2009年声音导引系统
声音导引系统报告(B题)
摘 要：
为使小车满足题目要求，采用了stc89c52最小系统作为小车的主控和无线收发模块的控制，通过携带声源（蜂鸣器发声），三点的声音传感器接收到声音，由声音采集模块过滤出有效信号，并由单片机处理得到各采集点的时间，并计算出时间差，从而定位小车位置，控制无线模块向小车发送命令，小车上的无线模块接收到数据，经由单片机最小系统处理，并协调nec的mmc-1芯片控制小车行走，最终达到指定位置等功能的实现。
关键词： mmc-1芯片 无线收发 声音采集模块 时间差
Abstract：
In order to meet the subject requirements trolley, using minimal system as a car stc89c52 master control and wireless transceiver modules, through to carry the sound source (buzzer sound), the sound sensors pick up sound from the voice acquisition module filters a valid signal, and a microcontroller processing control wireless modules to send data to the car, small car's wireless module receives the data via the SCM minimum system processing, and coordinating nec-chip control of the mmc-1 car to walk and eventually reach the specified position and other functions implementation. Key word:mmc-1 chip Wireless Transceiver Sound Collection Module Coordinate calculation
目 录
HYPERLINK \l "_Toc240018987" 一、 系统方案设计、比较与论证 3
HYPERLINK \l "_Toc240018988" 1．固定系统 3
HYPERLINK \l "_Toc240018989" 1-1-1无线通信模块 3
HYPERLINK \l "_Toc240018990" 1-1-2 声音接收模块 3
HYPERLINK \l "_Toc240018991" 2.电动车系统 4
HYPERLINK \l "_Toc240018992" 1-2-1 Nrf2401无线模块 4
HYPERLINK \l "_Toc240018993" 1-2-2 声音发生模块 4
HYPERLINK \l "_Toc240018994" 1-2-3 电机驱动模块 5
HYPERLINK \l "_Toc240018995" 1-2-4电源选择 5
HYPERLINK \l "_Toc240018996" 1-2-5 显示模块 5
HYPERLINK \l "_Toc240018997" 二、理论分析与计算 6
HYPERLINK \l "_Toc240018998" 三、电路图见附录 7
HYPERLINK \l "_Toc240018999" 四、 软件设计与工作流程图 7
HYPERLINK \l "_Toc240019000" 4-1软件设计 7
HYPERLINK \l "_Toc240019001" 五、结果分析 8
HYPERLINK \l "_Toc240019002" 5-1-1 测试仪表 8
HYPERLINK \l "_Toc240019003" 5-1-2 声音引导系统精度范围的确定 8
HYPERLINK \l "_Toc240019004" 5-1-3 小车运行过程各种状态所需时间测试 8
HYPERLINK \l "_Toc240019005" 六、结语 8
HYPERLINK \l "_Toc240019006" 参考文献 9
HYPERLINK \l "_Toc240019007" 附录 9
HYPERLINK \l "_Toc240019008" 系统分立模块设计及工作原理图 9
HYPERLINK \l "_Toc240019009" 1-1Nrf2401无线模块与单片机i/o连接原理图为: 9
HYPERLINK \l "_Toc240019010" 2-2 场地声音接收模块的原理图 10
HYPERLINK \l "_Toc240019011" 3-3 Mmc-1芯片及其lm298电路 11
HYPERLINK \l "_Toc240019012" 4-4 电源模块 12
一、 系统方案设计、比较与论证
根据题目的基本要求，设计任务主要完成电动车在规定速度下由声源引导按规定路径稳定行驶并到达目标点，同时对行程中的有关数据进行处理显示。为完成相应功能，系统可以划分为场地固定系统和电动车移动系统。
其中固定系统的基本模块：nrf2401无线模块、声音接收模块，stc89c52最小单片机系统板。
移动系统：nrf2401无线模块、声源发生模块，mmc-1电机驱动模块，显示模块，stc89c52单片机最小系统组成。
1．固定系统
图一
1-1-1无线通信模块
介于题目没有对无线通信提出具体的要求，于是文中采用了成品模块。
方案一：采用315m套件加上外围电路组成的无线发送接收模块，该模块使用简单，成本低。
方案二：采用nrf2401无线收发模块工作电压1.9-3.6v，此模块需要编程使用，功能强大且响应速度快，低功耗，无外围电路，能够满足本题使用。
基于上述考虑，为了提高系统信号采集检测的精度，文中采用方案二。
1-1-2 声音接收模块
声音接收原理：使用声音接收设备，接收到音频信号，通过滤波及放大器转化为电信号。
方案一：采用驻极体加外围电路，接收音频信号，通过模拟电路的处理转化为电信号供单片机处理机。这种方式电路成本较低，外围电路不是很复杂，接收效果较好。
方案二：采用麦克风加上外围电路，接收音频信号，并通过外围电路的处理 ，提供单片机使用的信号。麦克风成本较高，其他外围电路基本相同，接收效果较好。
经过以上两个方案比较，方案一优于方案二，故采用方案一。
2.电动车系统
图2
1-2-1 Nrf2401无线模块
同固定系统的无线模块相同，与其构成一对收发系统，因此不再赘述。
1-2-2 声音发生模块
声音发生模块的原理是使发生源发出频率在20hz-20Khz人能听见的声波，使之能够符合题目要求。
方案一：采用1760语音模块录音发声，根据声音接收模块的特性，录入特定频率使之能够产生稳定反应的声音，isd1760语音芯片较贵，成本高，使用起来较不便，需要编程使用，且需要双电源供电，外围元件较多。
方案二：采用有源蜂鸣器发声，采用直流发声，外围电路简单，具有性价比高，使用方便，发声音量大。
经过以上两个方案比较，方案二明显优于方案一，故采用方案二。
1-2-3 电机驱动模块
由于电机驱动必须使用nec提供的mmc-1芯片。且只能用它来控制电机驱动电路直接驱动电机，所以必须加上电机驱动电路来驱动电机。我们使用的是直流减速电机。
方案一：采用mmc-1芯片再配合上LM298控制，lm298外围电机驱动电路简单，成本较低。且一个模块可驱动两个电机，驱动能力强，控制简单，抗干扰性强。
方案二：采用mmc-1芯片，加上三极管继电器等外围电路。如图三所示
可在2k电阻端通过pwm控制电机的运动。
但是它只能控制一个电机，如果采用同样的两个电路控制电机，可能出现不稳定现象。
经过以上两个方案比较，方案一明显优于方案二，故采用方案一。
1-2-4电源选择
电池组供电，可提供800mAh电流，重量轻。电动机驱动电源采用锂电池直接供电，单片机及其外围电路电源采用稳压模块供电，两路电源由稳压器隔开，可以防止电动机驱动所造成的干扰，提高了系统稳定性。
1-2-5 显示模块
方案一：采用led灯指示小车到达指定点，所发出的显示信号，此种方案具有简单，成本低。
方案二：采用1602液晶显示，指示作用不明显，且相比led灯，价格高，性价比不明显。
经过以上两个方案比较，一方案明显优于方案二，故采用方案一。
通过以上方案比较，文中所采用的系统方案如下：
二、理论分析与计算
基本部分：
小车放在B线的右侧，小车载有声源，要求通过声音引导是小车垂直到达ox线。
C x
A o B
基本要求是车的速度大于5cm/s，同时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。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。
因此小车的速度不能太快又不能太慢，由于采用的是直流电机，控制部分较难，充分考虑 小车最多有10秒钟的时间来运动并到达目标点处。
三、电路图见附录
四、 软件设计与工作流程图
4-1软件设计
软件实现的功能如下：
1.场地端①读声音并处理数据；②发送无线数据给小车 ；
小车端 ①发送指令给mmc-1给直流电机驱动电路脉冲；②控制蜂鸣器发声；③无线接收信息④led灯点亮。
小车主控系统：
场地主控系统 ：
五、结果分析
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5-1-1 测试仪表
4位半数字万用表(MASTECH MY-65)，双踪示波器(YB4325)，游标卡尺，秒表，计算器,直尺。
5-1-2 声音引导系统精度范围的确定
在短距离的声音传播测距中，由于声音速度很快（340m/s）和环境干扰，实际控制系统中很难实现精确控制，因此，在系统设计中，给定一个时间的误差范围范围，当实际时间在该范围之内，即可认为小车到达指定位置。我们通过实验观察小车平衡状态，来减小或扩大误差时间范围，得数据如表1所示。
根据表1实验数据，我们最终确定给定时间误差范围为。
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表1 时间误差范围的确定
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5-1-3 小车运行过程各种状态所需时间测试
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表2 基本功能表
由于直流电机不能精确控制小车前后微移，因此寻找平衡所用时间较长；通过程序对电机运行速度适当设置，使各状态所用时间完全能满足系统要求；因为控制器显示的时间是通过内部定时器定时实现的，所以精度较高，其与秒表实测值之间的微小误差是由测量误差和硬件误差所引起的。
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六、结语
通过测试，系统完全达到了设计要求，完成了基本要求，并且整个声音引导系统的功耗很低。整个电路板和小车均手工打造，性价比高。同时我们自己也得到了很好的锻炼。
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参考文献
[1]童诗白. 模拟电技术基础 第四版. 北京：高等教育出版社，2006.5
[2]孙肖子. 实用电子电路手册（模拟分册）.北京：高等教育出版社，1992
[3]杨路明. C语言程序设计(第二版). 北京：邮电大学出版社，2000
[4]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社，2005
附录
系统分立模块设计及工作原理图
1-1Nrf2401无线模块与单片机i/o连接原理图为:
(1)场地连接
图一
与小车连接
图2
2-2 场地声音接收模块的原理图
图3
3-3 Mmc-1芯片及其lm298电路
图四
图五
4-4 电源模块
图六
2009年声音导引系统.doc
