C8051F120单片机 移动声源 声音导引 无线通信.docx

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1、摘要：本次设计根据课题要求，以C8051F120单片机的最小控制系统为核心,由可移动声源子系统和接收器子系统构成，包括集成电机驱动模块，电池模块，声源发生模块，音频接收处理模块，无线收发模块，显示模块等。以周期性音频脉冲信号为声源，通过功率放大等处理后，接收模块接收信号并进行处理，再发送无线传输信号，控制移动声源，引导其按照要求行驶至规定位置，并同时显示移动声源的运动状态，实现对可移动声源的导引功能。关键词：C8051F120单片机移动声源声音导引无线通信Abstract：Accordingtothedesignrequirements,usingtheC8051F120MCUasthecor

2、econtro1system.Thesystemformsbythemobi1esoundsourcesubsystemandreceiversubsystem.Integratedmotordrivemodu1e,batterymodu1e,soundsourcemodu1e,theaudioreceiverprocessingmodu1e,wire1esstransceivermodu1e,disp1aymodu1e.AudioPu1seasaninformationsource,dockingreceivedsigna1sandthencontro1thetraffictotheprov

3、isionsofitsrequired1ocationbysendingthecontro1commandbywire1ess.Atthesametime,thesystemcanshowtheworkingstatusofmovingsoundsource.Comp1eteguidetomovingsoundsourcefunctions.Keywords：C8051F120microcontro11er,movingsoundsource,voiceguidance,wire1essdatatransmission目录摘要1Abstract1目录2一、系统方案与论证31.1 模块方案论证与

4、选择31.2 系统方案51.3 系统方案总框图5二、系统硬件设计与实现62.1 单片机主控制62.2 声源发生模块62. 3音频接收处理模块62.4 电机驱动模块设计62.5 电机模块62.6 声音导引子系统62.7显示示意部分62.8电源模块6三、系统软件实现63.1总程序流程图63. 2移动光源子程序流程74. 3接收器子程序流程7四、系统调试与分析结论741系统调试75. 2分析与结论8五、系统功能、指标参数8六、竞赛总结8七、附录87.1主要元器件清单97.2声源定位方案理论计算97.3各模块原理图H八、参考文献13声音导引系统一、系统方案与论证1.1模块方案论证与选择(1)核心控制器

5、采用Cygna1公司的C8051F120单片机，其具有高速、流水线结构的8051兼容的C1P-51内核，64K可编程FIaSh存储器，5个通用的16位定时器，6个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列，是完全集成的混合信号片上系统型MCU芯片。并具有数字I/O接口和UART串行接口，AD,DA转换，输出PWM波等功能。集成度高，可靠性好，性能强大的特点。根据题目要求和发挥范围，综合考虑后，本设计采用方案二。(2)移动载体类型方案一：使用市场上的两轮驱动模式小车，控制灵活，轻载时转向灵敏，但车体较重，转向性不良，甚至堵转。方案二：使用大功率坦克车体，其采用电感的大扭力260马达，大组合斜齿+金

6、属齿，形成大扭力、低噪音的稳定性高的底盘系统。可原地转圈，转弯灵活。是优秀的嵌入控制平台。但噪声干扰大,很大程度上影响接收器的对声源的接收。方案三：自制小车。灵活机动，能完成平稳运行，原地转圈，准确转弯等功能，且噪声小，不会干扰系统中接收器对声源信号的接收。达到很好的性价比。故采用此方案，以自制小车作为移动声源载体，实现声源移动。(3)电机驱动模块根据比赛要求，采用组委会提供的电机控制ASSP芯片(型号MMCT)oMMC-I为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，基于NEC电子16位通用MC(PD78F1203)固化专用程序实现。为主控MCU扩展专用电机控制功能。通过UART或SP1串行

7、接口，配合1298N恒压恒流桥式2A驱动芯片，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。(4)电机模块方案一：采用直流减速电机控制小车的运动，直流减速电机力矩大，转动速度快，但其制动能力差,且工作起来声音较大，无法达到小车及时停的要求。方案二：使用伺服电机。此电机体积小，重量轻，无自转现象，运行平稳，能实现精确转弯。驱动方便，噪声小，避免产生干扰接收器对声源的接收。也可以满足系统要求，但无法用电机控制ASSP芯片(型号MMCT)控制。方案三：采用直流电机控制小车的运动，能实现小车的精确控制，运转平稳,扭矩大。噪声小，驱动方便。使用组委会提供的电机控制ASSP芯片(型号MMC-I)配合12

8、98N恒压恒流桥式2A驱动芯片驱动，为小车提供充足动力。同时避免产生干扰接收器对声源的接收。经综合考虑，我们选择此方案(5)声音导引子系统1 .声源发生部分方案一：使用蜂鸣器发出“嘀、嘀、嘀声音，但效果不佳。方案二：使用通过单片机产生方波，频率为6.6KHZo经过硬件电路，调制成音频信号，以扬声器发出频率可调声音。杂音少，频率恒定，区别于其它声源。易于麦克风的接收辨别。因此采用此方案。2 .接收子系统实现部分自制三个接收器A、B、Co接收音频信号，经过分立元件硬件电路处理放大信号。方案一：先启动接收器B,在S可移动声源发出音频，单片机1启动定时器,当接收器B接收到后，立即通过无线传输给单片机1

9、,立即关闭定时器。以此测得音频传播的时间，换算出S可移动声源与接收器B的距离，关闭接收器B。同理依次测出S可移动声源分别与接收器A、C的距离。通过定时时比较SA与SB、SB与SC的距离得出S可移动声源的位置。通过无线收发模块反馈给单片机1,控制可移动声源(坦克车)移动。方案二：扬声器定时(IOms)发出音频，每一次音频发出时，利用接收器B和接收器A,测出音频到达两者的时间差，时间差逐渐减小时，可移动光源继续前进。直至时间差为零时，移动光源停止向前移动。即可移动声源移动到达OX线。可移动声源在原地停止8s后，利用接收器A和接收器C,判断出移动光源位置，移动光源转向(原地打转90度)后，同理测出音

10、频到达两者的时间差,引导移光源动至W点。此方案避免了音频测距的误差及单片机处理测距耗用时间导致的小车的反应时间较慢。方案三：通过A,B,C三个接收器，在系统工作开始时，接收器系统模块通过无线数传方式给可移动声源系统模块发送开始指令，可移动声源系统模块反馈发出音频信号，接收器系统模块三个接收器接收音频信号，测出A,B之间和A,C之间接收到的时间差，从而单片机对可移动声源进行定位，从而通过无线数传方式传送给可移动声源路线指令，可移动声源执行程序完成任务。此方案避免声源发声的时间延缓而造成的测距误差和时间滞后，解决系统反应出现极大误差，做到精确导航。(6)无线收发模块为了实现移动声源与接收器之间的通

11、信，采用CRM2400TNC2.4G无线数传模块。此模块具有低压、低功耗、高效率、性价比高的特点。14脚双排接口，可直接与TT1/COMS电平MeU引脚连接，使用简单，适用于中速短距串行数据传输,稳定可靠。完全符合系统设计要求，实现对移动声源进行定位，准确导引移动声源移动至指定位置。(7)显示示意部分由发光二极管实时显示移动光源的工作状态，配合扬声器发声，做到人性化设计。(8)电源模块方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉。影响小车机动性。方案二：锂电池组供电，可提供800mAh电流，重量轻，功率大，携带轻松。足以为系统各个模块提供充足电力。1.2系统方案设计为了满足任务要求和拓展功能

12、，总的设计方案如下：（1）采用两片单片机分别作为移动声源和接收器的主控板。（2）使用CRM2400TNC无线数传模块进行无线通信。（3）自制小车作为声源载体，电机选用直流电机，发光二极管作为指示灯。（4）采用组委会提供的电机控制ASSP芯片（型号MMCT）配合1298N恒压恒流桥式2A驱动芯片驱动直流电机。（5）以扬声器为主,搭建分立元器件，构成声源系统。（6）以麦克风为主,搭建分立元器件，构成声源接收系统。（8）采用两组大功率小体积锂电池组。分别为两个子系统提供充足电力。13系统方案总框图系统由可移动声源和接收器两系统模块构成，其间以无线方式进行通信。二、系统硬件设计与实现2.1 单片机控制

13、：C8051F120单片机内部结构及最小系统硬件连接图见附录Figure6o2.2 电机驱动模块设计：电机驱动电路见附录FigUre7,8o2. 3声源发生模块:在小车上安装声源发生器模块,周期性发出音频信号。2.4 音频接收处理模块:通过M1C接收声源发出的信号，信号经过三极管放大后接跟随器，跟随器输出信号通过两个比较器与设定值比较，比较后的两路信号接或门的两输入端，或门输出接D触发器的时钟，D输入端接高电平，输出接单片机。接收处理硬件电路图见附录FigUre9o2.5 无线收发模块:实现两片单片机的通信，以此完成对移动声源的控制。无线收发模块硬件版图见附录FigUreIOo三、系统软件实现

14、3.1系统总程序流程图Figure2系统总程序流程图3.2接收器系统模块程序流程图3.3移动声源程序流程图发送音频信号初始化、1节接收无线传输三个接收器接收信号PCA定时器捕获算出移动光源坐标.发送声源的运动指令结束一)Figure3移动光源系统模块程序流程图Figure4接收器子程序流程图四、系统调试与分析4.1系统调试(1)测试仪器按照题目所给示意图，自制系统测试平台。1.20MHZ普通示波器2.函数信号发生器3.直流稳压电源4.秒表：精度0.O1s5.2米卷尺：精度Imm6.四位半数字万用表(2)测试结果与分析一、到达情况。测试数据如下表：次数与ox线距离(cm)到达W点距离(cm)10

15、.80.5210.730.8140.90.8二、至IJ达OX线平均速度。V=二，其中v:平均速度，X：可移动声源到Ox线的垂直距离,tt：响应时间。测试数据如下表：表2次数123456789平均速度(cms)1().310.510.610.810.810.31().610.610.2(4)到达OX线后，运动到W点平均速度。V2=w,其中V2:平均速度,X2：可移动声源在OX线重新启动位置到移动停止的直线距离，T2：再次时间。测试数据如下表：表3次数123456789平均速度(cms)1010.510.61011.210.811.310.211.2(5)分析：经过测试，从上表数据知，声源平均速度大于IOCms,与OX线定位误差小于Icm1移动过程中不超过OX线左侧距离1cm,W点定位误差小于ICn1,到达目的后有明显的声光指示，而且功耗低，性价比高。各项指标均达到要