2009年全國電子設(shè)計(jì)大賽獎聲音引導(dǎo)系統(tǒng)技術(shù)-國賽優(yōu)秀

目一、系統(tǒng)總體方案的設(shè) 設(shè)計(jì)任 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論 控制器模 電機(jī)的選 電機(jī)驅(qū)動控制的選 無線收發(fā)模 電源模 語音模 聲光顯示模 系統(tǒng)組 二、單元設(shè) 車體運(yùn)動控 語音收 聲源定 理論分 參數(shù)計(jì) 無線收 無線收發(fā)模組系統(tǒng)原 接口電 聲光顯 三、.設(shè) 3.1平臺介 算法及流程 聲音信號頻率的算 小車到達(dá)Ox線的算 接受信號編碼算 響應(yīng)時(shí)間的算 小車運(yùn)動到W點(diǎn)的算 系統(tǒng)主程序的設(shè) 模塊程序流程 程序設(shè) 四、系統(tǒng)測 硬件測 4.2調(diào) 功能測 測試儀器 聲源測 移動聲源速度測 基本要求測 發(fā)揮部分測 相位差測 五、結(jié) 六、參考文 七、附 一、系統(tǒng)總體方案的設(shè)設(shè)計(jì)任1CxCxDmWy中點(diǎn)A1B1圖1圖中，ABAC垂直，OxAB的中垂線，O'yAC的中垂線，WOxO'y聲音導(dǎo)引系統(tǒng)有一個(gè)可移動聲源S，三個(gè)聲音 A、B和C，聲音接收 產(chǎn)生一個(gè)可移動聲源離Ox線（或O'y線）的誤差信號，并用無線方式將此誤差Ox系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論控制器ATMELAT89C51。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一，但其運(yùn)算速度低，RAM、ROM空間小，如果系統(tǒng)需要增加語音播報(bào)功能，還需外接語音，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；另外51單片機(jī)需要仿真器方案二：采用公司的SPCE061A單片機(jī)作為控制模塊。該單片機(jī)資源豐富，RAM，ROM空間大、指令周期短、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，易于編寫和調(diào)試，并集成了語音功能。內(nèi)置JTAG電路，可仿鑒于SPCE061A電機(jī)的選對于小車控制來說，電機(jī)的選擇顯得十分重要。按照題目的要求綜合 速）齒輪組，產(chǎn)生大。但是在使用過 發(fā)現(xiàn)，電機(jī)的驅(qū)動電壓12V對小車來說太高，只能用直流穩(wěn)壓電源驅(qū)動，普通干電池很難驅(qū)動。因此方案三：采用6V的直流電機(jī)。6V的直流電機(jī)，通過齒輪，考慮到性價(jià)比和簡單易行的策略,選擇方案三電機(jī)驅(qū)動控制的選根據(jù)小車的機(jī)械驅(qū)動方式，電機(jī)控制方案如下方案二:利用L298L298是SGS公司的產(chǎn)品，含4通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的驅(qū)動器，即內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機(jī)。采用集成驅(qū)動芯片，占用空間小，可靠性安全性高，能力強(qiáng)，有較大的電流驅(qū)動能力，綜上，采用方案二用MMC-1外接一個(gè)全橋驅(qū)動L298控制電機(jī)無線收發(fā)模nRF905SPC061A的I/OB的接口，與NEC的MMC-1的引腳接口有nF2401AnF2401A為提供了一路的無線發(fā)射和的無接受功能該模組通過一個(gè)10Pin接口直接插接到62板上它是自帶的模組有完整的收發(fā)程序使用方便，且nF2401A是低電壓低功耗?？紤]到主控是采用SPCE061A單片機(jī)系統(tǒng)，雖然nRF905也能進(jìn)行無線收發(fā)，但更適合于AT89S52，而且沒有nRF2401模組控制簡單，且nRF2401A模組的引腳與單片機(jī)連接時(shí)與MMC-1的接口沒有故選擇方案電源模由于電啟動瞬間電流很大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能方案二：雙電源供電。電驅(qū)動電源采用鋰電池，單片機(jī)及其電路電源采用3節(jié)五號電池供電，電源完全分開，這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。語音模方案一：通過單片機(jī)來控制語音來實(shí)現(xiàn)提示信息的播報(bào)。但是由于語音成本比較高，而且擴(kuò)展起來比較復(fù)雜，增加焊接難度和設(shè)計(jì)成本。SPCE061A自帶的語言模塊，簡單方便，成本低只需在相應(yīng)1KHz左右，經(jīng)比較聲光顯示方案一：SPCE061A本身自帶DAC語音功能，利用上述語音發(fā)系統(tǒng)組根據(jù)上述方案論證最終確定了以片機(jī)SPCE061A為控制機(jī)最小系統(tǒng)分別外接無線傳輸模組nRF2401A，從而實(shí)現(xiàn)無線傳輸。采用兩個(gè)動模塊，通過無線傳輸模組nRF2401A，確定小車的位置，與主控MCU收發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)而控制小車的運(yùn)動，使其定位，最終還利用片機(jī)SPCE061A自帶語1所示：檢測模塊CBA聲光顯示無線收發(fā)語電機(jī)及驅(qū)動模電源模1.1二、單元設(shè)車體運(yùn)動控MMC-1外接H橋式驅(qū)動L298作為電機(jī)驅(qū)動模塊基本原理圖如圖如圖2.1，每一路直流電機(jī)需要 和CHnDCDIR兩個(gè)引(n=1~3)CHnDCDIR外接一個(gè)全橋驅(qū)動就可以控制直流電機(jī)工作。輸出頻率固定16KHz，通過本次設(shè)計(jì)中，用到兩個(gè)直流電機(jī)，所以只用到電機(jī)通道1、2。2.4R1R2100R3R410K323189290.47C2C3C61051049932187656785443223456781UART/SPICH1STA2/CH1DC CH1STB2/CH2DCDIR CH2STA2/CH2DC CH3STB2 CH3STA2/CH3DCTXD/SOCH3STB2/CH3DCDIR CH3 CH3CH3CH1STB1CH2STA1CH2CH3SENCH2SENCH1INTCH1SENMMC-112

332212323211123456789231829MMC-1的13、14引腳與主控MCU的TRX、RXD引腳相接，由于只1、2。MMC-1輸出的DIR信號分別通過一個(gè)或非門產(chǎn)生一個(gè)DIR信號再這四個(gè)信號DIR1DIR1DIR2DIR2)L298IN1、IN2、IN3、IN4相連 信號 1、2)送入L298的ENA和ENB。TP5214是光 部分 1DIR11233DIR12455DIR21677DI282.5L298101010011011停01101110停101 周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，則電機(jī)兩端的平均電壓，Vcc占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。在硬件電的，單的輸出信號與DIR信號接到L298的IN1—IN4上，通過改變的語音收語音：由蜂鳴器發(fā)出聲音通過運(yùn)放輸出。II1接IOB074HC04器由蜂鳴器。語音接受：，蜂鳴器發(fā)出經(jīng)過濾波放大后由A、B、C三個(gè)接收51單片機(jī)的P2.0，P2.2，P2.3相接。A、B、C51單片機(jī)最小系統(tǒng)的P2.0，P2.2，P2.3相接，通過高低電平形成編碼，ABC三路信號經(jīng)一或非門接51單片機(jī)P3.351平，將觸發(fā)外部中斷。51單片機(jī)最小系統(tǒng)的P0.0—P0.7與接受站的片機(jī)的IO口進(jìn)行串口通收站的片機(jī)通過無線傳輸模塊nRF2401A與主控MCU通信，控制小車的運(yùn)動，對其進(jìn)行定位。聲源定理論分與A、B、C的相對位置?？梢酝ㄟ^計(jì)算聲源發(fā)出被A、B、C接收到的時(shí)間差來確定聲源A、B、C這種方法不需要在聲源和之間做同步，相對簡單一些，但是位置的計(jì)算相對復(fù)雜一些。下圖是三個(gè)接收到波形的示意圖。通過測量從參考時(shí)刻開始到接收到完整聲音的時(shí)間Count_Time，可以得出三個(gè)時(shí)間差，根據(jù)三參數(shù)計(jì)由位移公式 SA、B距離OX線的距離 SA=聲源發(fā)生后A、Bt可得A、B之間與中垂線OX比較設(shè)聲源與ASA，聲源與B點(diǎn)之間的距離為SBSASB

SA2SN2(ABSB2BN2SNSASB時(shí)：tSASB時(shí)：及△t=0,無線收接收站的片機(jī)通過無線傳輸模塊nRF2401A與小車的主控MCU通無線收發(fā)模組系統(tǒng)原無線傳輸模組以nRF2401A為提供了一路的無線發(fā)射和的10Pin61圖2.710PinJ161板的I/O兩個(gè)通道接收，可以將預(yù)留端口J2引出，接到單片機(jī)對應(yīng)的I/O上即可。nRF2401A3.6V61板的I/O端口電平跳線為3V（將61板J5跳線跳至3V端。接口電61J1J2J1為nRF2401A1的收發(fā)通道，J22J1接10Pin61I/O61板的I/O端口使用。J2預(yù)留，如果需要采通道接收時(shí)，可以將J2對應(yīng)的3根信號線引出，接到單片機(jī)的I/O上即可。聲光顯小車定位時(shí)日式與語音模塊同理，在小車定位是，通過改變頻率使蜂鳴器發(fā)出獨(dú)特提示

，小車實(shí)現(xiàn)定位時(shí)，LEDIOA0口送入的高低電平連三、.設(shè)3.1平臺介C語言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。C算能力強(qiáng)而本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中算術(shù)運(yùn)算比較多且比較復(fù)雜利用C語言編程的優(yōu)勢完全可以體現(xiàn)出來。、SPCE061A設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)平臺技術(shù)先進(jìn)設(shè)計(jì)項(xiàng)目多樣，公司將程序編輯、編譯以及SPCE061A程序代碼燈各種工具集成在Windows操作unSPIDE2.0.0集成開發(fā)環(huán)境，它支持匯編和C混合編程，程序編輯、調(diào)試操作更加方便、高效。此外，它的仿真功能、算法及流程聲音信號頻率的算 延時(shí)的方法產(chǎn)生周期性音頻脈沖信號tt小車到達(dá)Ox線的算根據(jù)中垂線定理，要實(shí)現(xiàn)小車S到達(dá)Ox線上，只需SA=SB，兩端線段相等只A、B兩點(diǎn)，這時(shí)只需檢測聲音到達(dá)兩點(diǎn)的時(shí)間差△t即可，SA-SB<AB=1m,可算出δ＜1/340≈3ms，即△t<3ms時(shí)，Ox線上。接受信號編碼受站分別接51P1.1、P1.2、P1.3口.所以SA>SC>SB,可以通過判定接收聲音的先后順序來判斷小車的位置，A、B、C三個(gè)管腳的值得到如下波形如下圖,三次高電平得到編碼如下表：B由以上波形得到P2.2、P2.1、P2.0的值為010、110、111CBA010110111OxCBA100111011小車到達(dá)WCBA111111111響應(yīng)時(shí)間的算S點(diǎn)出發(fā)時(shí)，計(jì)時(shí)器開始計(jì)數(shù)，到小車到達(dá)Ox線停止后，時(shí)間，及為小車的響應(yīng)時(shí)間。小車運(yùn)動到W點(diǎn)的算，在基本要求中已完成使小車到達(dá)Ox線上，這時(shí)只讓小車沿著Ox線SA=SCW，3.2.2系統(tǒng)主程序的設(shè)NNN是否有時(shí)間 A先接受A、B是否有時(shí)間NYA、C是否有時(shí)間YN A先接受NA先接受NY向A運(yùn)完LED燈亮，蜂鳴器停聲源運(yùn)運(yùn)向B運(yùn)聲源運(yùn)動再向B運(yùn)向A運(yùn)延時(shí)A、B接向C運(yùn)向A運(yùn)LED燈亮，蜂鳴器可移動聲停初始運(yùn)3.1模塊程序流程包括電機(jī)驅(qū)動模塊，語 模塊，接收模塊，無線收發(fā)模塊，定位聲光?？刂瓶刂圃O(shè)置占空設(shè)置占空初始化初始化MMC-延時(shí)延時(shí)發(fā)送延時(shí)發(fā)送延時(shí)選擇通道UART發(fā)送延時(shí)延時(shí)發(fā)送延時(shí)開選擇通道電電機(jī)轉(zhuǎn)3.2.蜂鳴蜂鳴接A、B、開停是否存在誤3.3四、系統(tǒng)測硬件測在斷電情況下，用萬用表對所設(shè)計(jì)的電路板，如電機(jī)驅(qū)動電路板，無4.2調(diào)在對硬件電路完整檢測后，上電，調(diào)試程序，檢測小車的語音模塊是功能測測試儀器聲源測經(jīng)示波器測試，聲源為脈沖信移動聲源速度測根據(jù)，平均速度均大于5cm/s，符合基本要求通過上述表格沒的可移動聲源初始速度為13.3cm/s，占空比分別為，當(dāng)可移動聲源接收到的誤差信號大于某一個(gè)數(shù)值時(shí)以13.3cm/s的速擇占空比為130/140，此時(shí)速度為5.914cm/s這樣全線速度也在10cm/s以上這也是為甚么初始速度設(shè)為13.31cm/s比10cm/s要大一些的原因以下，基本要求測OXa，可移動聲源在運(yùn)動過OX線左側(cè)距離為b。停車定位誤差OX線左側(cè)距離b（cm）10.40.4有2有3有4有5有6有7有OX5cm。發(fā)揮部分停車定位誤差超OX線左側(cè)聲光標(biāo)志1有2有3有4有5有6有7有該系統(tǒng)產(chǎn)生誤差的原因主要在于使用的是直流電機(jī)，轉(zhuǎn)速受電壓的影 80%100%滿電狀態(tài)下，由以往調(diào)試直流電機(jī)的經(jīng)驗(yàn)來看，在相位差測由題給示意圖可知運(yùn)動聲源發(fā)出聲音后由ABC三點(diǎn)的通過無線Svt③③１０⑤④②當(dāng)接收信號時(shí)示波器、可以根據(jù)上述的圖，得到聲源到A、B兩點(diǎn)的距離。從而確定小車到OX線之間的距離。但是在設(shè)計(jì)過，也存在一些不足。聲音引導(dǎo)帶來一定的。這就要求加入運(yùn)放，以及對無線信號的處理都復(fù)雜化。也檢驗(yàn)出平時(shí)學(xué)習(xí)的不足，在今后的學(xué)習(xí)中彌補(bǔ)不足。五、結(jié)經(jīng)過為期四天的設(shè)計(jì)，感觸頗深的是解決問題的方法、技巧。使深刻但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。在這四天中，遇到們以后的學(xué)習(xí)和工作不無裨益。當(dāng)然，的設(shè)計(jì)還存在著一些缺陷，由于自六、參考文《大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì)》航天航空大學(xué)2008奚大順《電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)篇航天航空大學(xué)2007年。高吉祥《大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系列基本技能訓(xùn)練與單元電路設(shè)計(jì)》電子工業(yè)2007年。高吉祥《大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽培訓(xùn)系列數(shù)字系統(tǒng)與制動控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)》電子工業(yè)2007年《大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽試題精解選》電子工業(yè)2007年《pro99SE—電子線路CAD應(yīng)用》東南大學(xué)2005七、附附錄一：主要元件16單片機(jī)；MMC-1電機(jī)控制；L298N；無線傳輸模組nRF2401A；附錄二：部分程序// IOA0PWR(無線模組 IOA1CE(無線模組 IOA2CS(無線模組 IOA3DR1(無線模組 IOA4CLK1(無線模組 IOB0- IOB2- IOB7 測速口L-P_IOA_8,R-//文件名://功能描述//記錄 //IOB7接收NECRX IOB10發(fā)送TX#include"UART.H"http://#include"chesu.h"#include"run.h"#include"nRF2401.h"#include"nRF2401.h"#include"Snd.h"http://#definef ////#defineb //intv_1=0,v_2=0;unsignedint //接收緩沖,int{ //nRF2401A{ //}}int{ nRF2401A{*P_Watchdog_Clear=if((nRF2401_RxStatus //nRF2401A{{casech_2(160);ch_1(-110);Delay_1(540);ch_2(140);ch_1(150);casech_2(-100);ch_1(150);Delay_1(530);ch_2(140);ch_1(150);case3:ch_2(140);ch_1(150);Delay_1(10);break;c