1、B甲086摘 要在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，根據(jù)題目要求，以AT89S52單片機(jī)為控制核心，加直流電機(jī)及其驅(qū)動電路、音頻脈沖信號產(chǎn)生和接收電路、電源電路及其他電路，我們設(shè)計了聲音導(dǎo)引系統(tǒng)。該聲音導(dǎo)引系統(tǒng)具有產(chǎn)生和接收音頻脈沖信號、智能測距、聲光指示、無線通信等功能。利用MMC-1及LM298N來控制可移動聲源的運動狀態(tài)，并有效地降低了軟件的難度。在聲源行進(jìn)過程中，采用聲波測距模塊進(jìn)行測距，接收器根據(jù)讀取時間計算出聲源距接收點的距離， PT2262及PT2272根據(jù)距離的測量結(jié)果，對聲源的運動進(jìn)行實時調(diào)節(jié)，進(jìn)而確定可移動聲源的運動方式。實驗證明系統(tǒng)設(shè)計靈巧、算法合理、控制準(zhǔn)確，不僅完全實現(xiàn)了題目的基本要

2、求，也基本實現(xiàn)了發(fā)揮部分，并且有所創(chuàng)新。I 目 錄摘要 1方案比較、設(shè)計及論證 12硬件實現(xiàn)電路設(shè)計23 軟件系統(tǒng)的設(shè)計 44測試分析及儀器 55創(chuàng)新點 56結(jié)論 6參考文獻(xiàn) 6附錄一 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)部分實物圖7附錄二 部分原程序81 方案比較、設(shè)計及論證1.1 聲音引導(dǎo)的選擇方案一：采用傳統(tǒng)的揚聲器發(fā)聲，使用駐極體話筒進(jìn)行對信號的接收并通過放大電路進(jìn)行放大。普通揚聲器價格便宜，容易控制，但發(fā)聲頻率較寬，在接收的過程中容易引入環(huán)境聲音或可移動聲源移動時的機(jī)械聲音，從而造成對聲音信號處理的不穩(wěn)定。方案二：將發(fā)音頻率較寬的揚聲器換為發(fā)音頻率較窄而且較高的蜂鳴器發(fā)聲，通過調(diào)節(jié)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。但在

3、測試過程中發(fā)現(xiàn)麥克風(fēng)靈敏度不高，近距離可以實現(xiàn)聲音的檢測，但對于大于30cm以外的聲源相應(yīng)不夠明顯，信號放大后噪聲波形不易判斷，故在此次設(shè)計中不宜采用。方案三：采用頻率較為單一的超聲波進(jìn)行傳輸測量。超聲波指向性強(qiáng)，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，可以完全滿足50cm-100cm距離檢測的要求。超聲波是利用壓電晶體的諧振來進(jìn)行工作的，只有發(fā)射頻率與接收壓電晶體片的固有振蕩頻率相同時，接收端才能對信號作出有效的響應(yīng)。所以采用超聲波發(fā)射產(chǎn)生的單一信號進(jìn)行引導(dǎo)可以有效的避免周圍環(huán)境的影響。通過以上分析可以看出采用超聲波進(jìn)行導(dǎo)引具有其他方案無可比擬的優(yōu)勢。超聲波作為一種不可聞聲波有效的降低了小車行進(jìn)過程的噪聲污

4、染，能較準(zhǔn)確的實現(xiàn)測距功能1。1.2 無線收發(fā)裝置的選擇方案一：采用自制振蕩回路實現(xiàn)無線發(fā)射接收。自制成本低，但高頻振蕩不穩(wěn)定，數(shù)據(jù)傳輸過程中容易造成丟失或出錯。方案二：采用成品發(fā)射接收電路。成本雖略有提高，但性能優(yōu)于自制發(fā)射接收電路，傳輸數(shù)據(jù)準(zhǔn)確穩(wěn)定。在通過對兩種電路測試比較的基礎(chǔ)上，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們采用了成本稍高但性能穩(wěn)定的成品發(fā)射接收電路，有效的提高傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，保證了系統(tǒng)的正常運行。 1.3 主控芯片的選取單片機(jī)控制器是系統(tǒng)的核心，在總體上控制各系統(tǒng)模塊完成各自的功能。對單片機(jī)控制器芯片選取的基本要求是在保證能夠較好的完成各項控制功能的基礎(chǔ)上盡可能的降低成本，以提高其性價比

5、；同時盡量選取操作簡單，性能穩(wěn)定，運行速度較快，功耗相對較低的芯片。AT89S52作為經(jīng)典51系列單片機(jī)具有應(yīng)用靈活、價格低廉、使用方便等特點。本單片機(jī)支持USB和串口下載，操作簡單，易于實現(xiàn)2。根據(jù)本題的要求充分利用本單片機(jī)的資源，能較好的實現(xiàn)各項功能。1.4 數(shù)學(xué)模型建立及數(shù)據(jù)處理方式的優(yōu)化題目要求利用聲音來引導(dǎo)可移動聲源移動到OX線上，然后沿OX到達(dá)平面的中心位置，在此我們提供了以下三種運行方案。方案一：圓弧運動方式。利用超聲波測距模塊返回的時間進(jìn)行距離測算：s=340t（m）。在保證SB不變的情況下使可移動聲源向接收器C運動，當(dāng)時，即可判定可移動聲源到達(dá)OX線段。對于SB小于0.5m的

6、區(qū)域，通過程序?qū)⒖梢苿勇曉从肄D(zhuǎn)90進(jìn)行行進(jìn)并實時判斷SB的距離，直到檢測到SB的長度大于或等于0.6m時進(jìn)行弧線移動。到達(dá)OX后進(jìn)行向左轉(zhuǎn)頭，在保證SA、SB相同距離的條件下運行，使SA（SB）趨近0.707m，當(dāng)距離等于0.707m時停下報警，完成任務(wù)。此方案是我們想出的第一套方案，從理論上分析能夠?qū)崿F(xiàn)大賽的部分要求，但存在部分情況下平均速度過慢，掉頭不靈等問題。方案二：直線測距方式直行方式。通過超聲波傳感器測出可移動聲源距A、B、C三點的距離SA、SB、SC，則可通過公式（x、y分別表示聲源距相鄰兩接1收器的距離）計算出可移動聲源距AB、AC線的距離?？梢苿勇曉丛诒３志嚯xAB線不變的情況下

7、向距AC線減小的方向移動，當(dāng)測得距離AC等于0.5m時停止運動。根據(jù)距離A點的距離控制可移動聲源向左或向右旋轉(zhuǎn)90O，進(jìn)而實現(xiàn)向中心位置的移動。此方案解決了調(diào)頭不靈的問題，理論分析完全可以實現(xiàn)，但程序中存在平方、開方等運算，程序繁冗，MCS-51處理困難。方案三：時間對比直行方式。此方案數(shù)據(jù)不經(jīng)過處理直接進(jìn)行數(shù)據(jù)判斷，根據(jù)讀取時間的不同來控制可移動聲源的運動。開始可移動聲源直接向前運動，并在移動過程中向A、B兩點發(fā)射超聲波，當(dāng)A點接受到的時間落后于B點的時可移動聲源一直前進(jìn)，直到A、B兩點同時檢測到聲音信號時，可移動聲源停止運動。根據(jù)時間t判斷控制小車向左（右）轉(zhuǎn)，進(jìn)而根據(jù)A、C點接受信號的先

8、后順序控制可移動聲源向中心運動。綜合考慮，第三種方案實現(xiàn)容易，算法簡單，足以完成大賽規(guī)定的各種任務(wù)，所以我們選擇了第三套方案來完成本次大賽規(guī)定的任務(wù)。2 硬件電路設(shè)計硬件電路系統(tǒng)主要分為電源模塊、單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、無線收發(fā)模塊、聲光指示模塊。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 圖1. 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖2.1 電源模塊圖2. 電源電路電源是電路的基礎(chǔ)，由于可移動聲源與接收器之間沒有線路的直接連接，我們采用電池分別為兩部分進(jìn)行供電，可移動聲源與接收端采用相同的穩(wěn)壓電路。電源電路4如圖2所示。2.2 單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計2.2.1 接收器單片機(jī)電路接收端單片機(jī)主要由

9、基本的震蕩電路、無線發(fā)射模塊、復(fù)位電路及外部中斷電路組成。由于AT89S52僅有兩個外部中斷源，所以不能同時對三個接收電路返回的信號進(jìn)行響應(yīng)。在實現(xiàn)過程指定的方案中同時測量的接收器小于3個即可實現(xiàn)全部功能，而在三個接收器中A的使用最為頻繁。在電路設(shè)計構(gòu)成中我們將B、C兩個探測信號共用一個外部中斷。22.2.2 可移動聲源中單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計可移動聲源采用兩輪驅(qū)動的三輪小車通過MMC-1芯片對兩個LM298N進(jìn)行控制。同時單片機(jī)最小系統(tǒng)從無線接收模塊讀取數(shù)據(jù)，執(zhí)行主控制芯片發(fā)送的命令。具體實現(xiàn)電路2如圖3所示。 圖3. 可移動聲源控制器電路圖4. 40k超聲波發(fā)生電路 2.3 超聲波模塊超聲波發(fā)生器

10、實際上是利用壓電晶體的諧振來工作的。超聲波有兩個壓電晶片和一個共振板。當(dāng)它的兩極外加脈沖信號，其頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時，將壓迫壓電晶片作振動，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為超聲波接收器了。在電路設(shè)計過程，我們采用555振蕩電路產(chǎn)生40kHz頻率信號給超聲波發(fā)射器供應(yīng)信號，并從接收端讀取信號。在接收端經(jīng)過放大處理電路將信號轉(zhuǎn)換為電平變化后接單片機(jī)中斷進(jìn)行測控，實現(xiàn)單片機(jī)對信號及時響應(yīng)。超聲波模塊只能發(fā)射固定頻率的超聲波，所以我們采用由555定時器構(gòu)成的多諧振蕩電路實現(xiàn)對超聲波

11、發(fā)射模塊的控制，具體電路5如圖4所示。由于單個超聲波發(fā)射接收頭的有效角度為30O，為擴(kuò)大測量范圍，我們模仿雷達(dá)將發(fā)射頭裝在一個能夠自由旋轉(zhuǎn)的可控減速電機(jī)上，使有效范圍擴(kuò)展到了360O有效。2.4 聲光指示系統(tǒng)聲音指示使用的是一個蜂鳴器，通過單片機(jī)給其發(fā)送指令完成聲光指示功能。光指示采用七彩LED，顯示效果十分明顯。2.5 電機(jī)驅(qū)動部分電路設(shè)計電機(jī)驅(qū)動采用芯片MMC-1對LM298N進(jìn)行控制，其電路6如圖5所示。3 圖5. 電機(jī)驅(qū)動電路2.6 無線收發(fā)系統(tǒng)無線收發(fā)前端采用PT2262進(jìn)行編碼。PT2262是一種低功耗CMOS編碼電路7。編碼芯片PT2262接收數(shù)據(jù)后發(fā)出地址碼、數(shù)據(jù)碼、同步碼，編

12、碼通過無線發(fā)射電路向外發(fā)射。在接收端收到信號后將信號送入PT2272進(jìn)行解碼7，將編碼后的一系列數(shù)據(jù)還原回原形式。3 軟件系統(tǒng)的設(shè)計該系統(tǒng)主要采用兩片AT89S52作為控制核心，將外部超聲波模塊采用單片機(jī)的兩個外部中斷進(jìn)行中斷計時，同時保證電機(jī)驅(qū)動及無線收發(fā)的正常運行。圖6. 主程序流程圖可移動聲源在移動過程中，測試兩接收點接收到信號的先后順序判斷可移動聲源是否到達(dá)指定位置。開始運行時，可移動聲源前進(jìn)方向垂直于OX線，在這種情況下我們控制可移動聲源直行。在行駛過程中存在某路線與OX線的交點，在此點發(fā)送的超聲波信號，A、B兩接收器能同時檢測到。到達(dá)這點后即可完成到達(dá)OX線的任務(wù)，停止運動并給出聲

13、光指示，等待7秒后完成后續(xù)任務(wù)?？梢苿勇曉丛陂_始只是直行，可認(rèn)為可移動聲源在短距離移動后方向未發(fā)生變化，然后根據(jù)信號到達(dá)A接收器時間的長短判斷出可移動聲源在中心位置的上側(cè)或下側(cè)，從而控制可移動聲源左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)90O，向中心位置移動。同時向A、C兩接收器發(fā)射信號，當(dāng)A、C同時接收到信號后停止運動，即到達(dá)W點，并再次給出聲光指示。其具體流程框圖8，9如圖6所示。44 測試分析及儀器4.1 測試儀器秒表、米尺、數(shù)字萬用表、雙通道示波器、直流穩(wěn)壓電源等。4.2 速度測試可移動聲源在移動過程中，隨著距OX距離的減小速度逐漸降低，對于在不同距離上的平均速度我們進(jìn)行了多次測量，具體測量結(jié)果如表1所示。表1.

14、可移動聲源距OX的距離與速度關(guān)系測量結(jié)果距OX的距離（cm）T1（s）V1（cm/s）T2（s）V2（cm/s）T3（s）V3（cm/s）V（cm/s）102.334.292.114.742.254.444.49204.364.594.164.814.044.954.78305.245.735.275.695.095.895.80405.936.756.076.595.846.856.73506.138.156.258.006.337.908.02通過上表可以看出隨著距OX的距離減小，可移動聲源的速度逐漸降低，在從大于20 cm的位置起始運動時，小車可以保持大于5cm/s的平均速度運動，而在小

15、于20cm內(nèi)，可移動聲源的運動速度略顯不足，但近距離的慢速運動有利于保證可移動聲源的定位精確性，在協(xié)調(diào)定位精確性與短距離運動速度的方面尚有一定的提升空間，有待進(jìn)一步調(diào)試。4.3 定位誤差測試在保證原先對應(yīng)速度不變的情況下，可移動聲源從距離OX線30cm的地區(qū)出發(fā)，在到達(dá)OX線后測量偏離線的距離并計算誤差，測量結(jié)果如表2所示。表2. 定位誤差測試結(jié)果次數(shù)1234567平均誤差距中心點距離（cm）2.71.91.11.70.81.32.11.66現(xiàn)有條件下，可移動聲源能滿足大賽要求的定位精度，保證偏離在3cm以內(nèi)變化。4.4 誤差分析10影響誤差的因素很多，包括環(huán)境、測量、硬件信號傳輸速率，軟件運

16、行速率等。在本系統(tǒng)中，環(huán)境因素很難加以調(diào)節(jié)。為提高硬件的傳輸速度，應(yīng)盡量使用高速器件，盡量調(diào)節(jié)無線收發(fā)模塊找到最佳發(fā)射狀態(tài)。軟件方面，在保證原先運行速度的基礎(chǔ)上減小超聲波發(fā)射的時間間隔，以便于實時監(jiān)控。5 創(chuàng)新點根據(jù)大賽題目要求，在參考有關(guān)資料和已學(xué)知識的條件下，此方案的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)主要有以下幾個方面的特點：（1）聲音的選取選用了人類不可聞的超聲波。（2）電機(jī)驅(qū)動采用MMC1芯片，進(jìn)行對LM298N的控制，簡化了單片機(jī)的程序。5（3）數(shù)據(jù)處理方面采用時間對比來判斷距兩個接收點的距離的長短，避免了繁冗數(shù)據(jù)處理程序的產(chǎn)生，有效解決了MCS-51計算精度（4）無線收發(fā)過程中采用PT2262、PT22

17、72編解碼芯片，簡化了程序，提高了無線傳輸?shù)目煽啃?。?）采用兩片單片機(jī)進(jìn)行工作，簡化了單個單片機(jī)的工作量。將處理好的數(shù)據(jù)直接反饋給可移動聲源單片機(jī)，避免了由于單片機(jī)處理過多數(shù)據(jù)而導(dǎo)致的可移動聲源反應(yīng)不靈的問題。（6）超聲波的發(fā)射采用旋轉(zhuǎn)式發(fā)射，掃除了盲區(qū)。6 結(jié)論經(jīng)過與小組其他成員的通力協(xié)作、團(tuán)結(jié)互助的奮力拼搏，終于成功完成了聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的設(shè)計。在本次緊張的設(shè)計過程中，我們遇到了各種困難。在超聲波模塊的改造過程中超聲波接收模塊曾一直不接收發(fā)生的信號，經(jīng)過幾個小時的嘗試后，采用向接收模塊發(fā)送虛擬信號的方法來引導(dǎo)接收模塊，最終才得以正常工作，保留了原有的時序工作模式。在無線收發(fā)模塊的作用過程中，

18、為保證順利進(jìn)行并減小PT2622無線速度較慢對可移動聲源反應(yīng)的影響，我們將數(shù)據(jù)處理交給接收點的單片機(jī)，無線只發(fā)送數(shù)據(jù)計算結(jié)果，減小了無線和可移動聲源單片機(jī)的工作量。此次電子大賽讓我們對電路的設(shè)計及程序調(diào)試有了深刻的理解，大大提高了我們分析問題、解決問題的能力，同時也深刻地體會到了共同協(xié)作和團(tuán)隊精神的重要性，培養(yǎng)了我們的團(tuán)隊協(xié)作能力。當(dāng)然，設(shè)計中還有欠缺的方面，有待于在將來的設(shè)計中進(jìn)一步提高。參考文獻(xiàn)1 郁有文，常建，程繼紅.傳感器原理及工程應(yīng)用M. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003：52-96.2 張毅剛, 彭喜源, 譚曉君等.MCS-51單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計M.黑龍江：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，1997：8-22.3 賈立新，王涌等.電子系統(tǒng)設(shè)計與實踐M.北京：清華大學(xué)出版社, 2007：33-102.4 童詩白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)M. 北京：高等教育出版社,2004：637-667.5 余孟嘗等.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)M.北京：高等教育出版社, 2008：373-375.6 日電電子有限公司.電機(jī)控制