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033

B甲033B题 声音导引系统摘要本设计是以STC89C58RD+单片机为控制核心，FPGA为计算中心；辅以超声波测距传感器、无线传输模块（337MHz）以及可控小车，组成的声音导引系统。利用NEC提供的MMC1 D78F1203芯片驱动电机，实现低功耗平稳控制，在位置、调向等方面经过计算与多次实测调试，可以精确的控制和引导小车按照题目要求运动，完成了题目对声源信号、移动速度以及定位精度的基本要求。同时还完成了小车折向至W点的扩展要求，定位精度和速度也提升到合乎扩展要求的指标。创新性的使用了凌阳的SPCE061A作为语音播报系统，在声光报警的同时能够语音播报当前状态，自动显示时间，使作品更加人性化。【关键字】： 单片机 FPGA 超声波 电机驱动 1 方案论证本设计为机电一体化系统，整个系统可分为控制系统、执行系统、输出部分三大模块。核心系统为超声波测距定位系统，从属于控制系统；执行系统为电机控制电路以及电机本身；输出部分可分为可视输出部分、听觉输出部分。系统整体框图如下所示：控制系统图1 系统整体框图1.1 控制系统1.1.1 控制器选择方案一：采用51系列单片机；此系列MCU是当下使用最广泛的单片机，其运算处理能力强，软件编程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法与逻辑控制，且功耗小、成本低、技术比较成熟，可以支持ISP、IAP编程，响应速度完全可以负担对车体的控制。 方案二：采用ARM系统；ARM拥有32位处理系统，主频高于40MHz，事物管理功能比较强，是嵌入式系统的理想芯片，相应的价格也比较高昂。本系统没有对高频信号和芯片的处理，使用ARM就会造成资源的浪费，不符合题目对高性价比的要求。方案三：采用FPGA； FPGA是目前集成度最高的逻辑器件，作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路，FPGA既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点，处理速度极快，基本上可以完成所有数字器件的功能。缺点是价格比较高。分析题目可得系统需要两个控制器，综合以上的考虑，最终选用方案一（STC89C58RD+芯片）作为小车的核心控制系统，同时选用方案三作为小车定位系统的运算核心，从而实现车体的高精度定位，也不会增加太多成本。1.1.2 测距模块选择作为整个题目最核心的部分，此处我们面临两种方案的选择：方案一：采用蜂鸣器驻极体话筒组合；优点是构造简单，价格低廉，且传送信号是人耳可以辨别的音频信号，比较直观。缺点是此构造容易受到环境的影响，工作环境相对苛刻，噪音稍大就会影响系统的正常工作。方案二：采用超声波发送和接受组合；优点是频率高，穿透性好，不容易受到环境因素的干扰，测量容易。综合考虑，我们选用方案二，采用超声波测距传感器分立作为音频信号的发生于接受端，达到了很好的效果。1.2 输出部分选择方案一：用LED显示；LED最大的优点是成本低廉，而且显示数据比较清晰，在需要在远处观测的场合作用明显，但是显示内容有限、信息量少，界面比较单调。方案二：选择液晶模块显示；在屏幕显示领域，LCD占有明显的优势：轻薄短小，美观大方，低功耗，容纳信息量大，抗干扰能力强，能够充分的的满足用户对信息输出量的要求，但是相应的成本价格也较高。综合考虑以上信息，我们选择方案二， 基于本系统需要显示的信息只有少量数字及汉字，信息量并不大，因此我们选择了1602液晶模块，保证信息量饱满，同时满足低功耗、高性价比的要求。1.3 执行系统选择根据题目要求，此部分系统采用NEC公司提供的MMC1芯片控制H桥电路来驱动双电机来完成小车动作，不再赘述。2 系统的设计与实现系统工作由声源发出超声波开始，接收端将各点接收到信号的时间（以第一个探头接收到信号的时间为0时间轴）送给FPGA，由FPGA根据时间差计算出车体在虚拟坐标系中的坐标，再通过MC9S12DG128B将当前信息通过无线传输模块传送给车载单片机，由车载控制器根据当前信息控制小车的运动。同时输出系统工作，在相应点输出信息并声光报警。2.1 定位系统设计2.1.1 声源设计声源部分是用超声波测距传感器的发射头产生信号，原理图如图2.1.1所示。单片机输入40KHz的方波信号使能发声，通过控制发送信号延时来控制发送方波的时间，最终确定以750ms为周期发送信号，信号脉宽5ms这个测试频率，达到正确定位的标准。图 2.1.1 超声波谐振频率发生调理电路图 2.1.2 超声波发散模型由于超声波方向性好，所以我们设计了一个表面光滑的锥形体置于发生器的正上方使直向型的超声波经过45反射成为圆弧形发散信号，使得从各个方向都能检测到声源信号，保证了系统的正常运作，模型如下图所示：多次实测中，我们发现小车运动过程中会进入某些“死区”，无法正常接收信号，分析可能关系与解决方案如下：1) 支架干扰；解决方法是将3点支撑改为两点支撑，情况有所好转，但大部分死区仍然存在。2) 反射面积不足；虽然超声波方向性很好，但也存在发散的现象，所以要增加信号与反射面得接触面积。一种方法是在锥形体上覆盖较大反射层，但原有固件在加工会加大表面粗糙度，影响系统测试，所以否决；另一种方法是升高椎体高度，经测试，此举消灭了大部分“死区”，予以调整固定。3) 信号发射强度不足；方法是在发射探头前级增加一个自绕变压器，经测试可以增加发射强度（测试电路见附录图2.1.3），将其装载于车体上，可以起到增加精确度的效果。经过以上3步的分析与处理，小车基本上可以完成精度1cm以下的无盲点运动。2.1.2 接收系统设计对应于声源部分，接收系统仍然使用超声波测距传感器的接收探头以及接受处理系统，接收频率与声源相同。且三个探测头都已45角倾斜于坐标轴，朝向W点，这样就更容易接收到声源的信号。图 2.1.4 接收系统框图2.1.3 定位原理计算如图2.1.5所示，测距系统分为车载发生器S与接收器处理系统两部分，系统启动后首先由车载声源S发出超声波，当接收端检测到有接收器接收到信号后，接收端控制器（同时连接3个接收器）开始计时。图 2.1.5 测距示意图设T0为A,B,C中第一个收到信号时信号传输的时间，T1为T0过后B收到信号的时间，T2为T0过后A收到信号的时间，T3为T0过后C收到信号的时间，V为音频信号在空气中的传输速度T0 V =R0， T1 V =R1, T2 V =R2, T3 V =R3，=,则SB=(T1+T0)V ,SA=(T2+T0)V ,SC=(T3+T0)V由余弦定理和余弦定理的变形：+-=可化简得：R0可解得，即SA、SB、SC可知。由海伦定理： 底高,可得S坐标（x,y）。2.2 控制器设计2.2.1 MCU硬件设置车载单片机系统主要由单片机控制系统、凌阳语音模块、NEC MMC1电机控制系统、液晶显示4部分组成，电路图见附录图2.2.1。 FPGA处理系统原理图见附录图2.2.2。接收到的信号首先经过放大电路，然后进入FPGA处理，在经过MC9S12DG128B发送给小车。2.2.2 MCU软件设定车载系统软件流程图见附录图2.2.3。定位系统流程图见附录图2.2.4.。2.3 无线通信模块设计采用CR7AW01N1（传输频率为337MHz）无线收发模块进行小车与FPGA的通信（占用UART），根据通信距离的要求，使用30cm天线进行收发，为了不影响系统外观，选用软线内绕式天线，经过测试，可以正确的接发数据，完成系统要求。2.4 电机驱动电路设计根据题目要求，电机驱动采用NEC公司的MMC1电机驱动芯片，在SPI通信模式下接收车载控制器的信号，由CH1DCDIR口和CH1DCPWM口输出电机控制信号，通过方向控制电路（H桥），控制小车的两侧直流电机转动方向以及转速，从而实现对整个车体的控制。电机驱动电路见附录图2.3.1，H桥电路见附录图2.3.2。3 系统测试3.1 测试仪器秒表：SAMSUNG B501刻度尺：天衡刻度尺3.2 测试内容按照题目要求的行进方式进行系统测试，共6次（前3次正向行进，后3次车身旋转180），记录每次从出发点到OX轴的时间和偏离OX轴的距离，以及从第一次停车点到W点的行进时间与偏离距离。为了便于记录，设起始点为M点，到达OX轴点为N点。3.3 测试结果和分析次数MN时间（s）N点误差（cm）MN距离（cm）速度秒表系统（左正右负）15.235.3-0.3551.659.81006624.9450.7552.6510.5935635.225.3-0.151.89.84790944.884.80.6552.5510.8574455.195.3-0.5558.911.2297465.445.4-0.655910.88561次数NW时间（s）W点误差/cmNW距离（cm）速度秒表系统14.444.50.6545.3510.1454124.324.30.3244.5510.3364334.564.60.9545.81044.654.60.8544.29.55675754.184.20.2544.810.6921264.014.10.7545.211.14673测试中每次到达N点和W点时都有正常的声光报警以及对应的显示和语音，测试数据分析如下：平均定位误差=|单点误差| / 12=0.5683cm 符合题目发挥部分要求经计算得总平均速度=10.4252cm/sMN平均速度=10.5374cm/sNW平均速度=10.3129 cm/s 均符合题目要求 4 结论经过精密的设计与精密的测试，整个系统能够安全稳定地完成题目规定的基本与发挥两部分的要求，位置与时间误差都调整到了极小的范围之内。其实本设计还有很大的提升空间，但由于我们的动手能力以及理论水平有限，没能很好的达到。经过四天三夜的共同努力，我们终于完成了任务，在这个过程中我们的