2009全国大学生电子设计竞赛题目B：《声音导引系统》参赛学生：指导教师：学校：临沂师范学院院系：信息学院目录一、设计任务与要求 (1)二、系统整体设计方案比较与选择 (1)三、设计与论证 (1)1、电机运行速度设计 (1)2、误差信号的产生 (2)3、控制理论简单计算 (2)四、电路设计 (2)1、系统整体设计框 (2)2、单元电路设计 (3)1）可移动声源及声音接收器 (3)2）电机驱动电路设计 (4)3）无线收发模块 (5)3、电源设计 (5)五、软件设计 (6)六、运行情况测试 (7)1、声源速度测试 (7)2.测试方法 (7)3.测试数据 (7)4.误差分析 (8)七．设计总结 (8)八．参考文献 (8)九. 附录 (8)十、结束语 (13)声音导引系统设计与总结报告摘要：本文描述了声音导引系统的设计原理和实现方法。

该系统由AT89S52单片机控制，双直流电机双轮驱动小车。

通过NEC公司的ASSP电机控制芯片和单片机之间的串行通信实现可移动声源的运动。

主控制器利用不同声音接收器间产生的误差信号，并用无线通信方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。

到达目的地，发出声光信号。

系统最大特点在于软件设计采用层次化、模块化的设计方法，使得复杂数学模型和控制算法得以简化和快速开发。

经调试和测试，系统各项性能参数已基本达到设计指标。

且本系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节。

关键词：声音导引 89S52单片机 ASSP芯片算法AbstractT his system use two STC12C5A60S2 enhanced 51-series microcomputer, double dc motor drive car outfit. Through different voice signal method-the peak-trough received from various terminal, the car of distance, through wireless transmission module control vehicle, and control chip car movement, destination, a sound signal. This system in the design of low power consumption and high performance to such details.一、设计任务与要求设计并制作一个声音导引系统，可移动声源运动的起始点必须在Ox线右侧，位置可以任意指定。

利用声音接收器和可移动声源之间的不同距离，产生可移动声源和目标线之间的误差信号，并利用无线通信方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。

二、系统整体设计方案比较与选择根据题目要求，系统可以分为两个基本模块，由两片八位单片机分别实现，本声音导引系统的控制关键在于，精确检测误差信号，使可移动声源按要求运动。

系统示意图如下，初步分析设计方案：方案一、在可移动声源向Ox线逼近时，把接收器A和B接收到声源的声音的强弱分别转换成它们与声源之间的距离，从而判断声源是否到达目的地。

方案二、启用单片机定时器，根据接收器A和B接收到声音的时间差来判断声源的位置，进而调节电机运行的速度，直至声源是否到达目的地。

方案分析：鉴于方案一中声音的强弱受外界干扰太大，检测到的声音信号不定，而测量时间差则相对精确，所以本系统采用方案二。

三、设计与论证1、电机运行速度设计根据题目要求，可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线并停止。

要求平均速度大于5cm/s。

如上图1所示，鉴于此要求，可以采用霍尔传感器直接测出电机的转速，并将此速度反馈给辅控制单片机，由此来调节占空比，进而调节电机的转速。

但由于比赛时间有限，此方案并未落实。

2、误差信号的产生声源发出声音并移动，辅助控制器控制A、B接收器同时启动，利用A、B接收器接收到声音的时间差来判断声源与Ox线之间的误差，若时间差大于零则说明声源与Ox线之间有误差，声源继续移动，直到时间差为零时停止。

3、控制理论简单计算由上图1所示，声源从右至左行驶时，计声音接收器A、B接收到声源的时间分别为TAs、TBs。

其时间差为为TAs- TBs，主控制器将此时间差通过无线通信方式传给辅控制单片机，进而来调节PWM波的占空比。

从而改变电机的转速。

以达到由声音控制电机转速的目的。

直到TAs- TBs=0，声源停在Ox线。

四、电路设计1、系统整体设计框如图2所示: 本系统由两片单片机完成控制任务，电机控制ASSP芯片可以由硬件直接产生PWM波，因此主控制器单片机可以通过ASSP芯片产生的PWM波形来控制直流电机的运转，省去了用单片机产生PWM波，提高了编程效率。

只需再接上L298驱动电路，就可以轻松的达到控制直流电机的目的。

声源是通过主控制单片机的P3^7脚输出一定频率的波形，再经过放大电路放大，最终产生声音。

声音接收器接收声音并传给辅助单片机，辅控制器和主控制器之间无线传输信息。

进而判断声源的前进方向，并通过液晶显示器显示系统运行状态。

图2 系统总体框图2、单元电路设计1）可移动声源及声音接收器可移动声源的信号频率由单片机产生，经功率放大电路放大后由喇叭输出音频信号。

电路图如下：图3 声音发生器电路音频接收处理方案一：由于声源离各接收站距离不等，所以各接收站收到声音信号所需时间不等，进而可以判断出小车方位，引导小车前进。

方案二：由于声源离各接收站距离不等，所以各接收站收到声音信号的强度不等，通过AD转换器测出电压大小，进而可以判断出小车大概方位，引导小车前进。

由于接收站离主控单片机有1米距离，传输距离比较远，需要导线比较长，容易受分布电容等干扰，直接传输电压信号容易导致不精确，所以我们采用测时间差的方法。

通道输出频率固定为16KHZ，通过设定给定寄存器选定不同占空比，进而调节了两个直流电机的转速，直至达到设计要求，ASSP芯片通过L298驱动电路驱动两个直流电机运行。

由于ASSP芯片自身具有PWM输出，所以两台电机都采用PWM控制，通过调节占空比，实现电机的速度调节。

L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电机或1个步进电机等感性负载。

采用L298作为电机驱动电路，可靠性高，可以方便的控制电机正反转。

单片机、ASSP芯片和L298的连接电路图如下：图5 单片机、ASSP芯片和L298的连接电路图3）无线收发模块方案一：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nFR24L01无线通信模块，此无线通信协议工作于 2.4～2.5 GHz ISM频段，数据传输率最快可达2 Mb／s。

？方案分析：选用nFR24L01无线通信模块，确保通信的流畅性和准确性。

方案三、采用SUNRF-2051无线通信模块。

方案四、采用无线发射模块PT2262，接收模块采用PT2272超再生接收板。

？方案分析：超再生式接收板具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点，接收电路自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。

内含放大整形及解码电路，使用极为方便。

因此本系统采用方案？。

3、电源设计方案一、所有器件采用单一电源。

这样供电比较简单。

但是由于声源小车有两台电机，电动机起动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。

方案二、双电源供电。

将电机驱动电源与单片机以及其周边电路完全隔离，各自分别供电。

这样做虽然不如单电源方便灵活，但是可以将电机所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

故本系统采用方案二。

五、软件设计设可移动声源为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6 小车行驶示意图N图7系统整体流程图六、运行情况测试 1、声源速度测试测试工具：秒表（精确度：0.01S ）、2米卷尺（精确度：0.1mm ）2.测试方法将声源置于图1所示OX 线右侧任意位置，启动声源小车，声源发出声音，在该场地外用接收器接收声音信号。

通过改变小车的起始位置，测量小车走完全程所需时间，计算出平均速度。

3.测试数据设小车离W 点水平线的垂直距离为H ，单位厘米。

测试结果如下： 可移动声源在Ox 线上重新启动位置到移动停止点的直线距离 再次运动时间 平均速度2＝可移动声源的起始位置到Ox 线的垂直距离响应时间 平均速度1＝4.误差分析小车有时并不能完全直线行走，略微有点跑偏，经分析原因有两个：1）小车是新买的，齿轮磨合情况不同，导致两个轮子速度不一致。

2）因为小车上装置比较多，导致重心偏移，轮子受到的阻力不同，导致小车跑偏。

七．设计总结本作品以两片STC 12C5A60S2增强型51单片机为核心部件，通过个接收站收到音频信号的响应时间不同，配合一套完整的程序，实现了小车的精确定位。

在设计中，我们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。

八．参考文献[1]全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M] ．北京理工大学出版社,2007[2]黄开胜. 学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M] ．北京航天航空大学出版社,2007[3]万福君，潘松峰．单片微机原理系统设计及应用[M] ．合肥：中国科学技术大学出版社，2001[4] (日)森政弘，(日)铃木泰博．机器人竞赛指南 [M] ．北京：科学出版社，2002[5] 王灏，毛宗源．机器人的智能控制方法[M] ．北京：国际工业出版社，2002[6] 张培仁，张志坚．基于16/32位DSP机器人控制系统设计与实现[M] ．北京：清华大学出版社九. 附录附1：部分元器件清单芯片：STC 12C5A60S2*2 NEC_MMC*1 L293*1 74LHC04*1，LM386*3 LM567*3 TP521*1 nFR24L01无线通信模块*2MIC*3 喇叭*1 电阻电容若干导线若干单片机最小系统附2：仪器设备清单秒表米尺万用表函数信号发生器示波器附3.：程序清单/****************************************************************************** *** FileName：carmotorSPI.C (be included in project fts-89c52.Uv2)** Brief Introduction：2009年全国大学生电子设计竞赛本科组题目B 中需要用到的对电机控制芯片（C公司的MMC-1）的单片机控制程序。