设计方案范例.docx

1、设计方案范例声音导引系统设计报告院 系： 姓 名： 学 号： 1 方案设计与论证 21.1主控系统选择31.2电机选择31.3电机控制系统选择31.4无线数据通信模块选择31.5声音信号处理方案选择32 硬件电路设计 32.1系统组成42.2音频发射42.3音频处理42.4电机控制系统53 软件设计 54 系统测试 64.1 测试仪器64.2测试方法64.3测试数据74.4误差分析75 设计总结7 参考文献 7 附录8 附1：部分元器件清单 8附2：仪器设备清单 8 附 3：部分程序清单 8声音导引系统设计与总结报告摘要： 本系统采用两片STC12C5A60S2增强型51单片机，双直流电机双轮

2、驱动小车。通过接收点收到声音信号时间不同，判断小车离各个接收站的距离远近，通过无线传输模块控制车载单片机，进而控制小车运动，到达目的地，发出声光信号。本系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节。特点：高效的L293电机驱动电路，提高电源利用率；双电源设计，控制电路电源与电机电源隔离，信号通过光耦传输；采用测时间差的方式，通过3点声音信号实现精确定位。关键词: 声音导引 可移动声源 声音接收器 单片机智能车AbstractThis system use two STC12C5A60S2 enhanced 51-series microcomputer, double dc motor dr

3、ive 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 per

4、formance to such details.1方案设计与论证 1.1主控系统选择方案一：采用高性能嵌入式系统，比如ARM。如果采用此方案，可以很好的解决数据处理和控制功能，但是ARM价格昂贵且本科阶段很少接触，在短时间内完成困难比较大。方案二：采用大规模可编程逻辑器件，如FPGA，CPLD但本题属于控制类，不适合采用此方案。方案三：采用2片高性能单片机来实现，一片用来处理音频信号接收，同时控制车载单片机，担当主控单片机。另一块作为从单片机，用来控制小车运动。考虑到方案的可实行性和性价比，我们采用STC12C5A60S2增强型51单片机，此款单片机内部不分频，采用RISC精简指令集，可实现

5、高速运算，存储空间大，价格低廉，性价比极高。1.2电机选择 本题是控制类题目，所以电机的选择尤为重要。 方案一：选择普通直流电机，通过减速齿轮增大扭力，提高带负责能力。直流电机的优点是价格便宜，控制容易，但难以精确控制是其一大弱点。 方案二：选择步进电机。步进电机的特点是可以精确控制电机选择步数和角度，缺点就是力矩比较小，容易失步，而且价格比较昂贵。 考虑到题目要求性价比高，所以我们选择普通直流电机，通过优良的控制算法，达到高精度定位。1.3电机控制系统选择方案一：通过晶体三极管等分立元件搭H桥。优点是价格便宜，结构简单，控制简单。但由于晶体三极管的承载电流比较小，驱动能力受到限制，因为是分立

6、元件，稳定性不敢保证，且体积比较大。方案二：采用集成芯片，如L293,L298等。其优点是集成度高，电路简单，控制方便可靠，体积小，效率高。考虑到小车比较小，要安装的电子装置比较多，控制精度比较高，所以选用低电压驱动高效率的L293驱动芯片(L298需要的驱动电压高,效率低)。1.4无线数据通信模块选择方案一：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2.42.5 GHz ISM频段，数据传输率最快可达2 Mbs。 我们选用nFR24L01无线通信模块，确保通信的流畅性和准确性。1.5声音信号处理方案一：由于

7、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。小结：经过几番仔细的论证和比较，我们决定了本系统主要模块方案如下：音频处理方案：采用测时间差的方式。主控制器：两片STC 12C5A60S2增强型51单片机。小车行驶方案：双直流电机双轮驱动。无线通信模块：n

8、FR24L01通信模块。电机控制系统：NEC_MMC电机控制芯片和L293集成芯片。2硬件电路设计2.1系统组成原理本系统由声源发射器，接收站A，接收站B，接收站C，主控单片机，无线传输模块，从控单片机，NEC MMC-1电机控制芯片，电机驱动模块，声光电路等组成。 图2.1系统组成原理图2.2音频发射通过单片机定时器产生一个4Khz的脉冲信号，控制三极管的通断，使喇叭产生一个高频音频信号。图2.2音频发射原理图2.3音频接收通过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4Khz音频

9、信号。当MIC接收到小车上发来的音频信号，从而停止计时，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。图2.3音频接收原理图2.4电机控制和驱动单片机发出控制命令给MMC1，MMC1通过处理后控制电机驱动电路进而控制小车行驶。图2.4电机控制和驱动原理图3软件设计设可移动声源为S点，如果AS距离大于BS距离，则车向9点钟方向前进，如果AS距离小于BS距离，则车向3点钟方向倒车，如果AS等于BS，则说明小车在AB的中垂线上。如果AS距离大于CS距离，则车向6点方向前进，如果AS距离小于CS距离，则小车向12点钟方向倒车，如果AS等于CS，则

10、小车到达W点。图3.1 小车行驶示意图图3.2系统整体流程图4系统测试1.测试仪器秒表，米尺等。2.测试方法通过改变小车的起始位置，测量小车走完全程所需时间，计算出平均速度。3.测试数据设小车离W点水平线的垂直距离为H，单位厘米。H(cm)时间1(s)平均速度1(cm/s)时间2(s)平均速度2(cm/s)误差(cm)第一次04.710.63000第二次104.511.110.812.52.1第三次204.910.201.811.11.9第四次304.710.633.010.01.6第五次404.411.364.610.61.3第六次504.511.115.19.81.9表4.1实际测试数据经

11、测试，本小车基本达到发挥部分要求。4.误差分析小车有时并不能完全直线行走，略微有点跑偏，经分析原因有两个：1）小车是新买的，齿轮磨合情况不同，导致两个轮子速度不一致。2）因为小车上装置比较多，导致重心偏移，轮子受到的阻力不同，导致小车跑偏。5设计总结本作品以两片STC 12C5A60S2增强型51单片机为核心部件，通过个接收站收到音频信号的响应时间不同，配合一套完整的程序，实现了小车的精确定位。在设计中，我们尽量采用低功耗器件，力求硬件电路的经济性和精简性，充分发挥软件控制灵活方便的特点，来满足设计要求。参考文献1全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编M 北京理工大

12、学出版社,20072黄开胜. 学做智能车挑战“飞思卡尔”杯M 北京航天航空大学出版社,20073万福君， 潘松峰单片微机原理系统设计及应用M 合肥：中国科学技术大学出版社，20014 (日)森政弘，(日)铃木泰博机器人竞赛指南 M 北京：科学出版社，20025 王灏，毛宗源机器人的智能控制方法M 北京：国际工业出版社，20026 张培仁，张志坚基于16/32位DSP机器人控制系统设计与实现M 北京：清华大学出版社. 附录附1：部分元器件清单芯片：STC 12C5A60S2*2 NEC_MMC*1 L293*1 74LHC04*1， LM386*3 LM567*3 TP521*1 nFR24L0

13、1无线通信模块*2MIC*3 喇叭*1 电阻电容若干 导线若干单片机最小系统附2：仪器设备清单 秒表 米尺 万用表 函数信号发生器 示波器附3.：程序清单/* FileName：carmotorSPI.C (be included in project fts-89c52.Uv2)* Brief Introduction：2009年全国大学生电子设计竞赛 本科组 题目B 中需要用到的对电机控制芯片（C公司的MMC-1）的单片机控制程序。单片机采用STC 12C5A60S2芯片，接PWM或步进电机波形产生芯片MMC-1，通过L293驱动芯片驱动直流电机。* Author：吴 飞 * * Date

14、：2009.9.22009.5* Edition：* note:STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。所以本系统中的延时程序 delay_10us(uchar n); delay_ms(uint n);延时时间只有设定值的1/10左右!*/#include /* special function register decla

15、rations / for the intended 8051 derivative */#include /* special function register declarations / for the intended STC12C5A60S2 derivative */#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/=/定义空指令#define _Nop() _nop_() /=/端口定义/uchar temp1,temp2;sbit SPISO=P13;sbit MOSI=P14; sbit SPICLK=

16、P15;/变量定义uchar motor;/常量定义#define motorL 0x50 /小车左轮直流电机受MMC电机通道0（CH1DCPWM及CH1DCDIR） /0x50为该通道命令寄存器地址#define motorR 0x54 /小车右轮直流电机受MMC电机通道1（CH2DCPWM及CH2DCDIR） /0x50为该通道命令寄存器地址#define dirfront 1#define dirback 0/=/函数声明void WT_BYT_SPI(unsigned char cByte);void drivemotor(uchar motor,uchar speed,bit dir

17、);void stopmotor(uchar motor);void delay_10us(uchar n);void delay_ms(uint n);/void SPI_Write(char dat);/unsigned char RD_BYT_SPI(void);/void WT_WORD_SPI(unsigned int cWord);void main() EA=0; /关中断 delay_ms(10); /等待系统及MMC-1初始化 while(1) drivemotor(motorL,0x1F,dirfront); /for testing delay_ms(30000); st

18、opmotor(motorL); /for testing delay_ms(30000); drivemotor(motorL,0x1F,dirback); /for testing delay_ms(30000); stopmotor(motorL); /for testing delay_ms(30000); /*Function Name: drivemotor *Function description: 驱动电机运转.可控制且必须依次正确填写以下输入参数。*Parameter: IN: motor:电机编号，取值范围-motorL、motorR; speed:电机转速等级，取值范围

19、从慢到快为-0xff至0x0，注意顺序; dir：电机转动方向，取值范围-dirfront、dirback. OUT: void*/void drivemotor(uchar motor,uchar speed,bit dir) uchar command; if (dir=dirfront) command=0xc0; else command=0xe0; WT_BYT_SPI(motor+3); WT_BYT_SPI(speed); WT_BYT_SPI(motor); WT_BYT_SPI(command);/*Function Name: stopmotor *Function des

20、cription: 停止电机运转.可控制且必须依次正确填写要停止的电机编号。*Parameter: IN: motor:电机编号，取值范围-motorL、motorR; OUT: void*/void stopmotor(uchar motor) WT_BYT_SPI(motor); WT_BYT_SPI(0x40);/*Function Name: WT_BYT_SPI *Function description: 向SPI总线写出一个字节。*Parameter: IN: cByte:写出的内容，取值范围-0x0至0xff; OUT: void*/void WT_BYT_SPI(unsign

21、ed char cByte) unsigned char i; SPICLK=0; delay_10us(10); for(i=0;i8;i+) if(cByte&0x80)=0) MOSI=0; else MOSI=1; delay_10us(10); /根据MMC-1用户手册sck频率 : 500HZ 100KHZ 即周期0.2ms10us /注意定时时间约为1/10 的10*10us 即10us，周期为20us9 SPICLK=1; delay_10us(10); SPICLK=0; cByte=1; /*Function Name: delay_10us *Function descr

22、iption: 1.delay n*10us. *Parameter: IN: void OUT: void*/void delay_10us(uchar n)do _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); while(-n);/*Function Name: delay_ms *Function description: 1.delay n*1ms function. *Parameter: IN: void OUT: void*/void delay_ms(uint n)do delay_10us(131); while(-n);/ WDI=WDI;