全国大学生电子设计竞赛论文.pdf

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1、全国大学生电子设计竞赛论文山东赛区编号：题目：声音导引系统学生姓名：太荣兵张正 珣马新全学校专业：山东建筑大学机械工程及自动化指导教师：张涵G题声音导引系统摘要：这是一部以改造后的玩具车作为声源载体，STC89C52单片机为控制核心的声音导引系统。本系统包括电源模块、直流电机驱动模块、无线电信号传输模块、报警模块、液晶显示模块、声音接收模块、语音模块以及其他电路构成。在此声音引导系统中，可移动声源发出声音信号，三个声音接收器A、B和 C接收到信号，声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可声源离 ox(或 oy 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

2、运动。由定时器完成计时再通过程序处理加数据计算得出声源速度，并由液晶显示速度。关键词：声源；STC89C52；直流电机；无线电信号传输模块；蜂鸣器；液晶；LM298；MMC-1；声控开关；语音模块。1.系统设计1.1 模块方案比较与论证根据题目要求，本系统主要由车体模块、控制器模块、电源模块、无线电信号传输模块、语音模块、直流电机及驱动模块、计时模块、液晶显示模块、声光报警模块、声控模块等构成。本系统的方框图如附图1 和图 2 所示：图 1 系统方框图 1 电源模块主控制器模块1 声音发射模块无线电信号发射模块无线电信号接收模块直流 电机驱动模块液晶显示模块声光报警模块图 2 系统方框图 2

3、为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并进行了论证。1.1.1 车体模块设计方案一：自己制作小车。购买电机，铁板等器件自制小车。方案二：购买玩具小车。选择合适直流减速电机。方案 1 较方案 2 更经济，但是考虑自制小车性能不够稳定，同时考虑时间紧任务重，并且题目对小车性能要求不高，购买小车性能稳定且外观美,因此我们采用的是方案 2。1.1.2 控制器模块方案一：采用可编程逻辑器件CPLD 作为控制器。CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

4、但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高，从使用要求及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案二：采用凌阳公司的16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。方案三：采用 STC89C52 单片机作为主控制器。STC89C52 是一个低功耗，高性能的 52 内核的 CMOS8 位单片机，片内4k 空间的可反复擦些1000 次的 Fl

5、ash只读存储器，具有128 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个 IO 口，2 个16 位可编程定时计数器1。且该系列的 52 单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。我们自己制作52 最小系统板，体积很小，下载程序方便，可与液晶模块跟电机驱动模块等很好地配合。放在车上不会占用太多的空间。从方便实用的角度考虑，我们选择了方案3。1.1.3 电源模块采用 6V蓄电池提供直流减速电机的电源，用12V电源经过电压变换为单片机和传感器供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，直流减速电电源模块主控制器模块2 声音接收模块A 声音接收模块B 声音接收模块

6、C 无线电接收模块无线电发射模块语音模块机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。1.1.4 声音发射模块方案一：采用小喇叭，因为小喇叭功率大，耗费的电能多，另外它的声音不稳定，容易产生噪音，所以我们不选用这种方案。方案二：采用蜂鸣器为发生器，蜂鸣器的体积小，功率小且工作状态稳定，所以我们选择这种方案。1.1.5 声音接收模块方案一：采用声控开关，声控开关主要用于现实生活中作为电灯的开关，因此对开关的灵敏度要求不大，而我们需要灵敏度非常高的声音接受器，因此我们不选择这种方案。方案二:采用驻极体并自己设计电路，这种方法灵活简便且驻极体的灵敏度高，适合我们的要求，因此我们选择这种方案。

7、1.1.6 放大模块设计方案一：采用通用型运算放大器UA741。UA741是美国仙童公司较为早期的产品，由于其性能完善，差模电压范围和共模电压范围宽，增益高，不须加外补偿，功耗较低，负载能力强有输出保护，价格低廉，产品量大面广，因此具有较广泛的应用，但其参数是按工业的普通用途设定的，各方面的性能都较差或中等，其性能指标适合一般性使用。方案二：采用双运算放大器LM358。LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单

8、电源供电的使用运算放大器的场合。方案三：采用仪表放大器AD620。仪表放大器 AD620的增益范围 1-1000，有一只电阻即可设定，电源供应范围正负2.3 伏-正负 18 伏4。低耗电量，可用电池驱动，适用于可携式器材中；精确度高，适用于压力感测方面的应用，如电压感测，一般压力感测器之电桥电路讯号放大，尤其是高精度的医疗方面，但是价格较贵。综合所述，采用 LM358单电源供电，零点漂移小，工作稳定，满足系统的工作要求，故选择方案二。1.1.7 电机模块方案一：采用直流电机作为小车动力源。方案二：采用步进电机作为小车动力源。方案三：采用伺服驱动电机作为小车动力源。步进电机虽然转矩足够大但是占用

9、空间大，驱动麻烦。伺服电机比普通电机性能优越，调速范围更宽宽，扭转力矩大等，但价格昂贵。出于经济原因我们还是采用了直流减速电机。采用L298 来驱动电机正反转。1.1.8 计时模块方案一：采用 52 芯片定时计数中断记录个阶段运动时间。52 芯片有 5 个中断服务，包括计时计数器中断T0、T1，89C52提供两个 16 位的定时计数器。虽然使用单片机通过计数中断可以完成整个过程的计时，没必要增加其他芯片电路。方案二：DS1302时钟芯片。DS1302 是涓流充电时钟芯片内含有一个实时时钟/日历和 31 字节静态RAM 通过简单的串行接口与单片机进行通信实时时钟/日历电路提供秒分时日月年的信息每

10、月的天数和闰年的天数可自动调整时钟操作可通过 AM/PM 指示决定采用 24 或 12 小时格式 DS1302 与单片机之间能简单地采用同步串行的方式进行通信仅需用到三个口线1 RES 复位 2 I/O 数据线 3 SCLK串行时钟时钟/RAM 的读/写数据以一个字节或多达31 个字节的字符组方式通信。出于方便简单考虑我们最终决定选用单片机本身定时功能，采用了方案1。1.1.9 无线电信号传输模块方案一：自制无线电信号传输模块。购买2262、2272、天线，此方法虽然可以降低成本，还可以根据根据自己的要求实现各种功能，但，这种方法需要很多时间，不能在短时间内完成且性能不稳定，因此我们不选这种方

11、法。方案二:购买无线电信号传输模块，自己加以修改在运用，这种方法虽然花费大，无线电发射与接收模块经过编码后受外界干扰程度很小2，性能稳定，制作周期短，符合我们的要求，因此我们选择这种方法。1.2.0 显示模块方案一：用数码管进行显示。数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。但是由于我们计划在显示台显示小车前进的路线、路程，用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。方案二：用 LCD液晶进行显示。LCD由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。对于此系统我们选用2X16的 LCD能够很好的满足显示要求，因此我们选

12、择了此方案。1.2.1 报警模块方案一：选择专门的语音存储芯片LC95900，通过单片机进行录放音的控制。用这种方法简洁方便，较适合于顺序播放。且存储空间合适，能存储总计120s的语音，而本系统必须在短时间内报警，能满足题目要求。方案二：采用简单的蜂鸣器和发光二极管，由于报警时间的限制，并且电路尽量简单的情况下，蜂鸣器和发光二极管是比较好的选择。综合比较而言，我们选用了方案2。1.3 最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：1)小车选择购买的直流减速电机驱动玩具电动车。2)采用 STC89C52 单片机作为主控制器。3)用充电蓄电池为直流电机、单片机、传感器、供电。4)用蜂鸣器作为声音的

13、发射装置。5)采用采用自制的驻极体模块作为声音接收装置。6)采用无线电信号传输模块返回信号。7)采用 MMC-1 控制 L298 进而驱动直流减速电机。8)采用单片机自身定时器功能检测各阶段时间。9)1602A显示可移动声源的平均速度。10）采用简单的蜂鸣器和发光二极管用来报警。2硬件实现及单元电路设计2.1 微控制器模块的设计STC89C52 是 52 内核的单片机。不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序3。我们自己制作的52 最小系统板操作简单，使用方便，可以非常方便的实现各种功能。电路图如图3 所示。图 3 单片机最小系统2.2 采用 12v 电源经过 7805 转换得到

14、5v 电源，得到的电源稳定，如图4 所示。图 4 电源模块2.2 直流电机驱动模块利用一个 L298可以同时控制两台直流减速电机的正反转。电机驱动原理图如图 5 所示。图 5 电机驱动模块用 L298 驱动两台直流减速电机的电路。引脚 6，9 可用于 PWM 控制。如果要控制两个电机正反转，则可将5，10 和 7，12 两对引脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM 信号控制 6，11即可实现正转，反转，加速等功能。2.4 声光报警模块采用蜂鸣器加发光二极管报警，电路简单，成本低，当需要报警时，电路会收到 P口信号，接到触发信号后，报警模块开始报警。如图7 所示。图 7 声光报警

15、模块23 1602A 液晶显示电路调整及设计我们选择1602A 液晶，因为它不仅可以显示数字而且可以显示文字，通过52 芯片将指令输入即可实现数据文字的显示。电路连接方式如图6 所示。EA/VP3 1X11 9X21 8R ESET9R D1 7WR1 6INT01 2INT11 3T01 4T11 5P101P112P123P134P145P156P167P178P003 9P013 8P023 7P033 6P043 5P053 4P063 3P073 2P202 1P212 2P222 3P232 4P242 5P252 6P262 7P272 8PSEN2 9ALE/P3 0TXD1

16、1R X D1 02040U?8 0 5 1VCCVCCJM1 6 0 11VVE1U?C o m p o n en t _ 1SS2VDD304RS5R/W67D08D19D210D31D412D513D614D715LED+16LED-U?图 6 液晶显示模块3软件实现3.1 过程描述首先小车上的无线电信号传输模块发射信号“告诉”声音接收器声源出发，让接收模块开始计时；运动时声源从 OX轴右侧沿垂直于OX轴的方向运动，运动时每 50MS发声模块响一次，声音响10MS。在声响后接收模块收到声音信号后把信号给单片机让单片机进行数据处理，计算出可移动声源与声音接收器A、B、C的距离，然后在计算出

17、可移动声源到轴的距离X和到轴的距离Y。通过声音引导使可移动声源沿垂直于OX线方向运动，我们就通过这个声音引导系统去导引声源沿指定方向运动；另外我们通过Y的值去判断声源到AC轴的距离。当 Y值等于规定的值 50CM 时我们就让小车停止2S，与此同时让小车进行声光报警同时显示这一部分的平均速度。2S后单片机进行 X值与 50CM 大小的判断，当X大于 50 时让小车向左转，X小于 50 时让小车向右转。小车转弯后让小车前进，在这同时启动声音的发射与接收模块，进行上述的一系列发射接收与判断步骤，在这部分中 X值是判断可移动声源是否到达W点的具体数值，Y是确定可移动声源是否走直线的判断依据。当小车走到

18、W点时让小车进行声光报警并通过液晶显示这一部分的平均速度。3.2 程序设计程序流程图如图 8 所示。图 8 系统流程图语音模块发出声音信号和无线电信号接收器接收信号信号返回声源数据处理声源移动方向是否正确声源直走距AC距 离Y=50 声源停止2 秒报警模块报警否是是否小车左转是否距 AB 的距离 X50 否X=50 小车右转是声光报警液晶显示声源的平均速度到达终点4系统功能测试4.1 测试仪器及设备表 1 测试仪器设备清单仪器名称型号用途数量PC机联想调试及下载程序1 数字万用表MASTECH my65 测量各电路工作情况1 秒表记录时间1 4.2 功能测试4.2.1 基本功能测试我们按照下面

19、的调试步骤，逐一实现各功能。并将实验结果以表格形式汇总，如下表所示：基本性能测试数据结果实验内容第一次情况第二次情况第三次情况第四次情况第五次情况步骤（1、2）不理想不理想良好良好良好基本功能经过多次的反复调试，题目要求的基本功能已实现4.2.2 发挥功能测试发挥功能测试数据结果实验内容第一次情况第二次情况第三次情况第四次情况第五次情况步骤（1、2）不理想不理想不理想良好良好基本功能经过多次的反复调试，题目要求的基本功能已实现4.3 测试结果分析测试表明，小车能够很好地完成题目要求的基本要求和发挥部分。各项功能均实现。具体数据记录如下表所示：题目要求功能测试情况任务完成情况基本要求（1）制作可

20、移动声源完成基本要求（2）停止后与 OX轴之间定位误差小于 3CM 完成基本要求（3）可移动声源在移动过程中任意时刻超过 Ox 线左侧距离小于 5cm完成基本要求（4）有明显的声光报警完成基本要求（5）显示速度且速度大于5CM/S 完成发挥部分（1）平均速度大于 10CM/S 完成发挥部分（2）定位误差小于 1CM/S 完成发挥部分（3）可移动声源在移动过程中任意时刻超过 Ox 线左侧距离小于 2cm完成发挥部分（4）可移动声源移动到Ox 线上完成后停止 5s10s后在运动到W 点且此时小车距离W 的直线距离小于 1cm5.参考文献1.张义，陈敌北。例说 89C52 北京：人民邮电出版社，2006 2.徐烨，徐立。实用无线电遥控北京：人民邮电出版社，2002 3.船仓一朗，土屋尧等（日）。机器人控制电子学。宗光华，杨洋，唐伯雁译。北京：科学出版社，2004 4.童诗白，华成英。模拟电子技术基础。北京：高等教育出版社，2003