2009全国大学生电子设计竞赛题目B：《声音导引系统》

通过接收点不同时间接收声音信号，确定小车与各个接收站的距离，通过无线传输模块控制车载微控制器，控制小车的移动，到达目的地，发出声音和灯光信号。 该系统在设计时注重低功耗处理、高性价比等细节。 本设计的主要特点：高效的L293电机驱动电路，提高电源利用率。 2、双电源设计，控制电路电源与电机电源隔离，信号通过光耦传输。 3． 利用测量时差的方法，通过三点声音信号实现精确定位。 关键词：声音引导、可移动声源、声音接收器、微控制器、智能车 51-,.--,,,nt,,.s.1。 1 方案设计与演示 1.1 主控系统选型 方案一：采用高性能嵌入式系统，如ARM。

如果采用这种方案，可以很好的解决数据处理和控制功能。 但ARM价格昂贵，而且本科阶段很少接触到，很难在短时间内完成。 方案2：使用大规模可编程逻辑器件，例如FPGA、CPLD。 不过这道题属于控制类，不适合这个选项。 方案3：使用2个高性能微控制器来实现。 一种用于处理音频信号接收，同时控制车载单片机，作为主控单片机。 另一块用作从属微控制器来控制汽车的运动。 考虑到方案的可行性和成本效益，我们采用增强型51单片机。 该单片机内部无分频，采用RISC简化指令集，可实现高速运算、大存储空间、价格低廉，极具性价比。 1.2 电机选择 该问题是一个控制问题，因此电机的选择尤为重要。 方案一：选择普通直流电机，通过减速齿轮增加扭矩，提高皮带响应能力。 直流电机的优点是价格便宜且易于控制，但难以精确控制是其主要弱点之一。 选项 2：选择步进电机。 步进电机的特点是可以精确控制电机的步数和角度。 缺点是扭矩比较小，容易丢步，价格也比较贵。 考虑到该问题对性价比要求较高，我们选择了普通直流电机，通过优秀的控制算法实现高精度定位。 1.3 电机控制系统方案一：通过晶体管等分立元件构建H桥。 其优点是价格便宜、结构简单、控制简单。

然而，由于晶体管的载流较小，驱动能力受到限制。 由于是分立元件，稳定性无法保证，体积也比较大。 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。 考虑到汽车比较小，要安装的电子器件较多，控制精度比较高，所以选用低电压、高效率的L293驱动芯片（L298要求驱动电压高、效率低）。 1.4 无线数据通讯模块选择方案一：红外通讯。 红外通信设备易于获得且价格低廉，但其致命弱点是必须沿直线发送和接收。 选项 2：使用无线通信模块。 该无线通信协议工作于2.4-2。 频段，数据传输速率最快可达2Mb/s。 我们选用无线通讯模块，保证通讯的流畅性和准确性。 1.5 声音信号处理方案一：由于声源距各个接收站的距离不同，因此各个接收站接收到声音信号所需的时间不同，可以确定小车的位置并引导其前进。 方案二：由于声源距各个接收站的距离不同，因此各个接收站接收到的声音信号的强度也不同。 通过AD转换器测量电压，即可确定小车的大致位置并引导小车前进。 由于接收站距主控单片机1米，传输距离较长，需要的电线也较长，容易受到分布电容等干扰。 直接传输电压信号很容易导致不准确，所以我们采用测量时间差的方法。

总结： 经过多次认真论证和比较，我们确定了本系统的主要模块方案如下： 音频处理方案：采用测量时间差的方法。 主控制器：两个增强型51单片机。 汽车驱动方案：双直流电机两轮驱动。 无线通讯模块：通讯模块。 电机控制系统：电机控制芯片和L293集成芯片。 2.电路设计 2.1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、-1电机控制芯片、电机驱动模块、声光电路等。 图2.1 系统组成原理 图2.2 音频传输 通过单片机定时器产生4Khz脉冲信号，控制晶体管的通断，使扬声器产生高频音频信号。 图2.2 音频传输原理 图2.3 音频接收通过MIC 接收。 音频信号经过放大和滤波，然后整形为方波，并测量响应时间。 具体工作原理：主控单片机通过无线向从机发送触发信息并开始计时。 当车载微控制器接收到信号时，发出4Khz的音频信号。 当MIC接收到来自汽车的音频信号时，它会停止计时，然后根据声速测量声源与三个接收点之间的距离。 通过主控单片机的计算，向小车发送指令，引导小车到达目的地。 土地。 图2.3 音频接收原理图 2.4 电机控制与驱动 单片机向MMC1 发送控制指令，MMC1 处理后控制电机驱动电路，从而控制小车的运动。

图2.4 电机控制及驱动原理图 3、软件设计假设可移动声源为S 点，如果AS 距离大于BS 距离，则小车将向9 点钟方向前进。 如果AS距离小于BS距离，汽车将向3点钟方向倒车。 如果AS等于BS，则说明该车位于AB的中垂线上。 如果AS距离大于CS距离，则小车向6点钟方向前进。 如果AS距离小于CS距离，则汽车向12点方向倒车。 如果AS等于CS，则小车到达W点。 图 3.1 小车行驶示意图 图 3.2 系统总体流程图 四、系统测试 1、测试仪器 秒表、计尺等 2、测试方法：通过改变小车的起始位置，测量小车到达终点所需的时间。完成行程，并计算平均速度。 可移动声源的起始位置、Ox线的垂直距离、响应时间、平均速度、可移动声源在Ox线上的重新启动位置、到移动停止点的直线距离、到达的时间再次移动，平均速度 3、测试数据：将小车置于水平线上距W点的垂直距离为H，单位为厘米。 H (cm) 时间 1 (s) 平均速度 1 (cm/s) 时间 2 (s) 平均速度 2 (cm/s) 误差 (cm) 第一次 4.710.63 第二次 10 4.5 11.11 0.8 12.5 2.1第一次 第三次 20 4.9 10.20 1.8 11.1 1.9 第四次 30 4.7 10.63 3.0 10.0 1.6 第五次 40 4.4 11.36 4.6 10.6 1.3 第六次 50 4.5 11.11 5.1 9.8 1.9 表 4.1实际测试数据 经过测试，这款车基本满足发挥部分要求。

4、误差分析 有时小车不能完全直线行走，会稍微偏离轨道。 经分析，原因有二：1）汽车是新买的，齿轮磨合情况不同，导致两轮转速不一致。 2）由于小车上装置较多，重心发生偏移，车轮受到不同阻力，造成小车跑偏。 5.设计总结本工作采用两片STC增强型51单片机作为核心部件。 通过接收站接收到的音频信号的响应时间不同，通过一套完整的程序，实现小车的精确定位。 在设计中，我们尽量采用低功耗器件，力求硬件电路经济精简，充分发挥软件控制灵活方便的特点，满足设计要求。 6.参考文献[1]全国大学生电子设计大赛组委会． 全国大学生电子设计大赛获奖作品评选[M]. 北京理工大学出版社，2007年学习造智能汽车——挑战“飞思卡尔”杯[M]. 北京航空航天大学出版社，2007 [3]万福军，潘松峰． 单片机原理系统设计与应用[M]． 合肥：中国科学技术大学出版社，2001王浩，毛宗元． 机器人智能控制方法[M]． 北京：国际工业出版社，2002 张培仁，张志坚． 基于16/32位DSP的机器人控制系统设计与实现[M]. 北京：清华大学出版社 附录一：部分元件清单 芯片：STC *2 *1 L293*1 *1、LM386*3 LM567*3 TP521*1 无线通讯模块*2 MIC*3 扬声器*1 电阻、电容若干 若干线、单片机、最小系统。 附件2：仪器设备清单、秒表、米尺、万用表、函数信号发生器、示波器。 附件3.：程序清单-89c52.Uv2)：2009年全国大学生电子设计大赛本科组B题需要使用的一对电机。 控制芯片（C公司MMC-1）的单片机控制程序。 微控制器采用STC芯片，连接PWM或步进电机波形发生芯片MMC-1，通过L293驱动芯片驱动直流电机。