中断和计数器计算接收器离声源的距离 X1、 X2（单位 cm）。通过比较两距离的差值，对小车进行定位。若 X1-X2>50 则给小 车发送全速前进信号（小车初始车头方向垂直于 OX）；若 5< X1-X2<50 表明小 车离目标中线已经很近，小车调节 PWM 缓慢前行；若 X1-X2<5,证明小车已基本 到达指定位置，这时小车停止在中线上，并发出明显声光信号。 发挥部分只需将接收器 A、B 用数据选址器接到单片机 1 上，在完成基本部 分后，将接收器 A、B 改为接收器 A、C，重复进行两点距离值计算，当两距离近 似相等，小车到达 W 并停止，同时发出声光信号。 四、系统总体电路设计 根据上述方案论证，我们最终确定了以 Philips 公司的 P89V51RD2 单片机为 控制核心，通过一单片机控制声源发送、无线接收、直流电机驱动、声光提示， 通过另一单片机控制接收器（A、B、C）、无线发送。系统的总体结构框图如图 6 所示：
    图 6 系统总体结构框图 五、系统测试 5.1 测试仪表 4 位半数字万用表，双踪示波器，计算器，秒表，2 米卷尺。 5.2 测试结果 可移动声源发出声音后开始运动，到达 OX 线并停止，这段运动时间为响应 时间，需要测量响应时间。可移动声源停止后的位置与 OX 线之间的距离为定位 误差，需要对定位误差进行测量。 所用的时间表（s） 试验次数 到中线位置差 到中线后所拐 角度 到中心点位置 差 声光提示时间 2 1 3 4 从测试结果分析，我们设计制作的系统基本可以实现基本部分及发挥部分的 功能。而且系统运行稳定，误差较小。 六、结语 经过为期四天的设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这四天中， 我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法、多角度处理。通过这几天的设计竞 赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对 我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于 在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。
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