毕业设计（论文）-基于STC12C5A60S2单片机的声音导引系统的设计.doc

吉 林 农 业 大 学学 士 学 位 论 文 题目名称： 声音导引系统的设计 学生姓名： ） 院 系： 信息技术学院 专业年级：2006级电子信息 指导教师： 职 称： 讲师 2010年 5 月 25 日I目 录题目I摘要及关键字：I1 前 言11.1 研究背景及意义11.1.1自动导引小车的研究背景21.1.2 自动导引小车的研究意义31.2 国内外自动导引小车发展的历史与现状41.2.1 国外自动导引小车发展的历史与现状41.2.2 国内自动导引小车发展的历史与现状52 方案设计与论证62.1 主控系统62.1.1 主控系统选择62.1.2 主控系统器件介绍72.2 电机控制系统82.2.1 电机类型选择82.2.2 电机控制系统选择92.2.3 NEC_MMC芯片介绍92.3 无线数据通信132.3.1 无线数据通信模块选择132.3.2 NRF24L01介绍132.4 声源定位方案选择163 电路设计173.1 系统组成原理173.2 音频发射193.3 音频接收193.4 电机控制和驱动203.5 声光提示214 软件设计215 系统测试236 总结与展望24参考文献25致 谢27附 录1.28附 录2.29声音导引系统的设计学 生： 专 业：电子信息科学与技术指导教师： 摘要：本系统采用两片STC12C5A60S2单片机，直流电机驱动小车。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。关键字：单片机；声音导引； STC12C5A60S2The Design of Voice Guidance SystemName: Xu Jin Major: Electronic Information Science and TechnologyTutor: Gong HeAbstract: This system is built by two STC12C5A60S2 micro-computers and a d.c.motor driving vehicle. Judge the distance between the vehicle and each terminal through different voice signal received from various terminals. Wireless transmitting module control the vehicle-mounted MCU and assist vehicle to get to the destination with acousto-optic signal transmitted. This system is aim at the low power consumption and high rate of costs, etc.Key words: SCM; Voice guidance; STC235A60S2361 前 言智能作为现代的新发明，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理，可应用于科学勘探等等的用途。智能电动车就是其中的一个体现。运动控制是自动化技术的重要组成部分，是机器人等高技术领域的技术基础，已取得了广泛的工程应用。运动控制集成了电子技术、电机拖动、计算机控制技术等内容，例如在工厂、码头往往需要将货物从一点搬往另一点，如使用悬挂控制系统更方便、安全。在此基础上还可设计成基于三线悬挂结构的运动控制装置。所谓三线悬挂是指，将三根缆线系于一点并悬挂重物，且三根缆线分别挂在三个固定滑轮上，其长度由电机驱动的三个绕线轮分别控制，从而控制悬挂重物在三维空间中的位置。其中原理和悬挂轨迹控制系统一样的。本文介绍的就是智能车中的一种声音导引小车。该声音导引系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离Ox线（或0y线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。“听声辨位”，人的双耳就是一个很好的例子。由于耳朵具有特殊的生理结构，能够捕获声源到达双耳的相位差和声压差信息，通过复杂的信息处理，使得我们能够准确地进行辨位，并估计出声源的距离。而在真实的声场中，声音除了通过空气媒介直接到达接收器以外，还通过各种障碍物(如墙壁、地板、天花板、室内物品)反射、衍射到达，这样接收器接收到的是原始直达声和经过延迟和衰减的声音的混合信号。这种导致信号变差的现象叫做多径效应。多径效应将使接收器获取的信号质量下降、声源定位的精度降低。另外环境存在的其他噪声对定位精度也有很大影响。所以本设计的重点是得到稳定的抗干扰能力强的误差信号，难点是准确判断可移动声源的位置和控制可移动声源的运动。1.1 研究背景及意义在市场竞争日趋激烈的今天，如何提高生产自动化水平，实现更高的生产效率是困惑众多企业的难题，尤其在我国现阶段不断进行经济结构调整，提升经济竞争力的背景下，问题显得尤其突出。在中国这个公认的“世界制造业基地”，任何企业都离不开自动化，可以说：自动化水平对于具有一定规模的制造业企业是生死攸关的。声音导引属于自动导引的一个重要的组成部分，因此了解自动导引小车的发展是必要的。1.1.1 自动导引小车的研究背景 自动导引小车(AGV，Automated Guided Vehicle)，是一种以电池为动力，装有非接触导向装置的无人驾驶自动化搬运车辆。它的主要特征表现为具有小车编程及系统控制管理功能，并能在计算机的监控下，按指令自主驾驶，自动沿着规定的路径行驶，到达指定地点，并完成一系列作业任务。自动导引小车的应用可以极大地提高企业生产自动化程度和生产效率。它最早是在北欧发展起来的，在国外的发展应用已经有几十年的历史了，由于它具有机能集中、地上系统简单、施工和系统构成容易等优点，因此，除了在柔性制造系统(FMS)和自动化工厂中用来组成高效、快捷的物流系统外，自动导引小车还广泛地应用在机械加工、汽车制造、港口货运、电子产品装配、造纸、发电厂、电子行业的超净车间等诸多行业，尤其适用于人员不宜进入的工作场所。其运行速度可以达到百米/分钟，运输能力可以从几千克到几十吨，是一种非常有发展前途的物流输送设备，尤其在柔性制造系统中被认为是最有效的物料运输设备。自动导引小车是伴随着柔性加工系统、柔性装配系统、计算机集成制造系统、自动体仓库而产生并发展起来的，日本人认为1981年是柔性加工系统元年，这样计算自动导引小车大规模应用的历史也只有20多年。但是，其发展速度是非常快的。例如:美国通用公司1981年开始使用自动导引小车，1985年自动导引小车保有量500台，1987年自动导引小车保有量达到了3000台。资料表明，欧洲40%的自动导引小车用于汽车工业，日本60%的自动导引小车用于汽车工业，也就是说自动导引小车在其他行业也有广泛的应用。目前国内总体上看自动导引小车的应用刚刚开始，相当于国外80年代初的水平。但从应用的行业分析，分布面非常广阔，有汽车工业、飞机制造业、家用电器行业、烟草行业、机械加工、仓库、邮电部门等，这说明自动导引小车有一个潜在的广阔市场。从前面分析的美国自动导引小车保有量的增长速度看，中国的自动导引小车市场很快会有一个大的变化。目前在工业上应用的90%以上的自动导引小车，都不能称为具有智能。随着工业数量的快速增长和工业生产的发展，对自动导引小车的工作能力也提出了更高的要求，特别是需要各种具有不同程度智能的自动导引小车。这些自动导引小车，可在凹凸不平的地面上行走移动;具有视觉和触觉功能，能够进行独立操作、自动装配和产品检验;自动导引小车可以集成如视觉和触觉技术、自主控制和决策技术、临场感技术、多智能体技术、人工神经网络技术、遗传算法、仿生技术、多传感器集成技术和融合技术等许多最新的智能技术，可以完成很多高智能工作，使用范围很广。我国己经将自动导引小车列入国家高技术计划，足以证明政府有关部门对发展自动导引小车的高度重视。随着计算机、通信、控制以及人工智能技术的发展，智能化及其已经开始逐渐步入工业生产领域和人民的日常生活当中，其中智能小车作为最常用的运输载体得到了迅速的发展，二对其进行人工智能化的研究成为了当今的热点。本文以声源导航的智能小车为例，给出了其控制系统的设计思想及软硬件实现方法。确定一个声源在空间中的位置是一项有广阔应用前景的有趣研究，将来可以广泛的应用于社会生产、生活的各个方面。声源定位是通过测量物体发出的声音对物体定位，与使用声纳、雷达、无线通讯的定位发放不同，前者信源是普通的声音，是宽带信号，而后者信源是窄带信号。根据声音信号特点，人们提出了不同的声源定位算法，但由于信号质量、噪声和混响的存在，使得现有声源定位算法的定位精度较低。因此有待进一步的研究。1.1.2 自动导引小车的研究意义与一般连续运输设备相比，生产线连续运输设备对噪音、人身安全保护、人机学以及可靠性要求更高。因为一个连续生产线一旦因技术故障停止生产，其经济损失是十分巨大的。要想在生产过程中保持稳定的高质量水平，没有自动化是很难办到的。作为一种高效物流输送设备和工厂自动化的理想手段，自动导引小车今后必将得到迅速发展和普及应用。这不仅是现代化工业迅速发展的需要，更主要是自动导引小车本身所独具的优越性所决定的。资料显示：在产品生产的整个过程中，仅仅有5%的时间是用于加工和制造，剩余的95%都用于储存、装卸、等待加工和输送;在美国，直接劳动成本所占比例不足生产成本的10%，且这一比例还在不断下降，而储存、运输所占的费用却占生产成本的40%。因此，目前世界各工业强国普遍把改造物流结构、降低物流成本作为企业在竞争中取胜的重要措施，为适应现代生产的需要，物流正在向着现代化的方向发展。自动导引小车适应性好、柔性程度高、可靠性好、可实现生产和搬运功能的集成化和自动化，在各国的许多行业都得到广泛的应用。当自动导引小车运行时，由于一些系统固有的误差，如两驱动电机同步性不好、两驱动轮直径差异、减速器传动效果的差异及一些非系统误差，如车轮与地面发生的滑动、装载货物重心偏移产生的惯性负载等情况的存在，即使小车最初运行时没有偏移，这些误差也会随着运行时间的增加而累积，导致小车发生偏移。自动导引小车运动控制系统对导引路径跟踪的准确性、平稳性和对偏差纠正的快速性是体现它的性能的重要指标。AGV导引控制器的设计水平是保证这一指标的关键。实践证明，采用单一控制器对车辆进行控制往往在某种条件下、某种工况下特别有效，而无法保证在各种工况下都实现对车辆的良好控制。其核心问题是任何一种单一的控制器都难以解决大偏差状态下提高系统的反应快速性与小偏差状态下减少系统超调量之间的矛盾。解决办法之一是寻求一种方法能将多种控制器复合起来对AGV进行控制，发挥各控制器的优点，解决单一控制器控制存在的不足。1.2 国内外自动导引小车发展的历史与现状1.2.1 国外自动导引小车发展的历史与现状世界上第一台自动导引小车是美国Basrrett电子公司于20世纪50年代开发成功的，它是一种牵引式小车系统。小车跟随一条钢丝索导引的路径行驶，并具有一个以真空管为基础的控制器。到了60年代和70年代初，除Basrrett公司以外，Webb和Clark公司在自动导引小车市场也占有相当的份额。在这个时期，欧洲的自动导引小车技术发展较快，这是由于欧洲公司已经对托盘的尺寸与结构进行了标准化，统一尺寸的托盘搬运促进了自动导引小车的发展。70年代中期，欧洲约装备了520个自动导引小车系统，共有4800台小车，到1985年发展到一万台左右，为美、欧、日之首。其应用领域分布主要是汽车工业(57%)，柔性制造系统MFs(8%)和柔性装配系统FAs(35%)。欧洲的自动导引小车技术于80年代初通过在美国的欧洲公司以许可证与合资经营的方式转移到美国。芝加哥的Keebler分发中心从欧洲引进直接由计算机控制的自动导引小车系统(AGVS)，1981年John公司将自动导引小车连接到AS/RS以提供在制造过程中物料自动输送和跟踪。1984年，通用汽车公司便成为自动导引小车的最大用户，1986年已达1407台(包括牵引式小车、叉式小车和单元装载小车)，1987年又新增加1662台。美国各公司在欧洲技术的基础上将自动导引小车发展到更为先进的水平。他们采用更先进的计算机控制系统(可联网FMS或CIMS)，运输量更大，移载时间更短，具有在线充电功能，以便24小时运行，小车和控制器可靠性更高。此时美国的自动导引小车生产厂商从1983年的23家骤增至1985年的74家1964年日本开始引进自动导引小车，当时自动导引小车是如同牵引车那样的机车，在机车的前端，有一根如同长3个角的白色弯杆，弯杆上有手动操作杆。将杆一倒向前方，作业人员就能像牛那样，牵引着自动导引小车向前行走。日本的第一家自动导引小车工厂于1966年由一家运输设备供应厂与美国的Webb公司合资开设。到1988年，日本的自动导引小车制造厂家己经达到20多家，如Fnauc公司、Murata(村田)公司等。到1986年，日本累计安装了2312个自动导引小车系统A(GVS)，拥有5032台自动导引小车。时至今日，自动导引小车技术日趋成熟，生产自动导引小车的公司也越来越多，其应用也越来越普及。目前，由于传统的自动导引小车技术在日、美、德等国家已经比较成熟。所以，目前国外对自动导引小车技术的研究主要集中在以下方面(l)自主导向车(Free一rangingorautonomousvehieles)这种车不需要预定义路线，而是采用特殊的导向技术，使小车能够根据实际环境信息自主移动。(2)移动机器人(Mob11robot)把自动导引小车便于自由移动和机器人能够进行灵活操作的优点结合起来，使之具有更高的科技含量和取得更前沿的应用，美国研制的“火星探路者”(Marsrover)即是典型的代表。(3)AGv/AGvS模块化设计研究由于不同的AGV/AGVS之间有许多的模块的功能是相同的，因此为了能够适应不同的使用要求和缩短新产品的开发周期，最好是采用模块化设计方法，将自动导引小车的各功能模块设计成不同的系列，再根据具体的使用要求进行组合。(4)AGVS调度研究在FMS中应用自动导引小车系统(AGVS)具有提高系统的柔性、设备的利用率与产品的质量等优点。但是这些优势的发挥，很大程度上取决自动导引小车系统调度系统的优劣。所以，目前对此方面的研究工作如面向对象技术建立调度模型、启发式调度、遗传算法以及地理信息系统等的研究十分瞩目。1.2.2 国内自动导引小车发展的历史与现状我国自动导引小车发展历史较短。北京起重运输机械研究所、清华大学、中国邮政科学院邮政科学研究规划院、中国科学院沈阳自动化所、大连组合机床研究所、国防科技大学和南京理工学院都在进行不同类型的自动导引小车的研制并小批量投入生产。1975年北京起重运输机械研究所完成我国第一台电磁导引定点通信的自动导引小车。1989年北京邮政科学研究规划院完成我国第一台双向无线通信的自动导引小车，该院己能进行自动导引小车的批量生产，截至1996年己生产和正在制造的自动导引小车达23台。沈阳自动化所为沈阳金杯汽车厂生产了6台自动导引小车，用于装配线上，可以说是汽车工业中用得较成功的自动导引小车，成都卷烟厂采取自动导引小车用于仓库运输，沈阳新松公司研制的自动导引小车己经通过了IS09001国际质量认证，安徽合力股份有限公司制造的自动导引小车在市场上占有很大份额。以上的自动导引小车均为固定路径导引方式。清华大学独立研制的“自由路径自动导向自动导引小车”属于无固定路径导引的类型，在路径跟踪研究方向具有较高的水平。我国越来越多的工厂、科研机构采用自动导引小车为汽车装配、邮政报刊分拣输送、大型军械仓库、自动化仓储系统服务。如上海金山化工厂、华宝空调器厂、哈尔滨飞机制造厂、上海新车站邮政枢纽等，所采用的自动导引小车国外引进和国产的均有国家“863”计划智能机器人主题在“九五”计划中把自动导引小车系列产品开发列为重大项目，相继完成了一汽、柳州微型汽车厂、上海卷烟厂等单位的自动导引小车应用工程。九十年代以后，随着国内的工厂的自动化程度的提高和科研单位技术力量的提高，自动导引小车的技术水平不断发展，并逐步走向商品化、系列化、模块化。随着经济的发展，自动导引小车在我国的应用领域必将越来越大。2方案设计与论证分析题目要求，关键是要实现声源定位。系统设计是基于一组已知几何位置的接收器，并利用接收器接收信号的相关性来确定声源位置以及运动状态。我们选择基于到达时间差的声源定位算法，采用给定已知位置的接收器阵列，根据声源在传播速度恒定的空气介质中到达各个接收器的时间差，以估计出声源的位置。经分析，系统方案中主要包括有几个关键功能模块，即：主控模块、接收器、无线电收发模块、动力源及其驱动等。各模块的方案选择论证如下：2.1主控系统2.1.1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32为的LM3S1138作为悬挂控制系统的核心控制器。LM3S1138具有32位RSIC性能，可以工作在50MHZ的频率下，64K单周期Flash，多路中断，并设有内部优先级。4个通用定时器可以实现定时计数，和PWM输出。两个同步串行端口（SSI）、三个完全可编程的串口、ADC、模拟比较器、I2C、以及多个GPIO。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。2.1.2主控系统器件介绍STC12C5A60S2单片机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。其特点如下：(1).增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051(2).工作电压：STC12C5A60S2系列工作电压：5.5V- 3.3V（5V单片机）STC12LE5A60S2系列工作电压：3.6V- 2.2V（3V单片机）(3).工作频率范围：0 - 35MHz，相当于普通8051的 0420MHz(4).用户应用程序空间8K /16K / 20K / 32K / 40K / 48K / 52K / 60K / 62K字节.(5).片上集成1280字节RAM(6).通用I/O口（36/40/44个），复位后为：准双向口/弱上拉（普通8051传统I/O口） 可设置成四种模式：准双向口/弱上拉，推挽/强上拉，仅为输入/高阻，开漏 每个I/O口驱动能力均可达到20mA，但整个芯片最大不要超过55mA(7). ISP（在系统可编程）/IAP（在应用可编程），无需专用编程器，无需专用仿真器 可通过串口（P3.0/P3.1）直接下载用户程序，数秒即可完成一片(8).有EEPROM功能(STC12C5A62S2/AD/PWM无内部EEPROM)(9). 看门狗(10).内部集成MAX810专用复位电路（外部晶体12M以下时，复位脚可直接1K电阻到地）(11).外部掉电检测电路:在P4.6口有一个低压门槛比较5V单片机为1.32V，误差为+/-5%,3.3V单片机为1.30V，误差为+/-3%(12).时钟源：外部高精度晶体/时钟，内部R/C振荡器(温漂为+/-5%到+/-10%以内) 1用户在下载用户程序时，可选择是使用内部R/C振荡器还是外部晶体/时钟常温下内部R/C振荡器频率为：5.0V单片机为：11MHz15.5MHz 3.3V单片机为： 8MHz12MHz精度要求不高时，可选择使用内部时钟，但因为有制造误差和温漂，以实际测试为准。(13).共4个16位定时器 两个与传统8051兼容的定时器/计数器,16位定时器T0和T1，没有定时器2，但有独立波特率发生器 做串行通讯的波特率发生器 再加上2路PCA模块可再实现2个16位定时器(14). 2个时钟输出口，可由T0的溢出在P3.4/T0输出时钟，可由T1的溢出在P3.5/T1输出时钟(15).外部中断I/O口7路,传统的下降沿中断或低电平触发中断,并新增支持上升沿中断的PCA模块， Power Down模式可由外部中断唤醒， INT0/P3.2, INT1/P3.3, T0/P3.4, T1/P3.5, RxD/P3.0, CCP0/P1.3(也可通过寄存器设置到P4.2 ), CCP1/P1.4 (也可通过寄存器设置到P4.3)(16). PWM(2路）/PCA（可编程计数器阵列,2路） -也可用来当2路D/A使用 -也可用来再实现2个定时器 -也可用来再实现2个外部中断(上升沿中断/下降沿中断均可分别或同时支持)(17).A/D转换, 10位精度ADC，共8路，转换速度可达250K/S(每秒钟25万次)(18).通用全双工异步串行口(UART)，由于STC12系列是高速的8051，可再用定时器或PCA软件实现多串口(19). STC12C5A60S2系列有双串口，后缀有S2标志的才有双串口，RxD2/P1.2(可通过寄存器设置到P4.2)，TxD2/P1.3(可通过寄存器设置到P4.3)(20).工作温度范围：-40 - +85(工业级) / 0 - 75(商业级)21.封装：PDIP-40,LQFP-44,LQFP-48 I/O口不够时，可用2到3根普通I/O口线外接 74HC164/165/595（均可级联）来扩展I/O口, 还可用A/D做按键扫描来节省I/O口，或用双CPU,三线通信，还多了串口。2.2电机控制系统2.2.1电机类型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14。2.2.2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)。因此本系统采用NEC_MMC电机控制芯片和L293集成芯片2.2.3 NEC_MMC芯片介绍MMC-1 为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，基于NEC 电子16 位通用MCU固化专用程序实现。通过UART 或SPI 串行接口，为主控MCU 扩展专用电机控制功能，可同时控制三路步进电机或直流电机。主要功能特点如下：三通道步进电机或直流电机控制，电机类型可以自由配置主控MCU 通过UART 或者SPI 串型接口控制步进电机可以通过速度或步进增量给定模式运行步进电机的正反转功能到位中断信号输出（步进增量给定模式）步进电机1/2，1/4，1/8 细分功能直流电机的正反转控制直流电机的速度控制256 档过电流检测功能两通道、三通道同步功能睡眠模式供电电压：Vdd=2.7V5.5V封装形式：SSOP30系统框图如图2-1所示： CH1INT CH2INT CH3INT TXD/SO RXD/SI SCK UART/SPI 中央控制单元电机逻辑控制单元串行接口控制单元串口模式选择通道1到位指示通道2到位指示通道3到位指示通道1步进/直流通道2步进/直流通道3步进/直流STA1STA2STB1STB2SENSTA1STA2STB1STB2SENSTA1STA2STB1STB2SEN图2-1 NEC-MMC系统框图Figure 2-1 System Diagram of NEC - MMC引脚功能如表2-1所示：表2-1 NEC-MMC引脚功能Table 2-1 Pin Function of NEC - MMC1CH1SEN输入电机通道1 过流检测，输入电压超过1/8Vdd，通道1 输出停止，若不使用可通过电阻（10K）接地2CH3INT输出电机通道3 到位指示，当电机通道3 工作在步进增量给定模式时，MMC-1 按设定增量输出完毕后输出500s 低电平。若不使用悬空处理3CH2INT输出电机通道2 到位指示，当电机通道2 工作在步进增量给定模式时，MMC-1 按设定增量输出完毕后输出500s 低电平。若不使用悬空处理4CH1INT输出电机通道1 到位指示，当电机通道1 工作在步进增量给定模式时，MMC-1 按设定增量输出完毕后输出500s 低电平。若不使用悬空处理5CH1STA1输出步进电机：电机通道1 的A 相相线1 信号6/RESET输入MMC-1 复位，逻辑低电平有效，低电平持续时间大于10s7NC-不连接8UART/SPI输入串行通讯模式选择，高电平为UART 模式，低电平为SPI 模式9/SLEEP输入若输入逻辑低电平，MMC-1 进入睡眠模式10REGC-外接电容（0.47uF1uF）到Vss11VSS-地12VDD-电源13TXD/SO输出当串行通讯模式选择为UART 模式时：数据输出（TXD）；当串行通讯模式选择为SPI 模式时：数据输出（SO）14RXD/SI输入当串行通讯模式选择为UART 模式时：数据输入（RXD）；当串行通讯模式选择为SPI 模式时：数据输入（SI）15SCK输入当串行通讯模式选择为SPI 模式时：串行时钟输入16CH3STB1输出步进电机：电机通道3 的B 相相线1 信号17CH3STA1输出步进电机：电机通道3 的A 相相线1 信号18CH3STB2/CH3DCDIR输出步进电机：电机通道3 的B 相相线2 信号直流电机：电机通道3 的方向给定19CH3STA2/CH3DCPWM输出步进电机：电机通道3 的A 相相线2 信号直流电机：电机通道3 的PWM输出20CH2STB2/CH2DCDIR输出步进电机：电机通道2 的B 相相线2 信号直流电机：电机通道2 的相线2 信号21CH2STA2/CH2DCPWM输出步进电机：电机通道2 的A 相相线2 信号直流电机：电机通道2 的相线1 信号22CH1STB2/CH1DCDIR输出步进电机：电机通道1 的B 相相线2 信号直流电机：电机通道1 的相线2 信号23CH1STA/CH1DCPWM输出步进电机：电机通道1 的A 相相线2 信号直流电机：电机通道1 的相线1 信号24CH2STB1输出步进电机：电机通道2 的B 相相线1 信号25CH2STA1输出步进电机：电机通道2 的A 相相线1 信号26CH1STB1输出步进电机：电机通道1 的B 相相线1 信号27VDD-电源28VSS-地29CH3SEN输入电机通道3 过流检测，输入电压超过1/8Vdd，通道3 输出停止，若不使用可通过电阻（10K）接地30CH2SEN输入电机通道2 过流检测，输入电压超过1/8Vdd，通道2 输出停止，若不使用可通过电阻（10K）接地电机控制功能MMC-1 共有三个通道电机控制单元，通过设置寄存器可分别设置工作模式，实现不同功能。对于直流电机的控制，每一路直流电机需要CHnDCPWM和CHnDCDIR 两个引脚(n=13)，CHnDCPWM 用于PWM 输出，CHnDCDIR 用于指定电机转向，外接一个全桥驱动芯片就可以控制直流电机工作。输出频率固定16KHz，通过调节占空比控制电机转速。串行通讯接口支持UART 和SPI 串行接口，通过MMC-1 第引脚UART/SPI 选择串行接口模式。逻辑高为UART 模式；逻辑低为SPI 模式。采用主从通讯模式，主控MCU 为主设备，MMC-1 为从设备，双工运行。注意事项：（1）MMC-1 复位后进入工作状态，此时再改变串行接口模式无效。（2）MMC-1 复位后，主控MCU 需等待至少50us，才可开始与MMC-1通讯。2.3无线数据通信2.3.1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NRF24L01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NRF24L01无线通信模块，确保通信的流畅性和准确性。2.3.2 NRF24L01介绍nRF24L01 是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4 GHz2.5 GHz ISM 频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst 技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01 功耗低,在以-6 dBm 的功率发射时，工作电流也只有9 mA；接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。nRF24L01 主要特性如下：GFSK 调制：硬件集成 OSI 链路层；具有自动应答和自动再发射功能;片内自动生成报头和 CRC 校验码；数据传输率为 l Mb/s 或2Mb/s；SPI 速率为0 Mb/s10 Mb/s；125 个频道：与其他 nRF24 系列射频器件相兼容；QFN20 引脚4 mm4 mm 封装；供电电压为 1.9 V3.6 V。2 引脚功能及描述nRF24L01 的封装及引脚排列如图1 所示。各引脚功能如图2-2所示：图2-2 NRF24L01引脚排列Figure 2-2 NRF24L01 pinoutCE：使能发射或接收；CSN，SCK，MOSI，MISO：SPI 引脚端，微处理器可通过此引脚配置nRF24L01：IRQ：中断标志位；VDD：电源输入端；VSS：电源地：XC2，XC1：晶体振荡器引脚；VDD_PA：为功率放大器供电，输出为1.8 V；ANT1,ANT2：天线接口;IREF：参考电流输入。3 工作模式通过配置寄存器可将 nRF241L01 配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式，如表2-2 所示。表2-2 NRF24L01工作模式Table 2-2 Mode of NRF24L01 模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO状态接收111-发射101数据已在发射堆栈里发射101-0当CE有下降沿跳变时，数据已经发射空闲2101发射堆栈控空闲11-0此时没有数据发射掉电0-空闲模式 1 主要用于降低电流损耗，在该模式下晶体振荡器仍然是工作的；空闲模式2 则是在当发射堆栈为空且CE=1 时发生(用在PTX 设备)；在空闲模式下，配置字仍然保留。在掉电模式下电流损耗最小，同时 nRF24L01 也不工作，但其所有配置寄存器的值仍然保留。4 工作原理发射数据时，首先将nRF24L01 配置为发射模式：接着把地址TX_ADDR 和数据TX_PLD 按照时序由SPI口写入nRF24L01 缓存区，TX_PLD 必须在CSN 为低时连续写入，而TX_ADDR 在发射时写入一次即可，然后CE 置为高电平并保持至少10s，延迟130s 后发射数据；若自动应答开启，那么nRF24L01 在发射数据后立即进入接收模式，接收应答信号。如果收到应答，则认为此次通信成功，TX_DS 置高，同时TX_PLD 从发送堆栈中清除；若未收到应答，则自动重新发射该数据(自动重发已开启)，若重发次数(ARC_CNT)达到上限，MAX_RT 置高，TX_PLD 不会被清除；MAX_RT 或TX_DS 置高时，使IRQ 变低，以便通知MCU。最后发射成功时,若CE 为低则nRF24L01 进入空闲模式1；若发送堆栈中有数据且CE 为高，则进入下一次发射；若发送堆栈中无数据且CE 为高，则进入空闲模式2。接收数据时,首先将nRF24L01 配置为接收模式，接着延迟130s 进入接收状态等待数据的到来。当接收方检测到有效的地址和CRC 时，就将数据包存储在接收堆栈中，同时中断标志位RX_DR 置高，IRQ 变低，以便通知MCU 去取数据。若此时自动应答开启，接收方则同时进入发射状态回传应答信号。最后接收成功时，若CE 变低，则NRF24L01 进入空闲模式1。5 配置字SPI 口为同步串行通信接口，最大传输速率为10 Mb/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。nRF24L0l 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2-3所示：表2-3 NRF24L01配置寄存器Table 2-3 Configuration Register of NRF24L01地址（H）寄存器名称描述00CONFIG可用来设置NRF24L01的工作模式01EN_AA Enhanced0用于接收通道的设置，使能接收通道的自动应答功能02EN_RXADDR使能接收通道地址03SETUP_AW设置地址宽度（适合所有通道）04SETUP_RETR设置自动重发射07STATUS状态寄存器0A0FRX_ADDR_P0P5设置接收通道的地址10TX_ADDR设置发射机地址1116RX_PW_P0P5设置接收通道的数据长度2.4声源定位方案选择根据题目要求中给出下图示，定位声源有两种方法：(1)可以通过计算声源与A、B、C中任意两点之间的距离的方法来确定声源与A、B、C的相对位置已知三角形的三边长度可求声源的坐标。i. 利用海伦公式，假设一个三角形的面积W，由以下公式求得： W为P(P-AB)(P-AS)(P-BS)开平方，而公式里的p为半周长： p=(AB+AS+BS)/2则纵坐标H=2W/AB 同理可求横坐标。ii. 由余弦定理求出角度SAB，Cos SAB=(AS2+AB2-SB2)/2AS*AB然后由H=AS*sin SABiii. 由相似定理和勾股定理解方程组求坐标。(2)可以通过计算声源发出的声音被A、B、C接收到的时间差来确定声源与A、B、C的相对位置。前一种方法要求声源与接收器之间做同步，从而确定声音从发出到接收之间的时间。同步可以通过使用无线通信发送特定指令的方式来做。当声源需要确定自己的位置时，发射特定指令通知接收端启动计时。该方法需要考虑无线通信带来的声音发射和接收之间的时间误差，实际测定这个误差。后一种方法方法不需要在声源和接收器之间做同步，相对简单一些，采用差值确定相对位置,模糊控制声源的移动.我们选择第二种方案。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单片机。小车行驶方案：双直流电机双轮驱动。无线通信模块：NRF24L01通信模块。电机控制系统：NEC_MMC电机控制芯片和L293集成芯片3电路设计3.1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。声源发射器安装在小车上，按照一定的时间间隔发出声音。3个接收站放在固定的位置上，同时开始接收声源，并根据受到声音的情况进行分析。然后将分析后的声音信号传到主控单片机上。再通过无线传输模块将信号传给从控单片机，进而实现对小车的控制。系统组成原理图如图3-1所示： 接收器B接收器A声源接收器C电机驱动声光提示NEC_MMC从控MCU主控MCU电机控制图3-1系统组成原理图Figure 3-1 System Diagram3.2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3-2 音频发射原理图Figure 3-2 Audio emission diagram3.3音频接收通过麦克风，接收到微弱的声音信号，经过音频功放LM386后，再送入LM567的脚，脚电压会产生一个跳变。LM386是专为低损耗电源所设计的功率放大器集成电路。它的内建增益为20，透过pin 1 和pin8脚位间电容的搭配，LM386可使用电池为供应电源，输入电压范围可由4V12V，无作动时仅消耗4mA电流，且失真低LM567 为通用锁相环电路音调译码器，LM567的内部电路及详细工作过程非常复杂，这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号。在图电路中我们仅利用了LM567接收到相同频率的载波信号后脚电压由高变低这一特性，来形成对控制对象的控制。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3-3音频接收原理图Figure 3-3 audio receiving diagram3.4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3-4电机控制和驱动原理图Figure3-4 motor control and drive principle diagram3.5 声光提示 根据设计要求可知，当移动声源到达OX线后需要发出声光信息。本设计的报警方式是：当小车到达OX时，就通过蜂鸣器和LED发光信息。蜂鸣器采用电磁式蜂鸣器ZC-12095。该蜂鸣器构造简单，且能达到系统要求、性价比高。其额定电压为5V，额定电流25mA,频率范围2300，信噪比85dB。4软件设计针对我们所选择的声源定位方案，理论分析与计算如下：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4-1 小车行驶示意图Figure 4-1 car d