AT mega16单片机NEC芯片ASSP（型号MMC-1）控制直流减速电机实现小车驱动.docx

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1、摘要：本系统以两块ATmega16单片机作为可移动声源的控制核心和三个声音接收器的信息处理单元，采用自制的电动小车与压电陶瓷发声器组成的可移动生源，以NEC芯片ASSP(型号MMCT)控制直流减速电机实现小车驱动，使用压电陶瓷片作为声音接收器，使用A7105实现声音导引系统和声源的无线通讯；本系统可在较短时间内完成可移动声源从出发点到OX线的引导，到达指定位置后发出明显的声光指示，并进一步定位在W点，完成较精确的声音定位功能。关键词：声音引导；无线控制；电动小车；Abstract:Thissystemismain1ymadeupofsixparts.Theyarethecontro1modu1

2、e,whosecenterisATmega161sing1e-chipmicrocontro11er,themovab1esoundermadeupofasma11dynamoe1ectriccarandapiezoceramice1ement,themotorcontro11erNEC,ASSP(MMC-I)zthemicrophonemodu1ea1sousingthepiezoceramice1ementandthewire1esscommunicationmodu1eA7105fortheguidingprocess.Thissystemcou1dfinishtheguidingtas

3、ktotheOX1ine,andmakeaudib1eandvisua1indicationthere,then,guidethesoundertotheWpart.Keywords:soundguide;wire1esscontro1;sma11dynamoe1ectriccar1系统方案1.1 总体设计动小车，使用无线模块与地面声波监测系统通信，并装有光电模块以指示引导任务的完成。地面引导系统使用另一块单片机作为引导信号的处理核心，分错误！未找到引用源。析声音接收模块反馈的信息，并通过无线收发模块控制可移动声源的行进。系统模块框图如图1所示。1.2 方案论证1.2.1 声音导引方案论证与选

4、择方案一：可移动声源规定放在OX线的右侧，已知声源到地面三固定点A、B、C的距离就可以唯一确定声源相对OX线和0y线的距离。利用声音传输到三点的时间，计算出相应距离，即可精确计算出小车的位置。该方案计算量过大，单片机难以快速实现，而使用高端CP1J又大大增加系统成本，使性价比过低。用MAT1AB得到的计算公式如下：方案二：利用声音在不同距离传播的时间差，作为声源到OX线（或0y线）误差信息。经声波接收电路，放大、滤波、整形后转化为方波的相位延迟信息。0.OIin的距离声音传播时间为3（HAS左右，单片机几兆的时钟频率完全可以达到精确度的要求。算法上，通过比较从两固定点反馈的时间差，检测到差值就

5、驱动声源移动，直到消除差值为止，此时便到达两定点的中垂线。本方案简单可靠，单片机即可实现。方案选择：综上所述，为了使系统更简单可靠，性价比高，采用方案二。1.2.2 声波发生与接收方案论证与选择方案一：使用普通有源扬声器发出较高频率的声音信号，以驻极体咪头接收声音信号。声波的产生和接收都匹配合适的放大电路。在接收端，进行放大、滤波和整形，以实现声信号到电信号的转换。本方案成本低，经设计可以得到较好的电信号。另一方面，普通有源扬声器和驻极体咪头发出和接收的最佳频率只有几K,很容易受外界干扰。方案二：使用压电陶瓷片作为声波的发生和接收元件。设计合适的R1C振荡电路选频，以防止其他频率声音的干扰。本

6、方案在考虑低成本的基础上，提高声波的频率（十几千赫），增加了系统的抗干扰性，并降低了选频电路设计的难度。方案选择：由以上分析，选择方案二。1.2.3 可移动声源驱动方案论证与选择方案一：采用步进电机。由于步进电机可在脉冲的作用下旋转特定角度，控制精度高，便于移位计算，有利于减小系统误差。步进电机的缺点是转速不够平稳,运行会发生振荡，控制复杂，工作时需要连续提供一定的时序脉冲。方案二:采用直流电机。直流电机价格便宜，速度快，重量轻，驱动简单。但不便于控制，对于本系统相对精确的定位要求很难实现。方案三：采用直流减速电机，直流减速电机体积小，重量轻，调速性能优良，转动力矩大，控制精确性比一般直流电机

7、大大加强。另外价格便宜，速度快的优点更加符合本系统的设计要求。方案选择：基于性价比、速度、重量和精确度的综合考虑，直流减速电机最适合本系统，选择方案三。对于电机的控制采用大赛指定芯片MMCT和NEC推荐驱动芯片1298。1.2.4 主控芯片的选择考虑到一定的频率要求（精确到30HS的检测）以及性价比和功耗等因素，选用AtnICI公司的InagaI61单片机作为主控模块。MCgaI61是高性能、低功耗的8位微处理器。速度最高支持8MHz,已满足本设计的需要。在1MHz,3V,25。C时的功耗为：正常模式：11mA；空闲模式：0.35mA；掉电模式：1Ao1.2.5无线通讯方案论证与选择无线模块选

8、用的A7105是一颗成本低廉可应用2.4GISM频段的射频收发芯片，是业界应用于低功耗无线产品系统成本最低的多通道芯片。1.2.6 声光指示模块方案作为可移动光源到达指定位置的指示，使用1ED闪烁和声波发生器产生一段简单音乐的方案。本方案指示明显且人性化，使用原有声波发生器，节省专用指示声音发生模块，使系统性价比和功耗都大大降低。1.2.7 电源模块方案论证与选择方案一:可移动声源使用四节普通5号电池，直接向电机(额定电压6V)供电，经降压后，5V向单片机供电，3.3V向无线模块供电。但是普通干电池容量太小，且不可重复使用，性价比低，不符合可持续发展的理念。方案二：使用锂电池。锂电池有更高的重

9、量能量比、体积能量比，可充电重复使用，无记忆效应。从长期使用的角度看，锂电池性价比很高。方案三：使用聚合物电池。聚合物电池是锂离子电池的一种。但相对于普通液锂电池(1i-ion)性能更为优越，重量能量比、体积能量比更高，十分便于携带,在保证系统供电性能的同时大大增加可移动声源的灵活性。另外，聚合物电池更加安全不会产生漏液与燃烧爆炸等问题。方案选择：根据以上分析，结合本次大赛对性价比的要求，从可持续发展和使用安全等性能综合考虑选择方案三。对于地面引导系统，直接采用自制电源外接220V工频。1.3 系统总体方案经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下：主控单元：AVR系列的8位单片

10、机mega161；(2)无线模块：无线收发模块A7105；声波发生和接收模块：压电陶瓷片及放大、滤波、整流电路。驱动模块：直流减速电机，NEC电机控制芯片MMCT,1298芯片声光指示模块1ED灯点亮电路及声波发生模块（仅在到达指定位置使用）电源模块：可移动声源采用12V聚合物电池，地面系统采用自制电源2理论分析与计算2.1 误差信号产生分析如图2系统示意图所示以到OX线的误差信号为例进行分析。误差信号来源于可移动声源到A、B两点的距离差1o这段距离除以声速即可得到我们所测量的时间差，公式如下：T=1Vf2.2测方法通过测量同一个声音脉冲到达各个接受器的时间差，来确定小车距目的地的误差，以此引

11、导小车的运动。1 .设定声音脉冲周期为50ms,其中有声波的时间为IOms,频率16ko2 .三个声音接收器接到单片机A图2系统不意图的三个中断处，上升沿触发，中断函数中记录时间，时间由内部16位时钟timer1提供。3 .将得到的时间值相减即得到两信号的时间误差，将此误差通过无线传输给驱动小车的单片机B,单片机B以此误差为标准校准自己的速度，并最终到达目的地并停止。误差分析：1 .测量脉冲为50ms,信息通过单片机A发送到单片机B需时间约2ms,如果小车的速度为IOCIns,那么小车在这段时间里走过路程0.5Cm左右。能够满足测量要求，且速度可以灵活的调整。2 .我们用一片单片机测量两路信号

12、，但单片机不能并行处理数据，当两路信号同时到达时，单片机依据中断优先级来先后处理信号，那么就不会得到准确的数据，为了尽可能戒少误差，三个中断函数完全对称。中断处理需要10个时钟周期，在8m晶振下处理时间为1.25us,声速按340ms算，则换算成距离后为0.425cmo局限，由于所发送的声音脉冲固定，如果距离很远的话，会出现两列波相差几个周期，而这时不能测量的，所以最大距离取决于一个脉冲的周期，在50ms下，最大可测0.05*340m=17m,实际，由于测量问题达不到这么长距离。2.3控制方法OX线的定位根据题目要求可移动声源开始运行的方向应和OX线保持垂直。默认声源前行，检测声音信号到A、B

13、两点的时间差。差值为正或大于设定值，则控制声源继续前行。差值为正且大小逐渐减小则继续前行；差值为正且大小逐渐增大，则控制声源倒转（此项用于实现发挥部分功能）；差值为零或小于设定值，则判断到达OX线，停止电机驱动，发出声光指示。W点的定位：声源到达OX线后，切换到对C、A两点信号的检测状态。声源默认前行。当所测时间差值绝对值逐渐减小，则驱动小车继续前行，差值绝对值逐渐增加，则驱动小车倒行；当所测时间差值为零或在设定范围以内，则判断声源到达W点，发出声光指示。设定值的参数是考虑了三个接收端固有时间延时的误差以及小车控制误差的经验值。3电路与程序设计3.1系统总体硬件连接图见附件图表1系统连接图3.

14、2单元电路设计3.2.1Mega161单片机最小系统见附件图表4单片机最小系统3.2.2声波发生和接收模块见附件图表6声波发生和接收模块3.2.3无线模块见附件图表5无线模块3.2.4电机驱动模块见附件图表2电机控制和图表3电机驱动3.3软件设计3.3.1软件组成程序由以下模块构成：主程序，无线传输芯片A7105驱动，声音产生模块，nec电机驱动模块，4时间差测量模块，指示灯和音乐发生模块。3. 3.2软件流程流程图见附录图表7程序流程图3.3 .3平衡点查找函数流程流程图见附录错误!未找到引用源。4系统测试与结果分析3.4 基础部分测试3.4.1 测试仪器与工具自制防滑测试区（长15m,宽1

15、5m,测试区为橡胶层，铺于地面，A、B、C三点按要求放置，用白线标出OX和OY,交点为W,线宽0.3Cm）秒表，米尺3.4.2 测试方法将可移动声源放于OX轴的右侧并正对该轴，打开开关，小车自动运行。用秒表测定可移动声源的响应时间t,用米尺测量小车起始位置到OX线的距离d,定位误差故，及超过OX线左侧的最大距离SmaX。结果见表格1基础部分测试结果。3.4.3 数据记录如表格1基础部分测试结果所示表格1基础部分测试结果响应时间t（单位:S）到OX线距离d（单位:Cm）平均速度（单位:Cm用）定位误差心（单位:Cm）最大偏移距离（单位:Cm）第一次测试4.550（bY上侧）11.10.91.5第二次测试5.360（OY上侧）11.20.71.8第三次测试2.630（Y上侧）11.50.71.4第四次测试4.650（Or下侧）10.80.81.8第五次测试5.260（OY下侧）11.50.61.2第六次测试2.730（OY下侧）11.10.91.6平均4.154711.20.771.554.1.4测试结果本系统很好完成声音导引任务，而且具有很好的可靠性。