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1、本科毕业设计（论文）题目：声波定位电动车设计 分 院 信息科学与工程学院 专 业 电气工程与自动化 摘要【摘要】本系统以增强型单片机c8051f020和c8051f330为控制核心，使用电动小车作为移动声源载体。使用NEC的电机控制芯片ASSP_MMC-1控制直流电机。声源由f330单片机产生周期性声音信号。接收端使用麦克风接收声音信号，信号经比例放大、滤波、电压比较后送入f020单片机。接收端通过计算声音到达三个接受端的时间差来控制小车的运动。【关键词】声音引导，单片机，时间，偏差目录摘要I目录IV1引言11.1选题的意义和背景11.1.1选题的背景11.1.2选题的意义21.2声控技术、电
2、动小车控制的发应用21.2.1各类传感器的介绍21.2.2声音定位技术的发展31.2.3智能电动小车的发展历程41.3小结62声波定位电动车控制系统设计72.1数学建模分析72.2动态过程分析82.3声波定位电动车系统各方案设计论证112.3.1接收端主控处理芯片工作方式的论证112.3.2声波产生方式的选择132.3.3电动小车电机的选择142.3.4声波发生端、声波接收端的单片机时效性的论证142.3.5实现时间差检测功能的方案论证与分析152.4小结163声波定位电动车硬件电路设计173.1系统整体实现方框图173.2移动声波发生端（电动小车）硬件电路设计183.2.1总体设计183.2
3、.2电动小车电源设计193.2.3C8051F330单片机最小系统设计193.2.4LM386声波功率放大电路223.2.5NEC电机控制ASSP芯片MMC-1处理电路、LB1836直流电机驱动电路243.2.6LM339车轮码盘检测电路283.2.7RFM-12无线信号接收电路303.3声波接收处理端硬件电路设计313.3.1总体设计313.3.2C8051F020最小系统硬件电路设计323.3.3A、B、C接收点声波接收预处理电路硬件设计333.3.4RFM-12无线信号发送电路353.4小结364软件设计384.1概述384.2声波定位过程384.3移动声波发生端（电动小车）软件设计39
4、4.3.1声波发生端程序流程图404.3.2声波信号发生子程序414.3.3电动车转向90度、转向180度检测控制414.3.4无线信号的通讯协议424.4声波接收处理端软件设计424.4.1声波接收处理端程序流程图434.4.2电动小车起始状态的判断44通过接收端接收到电动小车声波信号的强弱来进行小车初始状态判断。44当电动小车正向放置于起点时，喇叭正对A点驻极体话筒，A点接收到的信号强，驻极体话筒采集到的电压信号能够通过信号预处理电路的阈值电压，从而输出大量的脉冲信号。44当电动小车反向放置于起点时，喇叭背对A点驻极体话筒，A点接收到的信号弱，驻极体话筒采集到的电压信号有一部分不能够通过信
5、号预处理电路的阈值电压比较，导致输出的脉冲信号减少。444.4.3处理A、B、C三个接收点的脉冲信号，判断电动小车位置464.4.4控制无线模块发送无线信号，指引小车运动504.5小结515系统测试及误差分析525.1测量仪器525.2测试方法525.3数据测量分析525.4总结52参考文献53致谢541引言1.1 选题的意义和背景1.1.1 选题的背景目前，国内外高校控制类的电子产品制作一直是一项热点，其中大多数以电动小车为载体，通过控制其行进方向或其他动作来实现相应的功能，将这些电子制作加以适当的改进即可成为产品，以满足人们日常生产、生活中的各类需求，此类电子产品应用性强，拥有广阔的市场前
6、景。在电动小车控制方法中，国内外高校基本基本通过程控、寻轨、光源引导方法，如自动寻迹小车：能够沿着路面贴好的黑色轨道行进，可以应用于需要按照规定路线行驶的场合；自动寻光小车：能够判别光源发出光线的强弱调整行进方向，自动驶向光源，可以应用于设定光源位置来进行定位的场合，上述两种技术方法较为成熟，电路结构、控制程序已经模式化，可实现复杂的技术指标，但通过声源定位，来引导电动小车行进，国内外高校对于此类定位技术的研究尚属空白，尚无可以参考借鉴的技术资料，现实生产生活中，对于声音定位的要求存在需求。声波定位电动车作为一个控制类的电子作品，对声波的发生装置、接收装置均有较高的技术指标要求，通过声波信号的
7、变化进行定位信号的控制，较以往电动小车类作品提出了更高的信号分析、处理技术指标要求。以往控制信号的检测，通过各类传感器实现：如寻迹小车通过红外对管对黑线检测输出高低电平信号加以区分，通过对数字量信号的比较处理执行行驶转向操作；寻光小车通过光敏电阻对光线强弱的变化输出连续的不同电压值信号，通过A/D转换得到不同的数字量信号，从而控制行驶方向。声波定位电动车，声源设在电动车上，接收电路设置在场地的三个角落，采用喇叭产生声波、驻极体话筒接收声波信号，此两部分制作产品技术成熟，本设计难点是将声波信号的变化转换、分析成控制信号输出给电动车驱动器，最终实现声波定位电动车，控制其行进到指定位置的要求。此作品
8、在实际应用当中可用于声波定位场所，通过接收端的灵活定位设置，以及电动车程控的调整，可以灵活的实现任意位置定位移动要求。通过对全国大学生电子设计竞赛历届竞赛题目的分析，控制类的命题方向绝大部分都是通过智能电动车为载体，从最早的自动寻迹电动车，经过逐年的发展与延伸，技术指标要求越来越高，已经不再仅仅是简单的寻迹转向，已经将更多的检测技术与更复杂的控制算法结合起来，如寻光避障，金属探测，语音控制等，所涉及的应用性学科越来越广，并且在实际生产生活中也存在这广泛的应用空间，可以通过电动小车来实现一些特定功能，并在一些工作环境比较恶劣或苛刻的条件下代替人们进行各种作业，如火灾现场探测车，搜救车，各种有污染
9、、有危险的化工厂生产环境。从实际出发考虑，可以将历次电子设计竞赛的电动智能车的应用扩展出来，稍加改动，即可应用于各类实际应用场合。结合大学生实际的知识水平与现有资源，电动车也是将学校里理论知识与实际动手操作集合起来的理想平台，在历届大学生电子设计竞赛将电动小车各部分功能充分挖掘的基础上，此次将声波定位技术作为控制电动小车的关键核心部分，首次将声音信号作为电动小车控制转向的主要参考标准，首先将声波信号转换成电信号即为一项新的技术难点，在设计生产应用中，可以将此项技术作为参考标准，从一个新的角度来实现电动车的控制。将声波信号转换为电信号后，根据场地的实际要求，如何建立准确高效的数学模型也是一个技术
10、难点，声波定位电动车不仅仅需要将自动化专业课程，更需要数学建模等各学科的综合考虑，其综合性强，应用广泛。1.1.2 选题的意义在当今高校电子信息类的控制类电子制作中，电动小车的应用已经相当普遍，由于其应用性强，扩展性高，易于高校师生学习研究，也历年被全国大学生电子设计竞赛采用为控制类题目的必选器件。通过对历年以来的全国大学生电子设计竞赛的题目和一些作品的分析，发现越来越多的控制类题目将小车的作为载体，通过移动方向定位等要求，将单片机控制、电机控制、声光提示、各类传感器的应用、SPI通信、无线通信、复杂控制算法软件编程等各类工科学科综合起来，实现各种复杂的功能控制。在声波定位电动车的设计中，建立
11、精确简洁的数学模型也是一个重要环节，一个简洁的数学模型可以简化数据算法的处理，为软件编程提供便利，以及进一步减小误差的产生，这也需要扎实的高等数学知识基础，及良好的应用能力。为了实现声波定位的高精度要求，减小各类误差也是一个技术难点，通过多次的实物实际测试，可以对误差的产生及变化进行分析，从而反过来对设计制作过程中干的思路、技术方法提出改进，进一步提高对声波定位电动车整个系统的掌握和理解，通过实际问题来反思理论知识的学习。1.2 声控技术、电动小车控制的发应用1.2.1 各类传感器的介绍随着科学技术的不断发展，各种检测技术都在不断的创新和改进，在大学生电子设计竞赛中，传感器一直以来都是控制类题
12、目的热点，从最早的红外对管进行寻迹检测，光敏电阻进行寻光检测，一直到现在的超声波探头测距，金属传感器探测铁片等等。以上均是将各种不同种类的其他信号转换为电信号。 图1.2.1.1 红外对管、光敏电阻、超声波探头、金属探测传感器实物如红外对管利用了黑白轨道对光的反射不同，从而使红外对管输出不同的高低电压；光敏电阻利用了对光源照射方向不同的强弱，改变其电阻值，进而通过电压取样，将光照的强弱转变为电压的高低；超声波利用了高频段的声音传播速度非常快的特性，将发射和反射时间进行计算而得出距离；金属探测传感器通过检测铁片的有无而输出高低电平信号。这些传感器将各类信号有效的转换为电信号，为各种检测控制技术提
13、供了高效的检测手段，从而能够帮助我们进行各种复杂的控制设计，应用在工业生产自动化的过程中，提供了准确高效的技术保障。 传感器的应用，对我们在校大学生也是非常重要的，通过对一种传感器的学习、调试、使用，可以将理论知识与实际的生产有效的结合起来，将所学的专业信息有机的结合起来，通过传感器这一桥梁，有效的将理论知识综合应用，组合到一起，加上所学纯理论的控制算法，初步构成自动控制系统。1.2.2 声音定位技术的发展目前声波检测技术在国内外也一直是一个比较热门的学科，由于声音信号的传播，可以通过各种介质，这就决定了声波检测定位技术非常广泛的应用领域。声波信号的检测技术的分类很广，研究深度各有不同。目前在
14、国内比较先进的是泛华测控推出的噪声源定位分析系统(Sound Source Localization System，SSLS)1，综合了声源定位、声源识别、声源信号分离、频谱分析和联合时频分析等功能，将成为辅助设备降噪设计(如汽车、飞机等降噪设计)、噪声泄漏测试和机器故障定位的理想工具。号称“ 声音照相机”的SSLS，操作方式十分简便：只需将麦克风阵列置于设备前方一定位置并运行系统软件，即可对设备噪声进行采集与分析。其中，麦克风阵列进行声场信号捕捉，PXI平台实行多通道同步采集信号，系统软件负责声信号的分析、显示与保存等。泛华测控的SSLS独特之处在于：在允许的分辨率范围内能同时对多个声源进行
15、精确定位；无需贴近被测对象表面(d)，在增大“视野”的同时，摆脱传统“近场声全息方法”对阵列位置的约束；阵型的灵活配置，适应不同的声场状况；通过声场能量分布图片的直观显示，可快速找到被测对象上噪声源的所在位置。1.2.3 智能电动小车的发展历程 目前在全国大学生电子设计竞赛中，控制类题目基本是通过电动小车这一载体实现的，通过竞赛放眼校园外，随着现代交通的飞速发展，汽车这已经是工业自动化的热门领域，汽车的智能化控制已经成为汽车工业所关注的焦点，也是未来发展的新趋势。 利用高科技手段，将电子化和智能化用于汽车控制室对汽车工业的一次变革。越来越多的研究方向已经向着微电子控制领域深入，这种发展趋势，也
16、深深的影响着各高校电子信息类的专业教学与学习。 通过历年电子设计竞赛的总结，要对电动小车实施控制并不是一个简单的电子控制问题，只有将机械学、理学、光学等各方面的知识与只能电子控制（单片机、FPGA、ARM等）应用技术完美的结合，电动小车的自动控制才能得心应手。图1.2.3.1 各类电动小车模板 目前比较流行的是寻迹小车，自动寻迹电动小车技术已经比较成熟，并且易于入手，是初学者学习的理想平台。在历届大学生电子设计竞赛中，对电动小车的技术要求越来越高，我们做如下总结：2001年第五届全国大学生电子设计竞赛 C题自动往返电动小汽车图1.2.3.2 自动往返小汽车示意图要求设计制作一个能自动往返与起跑
17、线与重点的小汽车，车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。DE间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。2003年第六届全国大学生电子设计竞赛 E题简易智能电动车图1.2.3.3 简易智能电动车示意图设计并制作一个简易智能电动车，按图路线行驶，从起点出发，沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有
18、13块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。 电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。 电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。2007年第八届全国大学生电子设计竞赛 F题电动车跷跷板图
19、1.2.3.4 电动车跷跷板示意图设计并制作一个电动车跷跷板，在跷跷板起始端A一侧装有可移动的配重。配重的位置可以在从始端开始的 200mm600mm范围内调整，调整步长不大于 50mm；配重可拆卸。电动车从起始端A出发，可以自动在跷跷板上行驶。电动车跷跷板起始状态和平衡状态示意图分别如图所示。在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：电动车从起始端A出发，在 30 秒钟内行驶到中心点C附近； 60秒钟之内，电动车在中心点C附近使跷跷板处于平衡状态，保持平衡 5 秒钟，并给出明显的平衡指示；电动车从中的平衡点出发，30 秒钟内行驶到跷跷板末端B处（车头距跷跷板末端B不大于 50mm）；电动车在B
20、点停止 5秒后，1 分钟内倒退回起始端A，完成整个行程；在整个行驶过程中，电动车始终在跷跷板上，并分阶段实时显示电动车行驶所用的时间。将电动车放置在地面距离跷跷板起始端A点 300mm以外、90扇形区域内某一指定位置（车头朝向跷跷板），电动车能够自动驶上跷跷板。1.3 小结由此可见，电动车是将学校里理论知识与实际动手操作集合起来的理想平台，在历届大学生电子设计竞赛将电动小车各部分功能充分挖掘的基础上，此次将声波定位技术作为控制电动小车的关键核心部分，首次将声音信号作为电动小车控制转向的主要参考标准，首先将声波信号转换成电信号即为一项新的技术难点，在设计生产应用中，可以将此项技术作为参考标准，从
21、一个新的角度来实现电动车的控制。2 声波定位电动车控制系统设计本系统总体上由两大部分组成。分别为移动声波发生端（电动小车），以及声波接收模处理端。两个模块之间的通信通过无线信号进行数据的交互，实现声波定位控制。系统要求：设计并制作一声音导引系统，示意图如图所示。图中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，Oy是AC的中垂线，W是Ox和Oy的交点。声音导引系统有一个声源电动车S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间通过导线连接。声音接收器能利用声源电动车S和接收器A、B、C之间的不同距离，产生一个生源电动车离Ox线（或Oy线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至声源电动车，引导其运动。
22、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。通过声波引导，声源电动车最终在W点处停车。电动小车开始运行的方向和OX轴保持垂直，并且将电动小车转向180度，电动小车能够自动识别起始运动状态信息，自行调整运动方向完成行驶路线要求。 图2.1 声波定位电动车场地示意图2.1 数学建模分析根据题目要求，将场地A、B、C三个接受点和最终行驶目标：W点坐标进行数学建模。电动小车设为S点，将A、B、C三个接收点的接收声波的时间差进行对比，最终确定控制小车的方案，数学建模示意图如图。 图2.1.1 系统数学建模示意图起点为S点，电动小车沿着S至S方向直线运动，到达OX轴之后，电动小车转向90度，
23、沿着OX轴方向，向W点运动，最终停在W点。电动小车从S点运动到S，时间差Tab随着声源的运动而减小，当时间差减小到接近零时，控制小车停止运动。由向S点向W点的运动方式也是类似，主要的改变是通过A、C之间的时间差来引导小车运动。通过声波为载体，将声音信号转换为电信号，从而得到时间差这一时间信号。最终将小车的实际位置，模型化为时间间隔，完成了整体的数学建模。2.2 动态过程分析小车在起点S点图2.2.1.1 起点S点实物图 图2.2.1.2 A、B接收点脉冲脉冲时间差小车在起点S点，向OX轴运动过程中，声波信号不断被接收点A、B收到，小车到达OX轴之前，总是A点先接收到声波，B点晚接收到声波。通过
24、电路将声波信号转换为电平脉冲信号，此时A、B接收点接收到的声波脉冲波形如图，由图2.2.12可知：A点电平脉冲信号先于B点，这样，就可以通过接收端A、B对电平脉冲时间差的判断计算，得出声波信号的时间差，从而计算得出小车的实际位置。小车位于S点和S点间图2.2.2.1 S点和S点间实物图 图2.2.2.2 A、B接收点脉冲时间差随着小车的直线运动，其逐渐接近A、B接收点中垂线OX轴。此时，接收点A、B间声波接收信号的时间差Tab越来越小，接收点A、B接收端通过计算A、B之间的时间差来判定小车在场地中的位置，引导声源的运动。小车到达OX轴图2.2.3.1 到达OX轴实物图 图2.2.3.2 A、B
25、接收点脉冲时间差当小车运动到达OX轴位置时，小车上声波信号到达A、B接收点的距离相同，从而A、B接收点收到的脉冲电平信号的为同时到达，即时间差为零，此时接收端可以判定小车到达指定位置，立即通过无线信号控制小车停下。通过小车的直线运动和时间差的判断使小车从起点S运动到指定点S。小车在S点转向90度 到达OX轴后，电动小车调整运动方向，有S点向W点转向90度，沿着OX轴向W点继续做直线运动。 此时，对接收点B、C接收到的电平脉冲进行时间差判断，当B、C接收点的脉冲时间差为零时，即可判断小车到达指定点：W点。图2.2.4.1 S点转向90度实物图小车在S点完成转向图2.2.5.1 S点完成转向实物图
26、 图2.2.5.2 B、C接收点脉冲时间差小车在S点向W点运动过程中，声波信号不断被接收点B、C收到，小车到达W点之前，总是C点先接收到声波，B点晚接收到声波。通过电路将声波信号转换为电平脉冲信号，此时B、C接收点接收到的声波脉冲波形如图，由图2.2.52可知：C点电平脉冲信号先于B点，这样，就可以通过接收端B、C对电平脉冲时间差的判断计算，得出声波信号的时间差，从而计算得出小车的实际位置。小车位于S点和W点间图2.2.6.1 S点和W点间实物图 图2.2.6.2 B、C接收点脉冲时间差随着小车的直线运动，其逐渐接近B、C接收点中垂线OY轴，即接近场地中心W点。由脉冲波形可知，脉冲时间差越来越
27、小，通过计算B、C之间的时间差来判定小车在场地中的位置，引导小车向W点运动。小车到达W点图2.2.7.1 到达W点实物图 图2.2.7.2 B、C接收点脉冲时间差当小车到达W点时， 小车上声波信号到达B、C接收点的距离相同，从而B、C接收点收到的脉冲电平信号的为同时到达，即时间差为零，此时接收端可以判定小车到达指定位置，立即通过无线信号控制小车停下。小车到达最终制定地点W点，完成所有动作。2.3 声波定位电动车系统各方案设计论证2.3.1 接收端主控处理芯片工作方式的论证方案一：A接收点单片机BB单片机AB接收点C接收点单片机C声波信号图2.3.1.1 方案一示意图采用单片机做为主控芯片，分别
28、在A、B、C三个接收点放置3个单片机，在每个声波信号接收点就近对采样声波信号进行采样分析。优点：接受点位置自由，每个接收端有独立的数据处理芯片，每个工作点扩展功能强大，单独每个点的信号处理能力强，单独时效性高，相互独立，不易受干扰而产生误差，并且三个单片机能够独立编程调试。缺点：需要三个单片机间通讯，性价比比较低，功耗高，并且对于声波信号时间先后的处理，不仅需要每个单片机的计算，还需加入单片机间通信环节，并且三个单片机的时钟不易统一，启动时间同步性要求较高，容易产生误差，导致同步实时性弱，继而影响电动车的定位精度。方案二：A接收点单片机BB接收点C接收点声波信号图2.3.1.2 方案二示意图采
29、用单片机作为主控芯片，只设置一个单片机接收A、B、C三个声波接收点的信号，作为信号集中处理主控中心。优点：性价比高，功耗低，三个接收点的信号送入同一块单片机中，控制方便，系统架构简洁明了，能够满足接收端启动时间的同步性，时钟能够统一，并且易于软件编程调试。缺点：由于声波信号比较微弱，并且易受空气中各种频段声音信号干扰，需要在A、B、C三个接收端将声波信号进行放大、滤波处理后，将模拟量转换为数字量，需要加入三个独立的放大滤波以及电压比较转换电路，接受点到单片机距离远容易引入干扰，单片机处理速度有限。方案三：A接收点FPGABB接收点C接收点声波信号图2.3.1.3 方案三示意图采用FPGA作为控
30、制芯片，由一片FPGA芯片接收A、B、C三个声波接收点的信号，作为信号集中处理主控中心。优点：处理速度快，时效性好。缺点：FPGA价格较高，导致性价比较低，并且功耗相对于单片机而言比较高，其控制功能较差，对于接收端与声波发生端的电动车通信能力较弱，并且控制无线模块、显示模块困难。论证：方案一有多个单片机并行工作，速度很快。能够满足本系统有较高的处理速度要求，但是由于同步性难以实现，所以不能使用。方案三FPGA有很高的处理速度，很好的满足这个要求。但系统对无线的控制也是方案成败的根本，所以方案三不适合。而方案二选择增强型单片机速度基本能满足实现题目要求精度。而且接收点间距离并不大，干扰容易避免。
31、综上所述，拟选定方案二。2.3.2 声波产生方式的选择方案一：555方波产生电路单片机喇叭图2.3.2.1 方案一示意图由555电路产生一定频率的波形。优点：产生的波形干净，没有毛刺，可以不用功率放大电路直接驱动喇叭。缺点：产生的波形不利于单片机的控制。方案二： 功放电路单片机喇叭图2.3.2.2 方案二示意图由单片机直接产生设定频率的波形。优点：对产生的方波的频率和周期能很好的控制。缺点：产生的方波需要一个功率放大电路来驱动喇叭。论证：方案一的优势在本系统中作用不大。方案二更适合系统高精度的要求，并且更加适宜于系统的控制。首先其产生的方波频率只能由电路本身的硬件结构决定，不能够进行改变调整，
32、并且硬件电路一旦确定，方波的频率就无法再改变，不易于后期制作的调试与更改，会对后期的调试造成一定的障碍。方案一的这种方产生方式，造成了波频率误差范围较大，无法满足声波定位电动车高精度、复杂控制的要求，而方波的频率和周期精度对系统相当大的影响。综上所述，拟选用方案二。2.3.3 电动小车电机的选择方案一：步进电机驱动电路单片机步进电机图2.4.1 方案一示意图采用步进电机控制小车行驶。优点：易于控制，能够实现精确的定位要求。缺点：价格高，性价比低，攻好高，需另加步进电机驱动电路，体积较大。方案二：直流电机单片机图2.4.2 方案二示意图采用直流电机控制小车行驶。优点：性价比高，功耗低，电路简单，
33、能够由单片机直接控制。缺点：相较步进电机控制精度低。论证： 直流电机在本设计中完全能够达到设计精度要求，并且电动小车体积有限，考虑到电路简易程度、性价比、低功耗多方面的问题，直流电机应用的优势要大于步进电机。综上所述，拟选用方案二。2.3.4 声波发生端、声波接收端的单片机时效性的论证接收端使用C8051F020单片机最小系统版，采用外部晶振24MHz，则时钟周期 = 0.042us,根据系统算法的设计，根据声源发出的声波到达三个接收点的时间差来推算出小车的运动情况。如果将系统的精度要求为1cm，声波传送的速度为344m/s则：时间精度 Te = 0.01/344 = 30usC8051F02
34、0单片机在一个时间精度能，能够执行的指令个数N为：=714系统的误差产生主要是来自于接收端和声源之间的无线通信，而无线通信主要的耗时来自单片机内无线指令的执行，而1cm误差范围内的714条指令时间足够执行无线指令。C8051F020单片机共有4个外部中断源也满足三个接收点发出的中断。在声源控制上采用C8051F330单片机，主要负责和接收点之间的无线通信，控制小车运动，产生周期性声波等操作，C8051F330单片机的工作频率完全能够达到要求，由此可见，采用C8051F330单片机即能实现系统高精度的要求，又能实现高性价比，低功耗的目标。声波产生端电动小车运动端C8051F330单片机时钟频率：
35、12MHz声波接收处理端C8051F020单片机时钟频率：24MHz运动控制信号声波信号图2.3.4.1 方案论证示意图综合考虑，在满足发声波和接收处理声波信号以及控制电动小车运动的前提下，结合性价比、低功耗的要求，本设计采用接收端C8051F020单片机作为主控芯片，在声波发生端采用C8051F330单片机，这样的配置是可行有效的，能满足本系统的各种要求。2.3.5 实现时间差检测功能的方案论证与分析方案一：电动小车发射声波发射无线信号信号接收处理端接收声波接收无线信号无线信号声波信号图2.3.5.1 方案一示意图移动声源发出声音的同时给接收器发送无线信号，接收器以收到信号到收到声音的时间计
36、算出声源离接受器的距离。优点：由于电磁波比声波的传播速度远快，声源距离接收器的距离可以轻松求得。缺点：电动小车需要和接收端做到时钟同步，易产生误差。无线传输实际不理想，同步性差。方案二：电动小车发射声波信号接收处理端接收声波声波信号图2.3.5.2 方案二示意图声源发出的周期性声音，通过接收器三个接受点接收到声音的时间差来计算移动声源是否到达两个接受点连线的中垂线。优点：实现方便有效，可靠性高。缺点：对信号接收处理端的运算能力、时效性，提出了比较高的要求。论证： 方案一由于需要对电动小车和信号处理接收端的时钟进行同步处理，容易产生比较大的误差，实现起来比较困那，而方案二虽然对信号接收处理端运算
37、能力提出了比较高的要求，然而C8051F020单片机的时钟频率和运算能力足够能够实现上述功能。 综上所述，拟选用方案二。2.4 小结从分析设计任务性能指标要求入手，加以数学建模的辅助，使声波定位的整个过程模型化、数字化，掌握了声波定位的详细具体过程。 确定了以A、B、C三个接收点接收到声波时间差为参考量，每次两两一组判别，来判断电动小车准确位置。通过方案论证，初步确定了各方案：论证了接收端主控处理芯片工作方式，用一个单片机集中处理三个接收点的声波信号；论证了声波产生方式，单片机输出方波，经功放电路驱动喇叭产生2KHz的声波；论证了使用两个直流电机驱动电动小车的运动；计算论证了了声波发生端、接收
38、端单片机晶振频率的时效性；论证了通过使用声波信号一种参考量，来检测时间差；3 声波定位电动车硬件电路设计3.1 系统整体实现方框图接收点C接收点B接收点A放大滤波放大滤波放大滤波C8051F020单片机无线发射C8051F330单片机无线接收功放电路声源喇叭声波信号NEC电机驱动电路MMC1声波接收处理端移动声波发生端（电动小车）电机A电机B车轮A码盘检测车轮B码盘检测无线信号图3.1.1 系统框图基于上述各方案的论证与分析，在保证声波定位精准实现的前提下，同时兼顾高性价比和低功耗的目标，确定了声波定位电动车的最终方案。全部作品实物图如图所示：图3.1.2 声波定位系统整体实物图3.2 移动声
39、波发生端（电动小车）硬件电路设计3.2.1 总体设计移动声波发生端（电动小车）硬件电路总体共分为7大模块，分别为：独立供电电源C8051F330单片机最小系统LM386声波功率放大电路NEC电机控制ASSP芯片MMC-1处理电路LB1836直流电机驱动电路LM339车轮码盘检测电路RFM-12无线信号接收电路图3.2.1.1 电动车实物图1图3.2.1.2 电动车实物图2移动声波发生端采用电池供电，并且分两路电源，分别对整个电路系统和两个直流电机供电，保证了电源的电压的准确，提高了系统的稳定性。电动小车以增强型单片机C8051F330最小系统为控制核心，集中处理移动声波发生端（电动小车）的所有
40、输入、输出信号，实现声波电动车的精确定位空能。通过LM386声波功率放大电路将单片机输出的周期性方波信号放大，驱动后级82W喇叭，产生周期性声波信号。、通过NEC电机控制ASSP专用芯片MMC-1控制左右A、B两路电机，将芯片MMC-1的控制信号通过LB1836直流电机驱动电路驱动左右A、B两路电机的运转。通过LM339车轮码盘检测电路，将左右A、B两个车轮所转的圈数进行技术，将计数值送入单片机，构成闭环控制系统，保证了电动小车行驶定位的高精度。通过RFM-12接收声波信号处理端发送的无线信号，实现了电动小车和声波接收处理端的通信功能，将接收到的无线信号送入电动小车单片机C8051F330，再
41、经过单片机处理，控制小车的运动。3.2.2 电动小车电源设计图3.2.2.1 电动车电源电源选择：考虑到电动小车为一个独立的整体运动系统， 故选择干电池作为其电源。优点是能够独固定在电动小车上供电，不必依靠外界线路，并且干电池电压稳定，不受交流插座电源纹波电压等影响。供电方式：总共使用1.5V的5号电池4节，分为A、B两组电源供电，每组直流电压为3V。A组单独为两个直流电机供电，B组为电动小车其余的整个系统供电。由于电机运转时对电源的影响比较大，故选择2节电池单独为电动小车的2个电机供电，减小对系统电压的影响。两组电池共地，保证电动小车电源的准确稳定。3.2.3 C8051F330单片机最小系
42、统设计图3.2.3.1 C8051F330最小系统原理图电动小车以增强型单片机C8051F020最小系统为控制核心，集中处理移动声波发生端（电动小车）的所有输入、输出信号，实现声波电动车的精确定位空能。单片机C8051F330芯片是完全集成的混合信号片上系统型 MCU。具有片内上电复位、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F330/1 是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051 固件。用户软件对所有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以节省功耗。功能强，功耗低。在电动小车控制中心的设计中，
43、要实现一个多任务实时系统，并且时效性要求高，而C8051F330扩展的中断系统向 CIP-51 提供14 个中断源（标准 8051 只有7 个中断源） 。同时，C8051F330允许大量的模拟和数字外设中断微控制器。这些增加的中断源是非常有用的,并且中断驱动的系统需要较少的 MCU干预，因而有更高的执行效率。实现了电动小车的多任务，高精度的实时控制要求。端口P1.4-LM386，输出声波信号: 使用C8051F330的P1.4口输出频率为2kHz，幅值为2.75V的方波信号。虽然单片机I/O端口输出电压能够达到2.75V,但是由于其输出电流比较小，为了能够驱动8的喇叭，故将信号经过I/O口P1
44、.4输送到LM386功率放大电路模块驱动8的喇叭，产生2kHz的声波，为声波定位电动车系统提供参考信号。端口P1.5、P1.6、P1.7-MMC-1，进行SPI通信：从器件（MMC-1芯片）SD-TXDSO-RXDSCK主器件（C8051F0330）P1.5-SOP1.6-SDP1.7SCK SPI通信 图3.2.3.2 C8051F330和MMC-1芯片SPI通信方式示意图 单片机C8051F330和MMC-1芯片为3线单主单从方式SPI通信。2使用P1.5、P1.6、P1.7三个I/O端口同NEC电机控制ASSP芯片MMC-1进行3线方式SPI通信，单片机通过这3个I/O端口，将控制信号传
45、输给MMC-1，从而控制小车电机的转动、行进方向。通过这3个端口通讯的信息：电机A、B的型号，直流电机或步进电机；电机A、B的工作方式，正向或反向运转；电机A、B的占空比；端口分配方式：P1.5使用为SO端口，作为单片机的接收，漏极开路方式；P1.6使用为SD端口，作为单片机的发送，推挽方式；P1.7使用为SCK端口，作为串行时钟，推挽方式；端口P0.0、P0.1-LM353，接收车轮码盘计数脉冲： C8051F330通过I/O口P0.0、P0.1接收A、B两个车轮的码盘脉冲信号，单片机对脉冲信号进行计数处理。PO.O和P0.1通过交叉开关配置，将脉冲信号送入配置为计数器0、1，触发方式为边沿方式，单