2009年全国电子设计大赛B题—声音导引系统

编号：01 2009全国大学生电子设计竞赛题目B：《声音导引系统》目录1方案设计与论证 (2)1.1主控系统选择 (3)1.2电机选择 (3)1.3电机控制系统选择 (3)1.4无线数据通信模块选择 (3)1.5声音信号处理方案选择 (3)2电路设计 (3)2.1系统组成 (4)2.2音频发射 (4)2.3音频处理 (4)2.4电机控制系统 (5)3软件设计 (5)4系统测试 (6)4.1测试仪器 (6)4.2测试方法 (6)4.3测试数据 (7)4.4误差分析 (7)5设计总结 (7)6参考文献 (7)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。

本设计主要特点：1. 高效的L293电机驱动电路，提高电源利用率。

2．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。

3．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AbstractT 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.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2.4～2.5 GHz ISM 频段，数据传输率最快可达2 Mb／s。

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：nFR24L01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．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2.4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，则小车到达W点。

图3.1 小车行驶示意图N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.测试数据可移动声源在Ox 线上重新启动位置到移动停止点的直线距离 再次运动时间 平均速度2＝可移动声源的起始位置到Ox 线的垂直距离响应时间 平均速度1＝经测试，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。

6．参考文献[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] ．北京理工大学出版社,2007[2]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,2007[3]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，2001[4] (日)森政弘，(日)铃木泰博．机器人竞赛指南 [M] ．北京：科学出版社，2002[5] 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，2002[6] 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7. 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 nFR24L01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：2009.9.2~2009.5** 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 <REG52.H> /* special function register declarations// for the intended 8051 derivative */#include<STC12C5A60S2.h> /* special function register declarations// for the intended STC12C5A60S2 derivative */#include<intrins.h>#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=P1^3;sbit MOSI=P1^4;sbit SPICLK=P1^5;//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);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 testingdelay_ms(30000);stopmotor(motorL); //for testingdelay_ms(30000);drivemotor(motorL,0x1F,dirback); //for testingdelay_ms(30000);stopmotor(motorL); //for testingdelay_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。