声音导引系统硬件设计论文.doc

淮阴工学院毕业设计说明书（论文） 第 33 页 共 33 页1 引言随科学技术的进步，智能化和自动化技术越来越普及，各种高科技也广泛应用于机器人玩具制造领域，使智能机器人越来越多样化。智能机器人是一个多种高新技术的集成体，它融合了机械、电子、传感器、计算机硬件、软件、人工智能等许多学科的知识，涉及到当今许多前沿领域的技术。而声音导引系统正是智能机器人的一种。声音导引系统作为工科大学生毕业设计课题，具有不可估量的实际意义。本课题为具有较强动手能力与设计基础的大学毕业生准备。通过此课题使学生受到较全面的电子应用系统设计和应用研究的工程训练。进一步培养学生综合运用所学的基础理论、专业知识和技能，提高分析与解决实际问题的能力和初步科学研究的能力。11 研究的意义运动导引系统广泛存在于有确定性运动需要的系统当中。导引系统中常用的导向方式是机械导轨式，这种导向方式的优点是精度易于保证，并且随着导轨加工装配精度的不同，可以满足不同运动精度的需求；缺点是不宜挪动，并且加工装配成本随着运动范围的扩大而提高1。随着技术的不断发展，新的导向方式不断出现，如电磁感应导向、惯性导向、红外线导向、激光导向、光学导向、示教型导向等，这些导向方式的优点是可实现非接触自动导向功能，广泛应用于物流配送等行业的自动导向小车的导向系统中。此研究是为满足运动部件大长度直线运动的需要而建立的一种新型导引系统，该系统以金属丝为材料建立导引系统的导引基准，利用光电传感器对该基准做非接触测量，并通过单片机进行数据处理，控制电机对二维工作台进行调整，以满足部件直线运动的需要。该系统对环境要求不高，安装调整方式简单，可实现自动导向功能，是一个在亚毫米级精度范围内实现长距离直线运动导向的可行性方案2。12 历史背景及目前现状人类社会两次残酷的世界大战都发生在20世纪。一战期间各国海军为了对付德国人的潜艇攻击，思索了许多方法探测其水下潜艇，包括热、磁、电磁以及声的方法，但只有声探测方法有效。最早出现的声纳是达芬奇管式的被动式舰壳声纳和拖曳声纳，具有对目标的测距能力。为了适应武器设计的高精度定位的需要，一战末期开发了主动回声测距声纳(战后投入使用)，所用的电声换能器是朗之万式压电晶体换能器。包括主动辐射器和被动水听器在内的水下电声换能器技术取得长足的进步，大大促进了声纳装备的发展。研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境3。移动机器人是一个集环境感知、动态决策与规划、行为控制与执行等多种功能于一体的综合系统。移动机器人的导航就是按照预先给出的任务命令，根据已经知道的周围环境信息做出全局性路径规划，并在行进过程中，不断地感知周围的局部环境信息，自主地做出各种决策，并随时调整自身位姿，引导自身进行安全行驶或跟踪已知路径达到目标位置。移动机器人要实现导航涉及到的基本行为包括：自身位姿和周围环境的感知与识别、路径规划、路径跟踪、障碍回避等4。13 本课题实现的目标本课题以小车为对象来研究声音导引系统，系统准备采用单片机为控制器核心，其集成度高、体积小、抗干扰能力强和价格低廉、具有独特的控制能力，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。采用无线通信技术，具有抗干扰能力强传输距离远、信号的穿透力强等优点。通过无线通信实现小车自主行驶轨迹，以此来控制小车声音导引的功能。2 总体设计方案21 设计方案总体框图图1 系统框图本系统主要有由智能小车和上位机两部分组成，上位机部分包括：微控制器从控模块、电源模块、声音接收模块、无线发射模块；智能小车部分包括：直流电机及其驱动模块、声光提示模块、声音发射模块、无线接收模块、电源模块、微控制器主控模块。系统框图如图1。声音发生模块与小车组成可移动的声源，通过声音接收模块与从单片机通信，从单片机通过无线收发模块对小车发出指令，引导声源小车进行运动。22 总体设计方案分析图2 总体方案图如上图2中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，Oy是AC的中垂线，W是Ox和Oy的交点。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。23 系统控制的基本原理及误差信号的产生如图2所示，根据题意，以A点为坐标原点，向右为x轴正方向，竖直向上为y轴正方向。声源为S。由图和勾股定理可得： （1） （2） （3） （4） （5） （6）可移动声源发声后，三个有线连接的声音接收器A、B和C利用可移动声源和接收器之间的不同距离，利用公式（1）（6）之间的关系就能通过软件计算产生一个可移动声源离Ox线的误差信号。24 系统控制方法系统运用模糊控制法，通过判断SA，SB，SC两两之间的距离差与0的关系来控制声源的运动。例如：当SA-SB0，声源一直向前进；当SA-SB=0，声源停止运动；当SA-SB0，声源一直向前进；当SA-SB=0，声源停止运动；当SA-SB0，声源向后运动。上位机及车载部分系统软件整体流程图如下图17所示：图17 系统软件整体流程图42 车载单片机部分车载单片机部分程序主要实现的功能是，蜂鸣器不断发出声波，根据上位机通过无线接收器传来的处理信号，引导小车进行相关动作，到达指定位置后产生相应的声光提示。其中包含无线收发子程序，声音发送子程序，电机驱动子程序，声光提示子程序子程序，以及主程序模块。可移动声源部分软件流程图如下图18所示。图18 可移动声源部分软件流程图43 无线收发模块SPI口为同步串行通信接口，最大传输速率为10Mb/s，传输时先传送低位字节，再传送高位字节。但针对单个字节而言，要先送高位再送低位。与SPI相关的指令共有8个，使用时这些控制指令由nRF24L01的MOSI输入。相应的状态和数据信息是从MISO输出给MCU。无线收发常用的配置寄存器如表6所示。表6 常用的配置寄存器地址寄存器名称描述00CONFIG设置工作模式01EN_AA自动应答功能设置02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度04SETUP_RETR设置自动重发07STATUS状态寄存器0A-0FRX_ADDR_P0-P5设置接收通道地址10TX_ADDR设置发射机地址11-16RX_PW_P0P5设置接收通道的数据长度nRF24L01所有的配置字都由配置寄存器定义，这些配置寄存器可通过SPI口访问。nRF24L01的配置寄存器共有25个，常用的配置寄存器如表4所示。44 电机驱动模块电机驱动通过脉冲宽度调制(PWM)来实现小车的转向，PWM简称脉宽调制，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。只要带宽足够，任何模拟值都可以。使用PWM进行编码。占空比是接通时间与周期之比。PWM控制流图如图19所示。图19 PWM控制流图45 声音发送模块本程序通过在P2.1输出一个音4KHZ方波，驱动的蜂鸣器发出蜂鸣声，其中包含有一个定时模块，作用是使输出的方波频率在4KHZ。并且通过软件计数使每产生10个周期的方波，大概在10ms产生一次中断。软件流程图如图20。图20 声音发送流程5 硬件电路制作本次论文设计的原理图绘制和PCB制作所采用的软件是protel99se。51 电路实现的基本步骤1）单片机方案设计。2）电路原理图：利用电路设计软件，将方案用标准的电路原理图表示，为电路板图的生成提供依据。本系统的原理图绘制和PCB绘制都是在Protel99se中完成。3）电路板图：根据单路原理图，利用电路设计软件，生成电路板图。根据该电路板土就可以加工生成印刷电路板。4）制板：印刷电路板的生产厂商根据用户提供的电路板图，加工印刷电路板。5）程序的调试和烧录：印刷电路板制作完毕，将器件焊接于其上，并进行单片机程序的烧录和电路的调试19。52 原理图的绘制1）创建一个新的设计文件管理库执行FILE|NEW命令新建一个管理数据库文件，选择SCHEMATIC DOCUMENT图标，单击OK。2) 加载元件库在电路图放置元件之前，必须先加载库文件。执行主菜单的DESIGN|ADD REMOVE LIBRARY命令或单击左侧设计管理器的ADD|REMOVE按钮。3) 绘制电路图放置元件、绘制导线、放置电源部件、放置电气连接点、放置文字标注。4) 修改元件参数5) 保存原理图53 印制线路板设计的主要问题1) 焊盘重叠焊盘（除表面贴装焊盘外）的重叠，也就是孔的重叠放置，在钻孔时会因为在一处多钻孔导致断钻头、导线损伤。2) 图形层的滥用违反常规设计，如元件面设计在BOTTOM层，焊接面设计在TOP，造成文件编辑时正反面错误。PCB板内若有需铣的槽，要用KEEPOUT LAYER或BOARD LAYER层画出，不应用其它层面，避免误铣或没铣。3) 异型孔若板内有异型孔，用KEEPOUT层画出一个与孔大小一样的填充区即可。异形孔的长/宽比例应2：1，宽度应1.0mm，否则，钻床在加工异型孔时极易断钻，造成加工困难。4) 字符的放置字符遮盖焊盘SMD焊片，给印制板的通断测试及元件的焊接带来不便。字符设计的太小，造成丝网印刷的困难，使字符不够清晰。5) 单面焊盘孔径的设置单面焊盘一般不钻孔，若钻孔需标注，其孔径应设计为零。如果设计了数值，这样在产生钻孔数据时，其位就会钻出孔，轻则会影响板面美观，重则板子报废。单面焊盘若要钻孔就要做出特殊标注。6) 用填充区块画焊盘用填充块画焊盘在设计线路时能够通过DRC检查，但对于加工是不行的，因此类焊盘不能直接生成阻焊数据，上阻焊剂时，该填充块区域将被阻焊剂覆盖，导致器件焊接困难。7) 表面贴装器件焊盘太短对于通断测试而言，对于太密的表面贴装器件，其两脚之间的间距相当小，焊盘也相当细，安装测试须上下（右左）交错位置，如焊盘设计的太短，虽然不影响器件贴装，但会使测试针错不开位。8) 大面积网格的间距太小组成大面积网格线同线之间的边缘太小（小于0.30mm），在印制过程中会造成短路。9) 大面积铜箔距外框的距离太近大面积铜箔外框应至少保证0.20mm以上的间距，因在铣外形时如铣到铜箔上容易造成铜箔翘及由其引起焊剂脱落问题。10) 线条的放置两个焊盘之间的连线，不要断断续续的画，如果想加粗线条不要用线条来重复放置，直接改变线条WIDTH即可，这样的话在修改线路的时候易修改。54 元件焊接注意的基本事项在电子制作过程中，焊接工作是必不可少的。它不但要求将元件固定在电路板上，而且要求焊点必须牢固、圆滑，所以焊接技术的好坏直接影响到电子制作的成功与否，因此焊接技术是必须掌握的基本功，焊接时的要点和注意事项有下面几点20：1）电烙铁的使用：电烙铁经过长时间使用后，烙铁头部会生成一层氧化物，这时它就不容易吃锡，这时可以用锉刀锉掉氧化层，将烙铁通电后等烙铁头部微热时插入松香，涂上焊锡即可继续使用，新买来的电烙铁也必须先上锡然后才能使用。2）焊锡和助焊剂：选用低熔点的焊锡丝和没有腐蚀性的助焊剂，比如松香，不宜采用工业焊锡和有腐蚀性的酸性焊油。3）焊接：元件必须清洁，然后再进行焊接。4）焊接后的检查：焊接结束后必须检查有无漏焊、虚焊以及由于焊锡流淌造成的元件短路。虚焊较难发现，可用镊子夹住元件引脚轻轻拉动，如发现摇动应立即补焊。6 硬件调试硬件调试的主要任务是排除硬件故障，包括设计错误和工艺性故障。1）脱机检查。用万用表逐步按照电路原理图，检查电路板中所有器件的各引脚，尤其是电源的连接是否正确，确定其无误后再插入芯片检查。检查是否有虚焊假焊和漏焊现象，检查焊点是否有毛刺，是否与其它铜片或焊盘连接。用万用表对可疑的连接或接点进行检查。看它们是否有短路现象，确保每根线都连接正确。在此基础上才能接入电源进行调试。2）给电路加电时，首先检查所有插座或器件的电源端是否有符合要求的电压值，接地端电压是否接近于零，接固定电平的引脚端是否电平正确。然后在断电状态下将芯片逐个插入电路板上的相应插座中。尤其是要检查电源到地是否短路。全部芯片插入后，如均未发现上述错误，则可以将全部芯片取下，并把电路板上除芯片外的其它器件逐个焊接上去，在焊的过程中应反复做前面的各电源、电压检查。结 论本系统是基于单片机的声音导引系统硬件设计，以STC12C5A60S2单片机为控制核心，通过大量的资料搜集，各种设计方案的论证与实现，系统的硬件设计与软件设计相结合，以及器件选择和电路板焊接等过程，本系统较好的实现了自动检测停车点W并自动停车，在误差范围内能很好的实现声音引导小车自动定位，并能较为准确的使小车到达指定停车点。从运行情况来看小车运行的稳定性和灵敏度不高，估计是由于电源不能稳定而使小车的速度不好控制。根据系统设计要求，声音导引系统的设计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。通过本次系统设计我认识和掌握了很多以前不熟悉的应用软件，学习到了很多解决问题的方法和系统硬件电路测试的方法，提高了自我发现问题和解决问题的能力，在系统设计过程中也认识到了很多不足之处，无论是在软件设计过程中还是在硬件实际制作过程中，都存在很多误区和难点，使得自己在克服困难中不断进取。从中我体会到了前期规划的重要性，比如在焊接之前考虑一下器件的焊接顺序和可能出现的问题，这样焊接时才会比较流畅，布线也比较清楚，查错也很容易。在以后的学习生活中我会更加努力，不断完善优化系统设计，解决现在所遇到的问题，并将进一步分析研究创新性功能。最后，由于作者理论水平的有限和工作经验的缺乏，本设计及论文的撰写上一定存在着缺点和不足，恳请各位老师批评指正。致 谢在我完成论文之际，首先我最衷心地感谢我的导师李亚洲老师。李老师平易近人的风格、严谨的治学态度、丰富的知识、对工作孜孜不倦的追求以及对学生充满父爱般的关怀不仅让我在学业上跃上了一个新的台阶，更加让我懂得了人生的许多道理，将让我受益终生。本论文的产出过程自始至终都得到了李老师的悉心指导，从论文的选题到科研课题的确定以及实验的完成，从论文的整理到详细审稿、最后定稿无不倾注了李老师的辛勤汗水。感谢我的父母多年来对我含辛茹苦的养育之恩。他们爱子情深，为我付出了太多的心血和汗水!感谢我的家人对我的理解和支持，在我撰写论文期间，他们时刻在精神上激励着我，在生活上支持着我，从而使我的论文能够得以顺利完成!感谢和我身边的同学在学习及生活上给予的热心帮助和鼓励，大家勤奋好学和乐于助人的精神为我树立了榜样，时刻激励着我不断奋斗!感谢淮阴工学院这一培养人才的沃土，赋予我知识，赐给我荣誉，铸造我人格，指引我道路。还要感谢所有关心我、帮助我、支持我的人。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位专家表示衷心地感谢！参 考 文 献1 刘伟，袁修干.人的视觉眼动系统的研究.人类工效学，2000 2 C梅耶.操作声音控制导航系统的方法.荷兰：皇家飞利浦电子股份有限公司，20063 戴亮.声纳技术的现状与发展：期刊论文，海南：三亚92823部队，200