09年电设声音引导系统 2009年电子设计大赛奖声音引导系统技术资料 系统论文 国赛优秀论文 甲141

B甲141摘要 本系统采用自制的电动小车，作为可移动声源的运动平台，以AVRmega16单片机作为小车的检测和控制核心，以NEC公司的电机控制ASSP芯片MMC-1驱动电机。通过蜂鸣器产生周期性音频信号，麦克作为声音接收器。误差信号由无线模块传输至可移动声源，并引导其运动。整个系统结构清晰，经测试，完成了题目所要求的各项指标且运行可靠。关键字：AVRmega16；ASSP芯片MMC-1；声音定位；无线模块 Abstract This system adopts dynamoelectric small car made by ourselves as a mobile sound source moving platform and takes AVRmega16 as the control and center. The two motors are driven by IC ASSP MMC-1 of NEC company .There is a buzzer to produce the periodic signal and a MIC microphone is used as the sound receiver .The error signal is translated through the wireless module to transportable acoustic source to guide its movement. The whole system with cleat structure has been tested to complete all the design of this topic requested by the various indicators and reliable operation. Keyword: AVRmega16；ASSPMMC-1；buzzer; wireless module 声源模块1 系统方案1.1系统总体设计 根据题目要求，本系统主要由 控 制 器 模 块AVRmega16作为检测和控制核心， 无线模块电机驱动模块直流减速电机驱动。蜂鸣器作为发声声源，麦克接收。根据检测声音到达A、B、C的时间差确定 接收模块 显示模块声源的位置。产生的误差信号由无线模块传输，并引导运动。系统总体框架图见右图. 系统总体框图1.2方案论证与比较1.2.1 核心控制模块选择方案一：采用可编程逻辑器件CPLD，可以实现各种复杂的逻辑功能，速度快，控制能力强大、结构灵活，集成度高，易扩展各种功能，但价格较高，适合作为大规模控制系统的控制核心。方案二：采用Atmel公司的AT89S52单片机，AT89S52低功耗，高性能，但其本身功能少，速度较低，不适合本题目中对信号处理的要求。方案三：采用AVRmega16单片机，AVR单片机速度高，低功耗，内部集成的功能多，不需要复杂的外围电路。其较高的速度可以使其能够快速处理较复杂的数字信号，对可移动声源的控制可完全满足要求。从实用度和价格两方面考虑，我们选用方案三。1.2.2电机的选择 方案一：采用步进电机。步进电机可以准确定位，单输出力矩低，速度慢，且体积大，重量大，达不到题目对时间的要求。 方案二：选用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，操作简单，使用方便。可利用PWM控制转速，控制灵活。选用150转/min减速电机即可满足题目对时间上的要求。基于上述理论分析，故选择方案二。1.2.3电机驱动模块选择 方案一：采用三极管等分立元件搭建直流电机的驱动电路。分立元件价格低廉，但此方案搭建的驱动电路结构复杂，总体性能不够稳定。我们不采用此方案。方案二：采用电机驱动芯片MMC-1 。MMC是多通道两相四线式步进电机直流电机控制芯片，可同时控制三路步进电机或直流电机，主控MCU通过UART或SPI串行接口控制。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。基于上述理论分析，故选择方案二。1.2.4声源模块选择 方案一：采用扬声器发声。扬声器是一种常用的电能换声器件，其发声频率较杂，不容易捕捉，且功率低。 方案二：采用蜂鸣器发声。蜂鸣器发出的声音是固定频率的音频信号，常用的蜂鸣器频率为2.7KHz经过捕捉放大并滤波提取后容易处理，而且可以选择高功率，高频率的蜂鸣器来提高准确度。 基于上述理论分析，故选择方案二。1.2.5无线模块选择 方案一: 采用无线收发模块NRF2401.NFR2401是体积小，功耗低，外围元件少的射频级芯片,工作在2.4GHz自由频段。但NRF2401程序调试复杂，价格高,不适合应用于本系统。 方案一: 采用PT2262、PT2272无线收发模块。PT2262和PT2272是常用的遥控解码芯片。此模块编码简单，控制灵活，价格低廉。通过实验发现，此无线模块的速度可以很好地满足题目要求。 基于以上分析，故选择方案二。2 理论分析与计算2.1设计、计算 在基础部分，通过计算接收器A、B接收到声音信号的时间差t1的大小得出反馈给声源的误差信号。在可移动声源向运动过程中判断t1是否大于t2,当t1大于t2时，则表明未到达OX，控制声源继续运动。首先计算并约定好设定误差允许时间差t1和t2，当|t1-t2|t1时，声源停止运动。在发挥部分，可移动声源向W运动过程中判断是否|t1-t3|t2, 若不满足，则表明S未到W点，控制声源继续运动，否则，表明到达W点，停止运动。2.2误差信号的产生 声音信号通过触发AVRmega16外部中断来启动定时器和关闭定时器，由AVRmega16计算声音接收器收到音频信号的时间差，得出可移动声源离目标线的距离，从而判断可移动声源的位置来决定运动的方向，将此运动方向信号用无线方式传送给可移动声源，此即误差信号的产生。2.3控制理论简单计算 误差允许时间差t1和t2计算如下： 假定一种远满足题目误差要求的参考情况：当声源S在CD线上移动向C点移动时，在移动到离Ox线还有定位误差1cm时，可以算出SA与SB之间的距离差L，则t1=L/340 m/s。 声源在向Oy线移动时可同理算出t2。3 电路设计3.1单元电路设计3.1.1电机驱动模块设计 电机驱动模块采用NEC专用的MMC-1芯片，具体电路图见附录二3.1.2无线模块设计无线收发模块采用PT2262,PT2272，具体实现电路见图2 ,图3 图2 Pt2262发射模块 图3 Pt2272接收模块 3.1.3声音接收模块设计 声音接收器我们采用麦克、放大器和高通滤波器，检测出周期性的音频信号，采用两级同相放大器将音频信号放大，并采用电压比较器LM393将检测到的正弦波转化为方波。 为了将从麦克获得的微弱语音信号放大，我们采用两级高输入阻抗的同相放大电路，两级放大倍数分别为Av1=1+Rf/R ， Av2=1+Rf/R 。 根据高通滤波器设计公式：W0=1/RC 截止频率选取2.7KHz。具体的电路图见图4。 图4 声音接收模块电路图3.2软件程序流程图图5 软件程序流程图 系统测试4.1测试方法和仪器数字万用表，数字示波器，自制地形仿真（长1米，宽1米），秒表，米尺4.2联机测试数据结果表1 基本部分测试数据项目第一次第二次第三次平均 平均速度（cm/s）7.07.07.17.0定位误差 （cm）2.00.61.31.3超过OX左侧距离（cm）3.11.82.62.5 表2 发挥部分测试数据项目第一次第二次第三次平均平均速度（cm/s）13.013.213.213.1定位误差（cm） 0.40.10.90.5超过OX左侧距离（cm）1.00.20.80.7声源据W处的直线距离（cm）0.30.90.50.64.3测试数据分析及总结 从测试数据可以得到，系统的测试指标已经达到要求，但受环境噪声和实际路面的不同，测试会因外界干扰产生一定误差，但在题目允许的误差范围之内。 5 结束语 经过为期四天的设计，感触颇深的是解决问题的方法、技巧。在这四天中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法处理，多角度处理。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来的设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。6参考文献【1】全国大学生电子设计竞赛组委会编 编 全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编 北京理工大学出版社【2】马潮 编 AVR单片机嵌入式系统原理与应用实践 北京航空航天大学出版社【3】戴仙金 编 51单片机及其C语言开发实例 清华大学出版社附录一：主要元器件清单SS1792C型可跟踪直流稳压电源 RIGOL DS1102E数字示波器EE1641D型函数信号发生器/计数器 数字万用表米尺 秒表附录二：系统的电路连接图 图电机驱动模块电路图附录三：部分程序清单/* 函数名：motor.c* 功能：通过UART传输给MMC -1两路直流电机控制信号*/ #include/*电机控制寄存器地址* #define CH1Mode 0x00 #define CH2Mode 0x04 #define CH1Duty 0x03 #define CH2Duty 0x07 /电机控制寄存器的写入地址 #define CH1Mod_reg 0x50 #define CH2Mode_reg 0x54 #define CH1Duty_reg 0x53 #define CH2Duty_reg 0x57 */ /*MMB-1睡眠及工作模式选择*/ /Sleep引脚连接PB4 void init(void) DDRB.2=1; PORTB.2=0; delay_ms(10); void weak(void) DDRB.2=1; PORTB.2=0; delay_ms(100); void MccWrite_data(uchar addr,uchar data) putchar(addr); delay_ms(2); putchar(data); char Read_data(uchar addr) char d; addr|=0xa0; putchar(addr); delay_us(20); d=getchar(); return d; /* * 函数名： 电机运动函数 * n=Lift/Right * dir=forwand/backward * 占空比为v/255 */ void Run_motor(uchar n,uchar dir,uchar v) uchar run; if(dir=backward) run=0xe0; else run=0xc0; if(n=Lift) MccWrite_data(CH1Duty_reg,v); delay_ms(2); MccWrite_data( CH1Mode_reg,run); else MccWrite_