【正文】 .......................................................................... 38 移動(dòng)聲波發(fā)生端（電動(dòng)小車）軟件設(shè)計(jì) .................................................................... 39 聲波發(fā)生端程序流程圖 ...................................................................................... 40 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） III 聲波信號(hào)發(fā)生子程序 ......................................................................................... 41 電動(dòng)車轉(zhuǎn)向 90 度、轉(zhuǎn)向 180 度檢測(cè)控制 ............................................................ 41 無(wú)線信號(hào)的通訊協(xié)議 ......................................................................................... 42 聲波接收處理端軟件設(shè)計(jì) ......................................................................................... 42 聲波接收處理端程序流程圖 ............................................................................... 43 電動(dòng)小車起始狀態(tài)的判斷 .................................................................................. 44 通過(guò)接收端接收到電動(dòng)小車聲波信號(hào)的強(qiáng)弱來(lái)進(jìn)行小車初始狀態(tài)判斷。 在電動(dòng)小車控制方法中，國(guó)內(nèi)外高?；净就ㄟ^(guò)程控、尋軌、光源引導(dǎo)方法，如自動(dòng)尋跡小車：能夠沿著路面貼好的黑色軌道行進(jìn)，可以應(yīng)用于需要按照規(guī)定路線行駛的場(chǎng)合；自動(dòng)尋光小車：能夠判別光源發(fā)出光線的強(qiáng)弱調(diào)整行進(jìn)方向，自動(dòng)駛向光源，可以應(yīng)用于設(shè)定光源位置來(lái)進(jìn)行定位的場(chǎng)合，上述兩種技術(shù)方法較為成熟，電路結(jié)構(gòu)、控制程序已經(jīng)模式化，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的技術(shù)指標(biāo)，但通過(guò)聲源定位，來(lái)引導(dǎo)電動(dòng)小車行進(jìn)，國(guó)內(nèi)外高校對(duì)于此類定位技術(shù)的研究尚屬 空白，尚無(wú)可以參考借鑒的技術(shù)資料，現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)生活中，對(duì)于聲音定位的要求存在需求。 此作品在實(shí)際應(yīng)用當(dāng)中可用于聲波定位場(chǎng)所，通過(guò)接收端的靈活定位設(shè)置，以及電動(dòng)車程控的調(diào)整，可以靈活的實(shí)現(xiàn)任意位置定位移動(dòng)要求。將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)后，根據(jù)場(chǎng)地的實(shí)際要求，如何建立準(zhǔn)確高效的數(shù)學(xué)模型也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，聲波定位電動(dòng)車不僅僅需要將自動(dòng)化專業(yè)課程，更需要數(shù) 學(xué)建模等各學(xué)科的綜合考慮，其綜合性強(qiáng)，應(yīng)用廣泛。 為了實(shí)現(xiàn)聲波定位的高精度要求，減小各類誤差也是一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，通過(guò)多次的實(shí)物實(shí)際測(cè)試，可以對(duì)誤差的產(chǎn)生及變化進(jìn)行分析，從而反過(guò)來(lái)對(duì)設(shè)計(jì)制作過(guò)程中干的思路、技術(shù)方法提出改進(jìn)，進(jìn)一步提高對(duì)聲波定位電動(dòng)車整個(gè)系統(tǒng)的掌握和理解，通過(guò)實(shí)際問(wèn)題來(lái)反思理論知識(shí)的學(xué)習(xí)。 這些傳感器將各類信號(hào)有效的轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，為各種檢測(cè)控制技術(shù) 提供了高效的檢測(cè)手段，從而能夠幫助我們進(jìn)行各種復(fù)雜的控制設(shè)計(jì)，應(yīng)用在工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化的過(guò)程中，提供了準(zhǔn)確高效的技術(shù)保障。 目前在國(guó)內(nèi)比較先進(jìn)的是 泛華測(cè)控推出的噪聲源定位分析系統(tǒng) (Sound Source Localization System， SSLS)[1]，綜合了聲源定位、聲源識(shí)別、聲源信號(hào)分離、頻譜分析和聯(lián)合時(shí)頻分析等功能， 將成為輔助設(shè)備降噪設(shè)計(jì) (如汽車、飛機(jī)等降噪設(shè)計(jì) )、噪聲泄漏測(cè)試和機(jī)器故障定位的理想工具。 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 4 智能 電動(dòng)小車 的 發(fā)展歷程 目前在全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中，控制類題目基本是通過(guò)電動(dòng)小車這一載體實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)競(jìng)賽放眼校園外，隨著現(xiàn)代交通的飛速發(fā)展，汽車這已經(jīng)是工業(yè)自動(dòng)化的熱門領(lǐng)域，汽車的智能化控制已經(jīng)成為汽車工業(yè)所關(guān)注的焦點(diǎn)，也是未來(lái)發(fā)展的新趨勢(shì)。 圖 各類電動(dòng)小車模板 目前比較流行的是尋跡小車，自動(dòng)尋跡電動(dòng)小車技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且易于入手，是初學(xué)者學(xué)習(xí)的理想平臺(tái)。 D～ E 間為寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 限速區(qū)，車輛往返均要求以低速通過(guò)，通過(guò)時(shí)間不得少于 8 秒，但不允許在限速 區(qū)內(nèi)停車。 電動(dòng)車到達(dá) B 點(diǎn)以后進(jìn)入“彎道區(qū)”，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)（也可脫離圓弧引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)）。 電動(dòng)車完成上述任務(wù)后應(yīng)立即停車，但全程行駛時(shí)間不能大于 90 秒，行駛時(shí)間達(dá)到 90 秒時(shí)必須立即自動(dòng)停車。電動(dòng)車蹺蹺板起始狀態(tài)和平衡狀態(tài)示意圖分別如圖 所示 。 小結(jié) 由此可見(jiàn)， 電動(dòng)車是將學(xué)校里理論知識(shí)與實(shí)際動(dòng)手操作集合起來(lái)的理想平臺(tái)，在歷屆大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽將電動(dòng)小車各部分功能充分 挖掘的基礎(chǔ)上，此次將聲波定位技術(shù)作為控制電動(dòng)小車的關(guān)鍵核心部分，首次將聲音信號(hào)作為電動(dòng)小車控制轉(zhuǎn)向的主要參考標(biāo)準(zhǔn)，首先將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)即為一項(xiàng)新的技術(shù)難點(diǎn)，在設(shè)計(jì)生產(chǎn)應(yīng)用中，可以將此項(xiàng)技術(shù)作為參考標(biāo)準(zhǔn)，從一個(gè)新的角度來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的控制。 系統(tǒng)要求： 設(shè)計(jì)并制作一聲音 導(dǎo)引 系統(tǒng) ，示意圖如圖所示。 聲音導(dǎo)引系統(tǒng)有一個(gè)聲源電動(dòng)車 S，三個(gè)聲音接收器 A、 B 和 C，聲音接收器之間通過(guò)導(dǎo)線連接。通過(guò)聲波引導(dǎo)，聲源電動(dòng)車最終在 W 點(diǎn)處停車。 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 8 圖 系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模示意圖 起點(diǎn)為 S 點(diǎn)，電動(dòng)小車沿著 S 至 S’ 方向直線運(yùn)動(dòng)，到達(dá) OX 軸之后，電動(dòng)小車轉(zhuǎn)向 90 度，沿著 OX 軸方向，向 W 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，最終停在 W 點(diǎn)。最終將小車的實(shí)際位置，模型化為時(shí)間間隔，完成了整體的數(shù)學(xué)建模。此 時(shí)，接收點(diǎn) A、 B 間聲波接收信號(hào)的時(shí)間差 Tab 越來(lái)越小，接收點(diǎn) A、 B 接收端通過(guò)計(jì)算 A、 B 之間的時(shí)間差來(lái) 判定小車在場(chǎng)地中的位置，引導(dǎo)聲源的運(yùn)動(dòng)。 此時(shí)，對(duì)接收點(diǎn) B、 C 接收到的電平脈沖進(jìn)行時(shí)間差判斷，當(dāng) B、 C 接收點(diǎn)的脈沖時(shí)間差為零時(shí)，即可判斷小車到達(dá)指定點(diǎn)： W 點(diǎn)。 由脈沖 波形 可知，脈沖時(shí)間差越來(lái)越小 ， 通 過(guò)計(jì)算 B、 C 之間的時(shí)間差來(lái) 判定小車在場(chǎng)地中的位置，引導(dǎo)小車向 W 點(diǎn)運(yùn)動(dòng)。 優(yōu)點(diǎn)：接受點(diǎn)位置自由， 每個(gè)接收端有獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理芯片， 每個(gè)工作點(diǎn)擴(kuò)展功能強(qiáng)大，單獨(dú)每個(gè)點(diǎn)的信號(hào)處理能力強(qiáng)，單獨(dú)時(shí)效性高，相互獨(dú)立，不易受干擾而產(chǎn)生誤差 ，并且三個(gè)單片機(jī)能夠獨(dú)立編程調(diào)試 。 缺點(diǎn)： 由于聲波信號(hào)比較微弱，并且易受空氣中各種頻段聲音信號(hào)干擾，需要在 A、 B、 C 三個(gè)接收端將聲波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波處理后，將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，需要加入三個(gè)獨(dú)立的放大濾波以及電壓比較轉(zhuǎn)換電路， 接受點(diǎn)到 單片機(jī) 距離遠(yuǎn)容易引入干擾，單片機(jī)處理速度有限。 A接收點(diǎn) FPGA B B接收點(diǎn) C接收點(diǎn) 聲 波 信 號(hào) A接收點(diǎn) 單片機(jī) B B接收點(diǎn) C接收點(diǎn) 聲 波 信 號(hào) 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 論證： 方案一有多個(gè)單片機(jī)并行工作，速度很快。 而方案二選擇增強(qiáng)型單片機(jī)速度基本能滿足實(shí)現(xiàn) 題目要求精度。 優(yōu)點(diǎn)： 產(chǎn)生的波形干凈，沒(méi)有毛刺，可以不用功率放大電路直接驅(qū)動(dòng)喇叭。 缺點(diǎn)：產(chǎn)生的方波需要一個(gè)功率放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)喇叭。 方案一的這種方產(chǎn)生方式，造成了波頻率誤差范圍較大，無(wú)法滿足聲波定位電動(dòng)車高精度、復(fù)雜控制的要求， 而方波的頻率和周期 精度 對(duì)系統(tǒng) 相當(dāng)大的 影響。 缺點(diǎn)：價(jià)格高，性價(jià)比低，攻好高，需另加步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，體積較大。 論證： 直流電機(jī)在 本設(shè)計(jì)中完全能夠達(dá)到設(shè)計(jì)精度要求，并且電動(dòng)小車體積有限，考慮到電路簡(jiǎn)易程度、性價(jià)比、低功耗多方面的問(wèn)題，直流電機(jī)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)要大于步進(jìn)電機(jī)。 C8051F020 單片機(jī)共有 4 個(gè)外部中斷源也滿足三個(gè)接收點(diǎn)發(fā)出的中斷。 優(yōu)點(diǎn)：由于電磁波比聲波的傳播速度遠(yuǎn)快，聲源距離接收器的距離可以輕松求得。 優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)方便有效，可靠性高。 小結(jié) 從分析 設(shè)計(jì)任務(wù) 性能指標(biāo)要求入手 ， 加以 數(shù)學(xué)建模的輔助，使聲波定位 的整個(gè) 過(guò)程模型化、數(shù)字化， 掌握了聲波定位的詳細(xì)具體過(guò)程 。 ⑵ 電動(dòng)小車以增強(qiáng)型單片機(jī) C8051F330 最小系統(tǒng)為控制核心，集中處理移動(dòng)聲波發(fā)生端（電動(dòng)小車）的所有輸入、輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)聲波電動(dòng)車的精確定位空能 。 ⑺ 通過(guò) RFM12 接收聲波信號(hào)處理端發(fā)送的無(wú)線信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)小車和聲波接收處理端的通信功能，將接收到的無(wú)線信號(hào)送入電動(dòng)小車單片機(jī) C8051F330，再經(jīng)過(guò)單片機(jī)處理，控制小車的運(yùn)動(dòng)。 A 組單獨(dú)為兩個(gè)直流電機(jī)供電， B 組為電動(dòng)小車其余的整個(gè)系統(tǒng)供電。 單片機(jī) C8051F330 芯片是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型 MCU。 功能強(qiáng)，功耗低。 實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)小車的多任務(wù)，高精度的實(shí)時(shí)控制要求。 [2] 使用 、 、 三個(gè) I/O 端口同 NEC 電機(jī)控制 ASSP 芯片 MMC1 進(jìn)行 3 線方式 SPI 通信，單片機(jī)通過(guò)這 3 個(gè) I/O 端口， 將控制信號(hào)傳輸給 MMC1， 從而控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 、 行進(jìn)方向 。 端口 、 ～ ，接收無(wú)線模塊 RFM12信號(hào)： 圖 C8051F330 和 RFM12 芯片 SPI通信方式示意圖 單片機(jī) C8051F330 使 用 、 ～ ， 5個(gè) I/O 端口同 RFM12 無(wú)線模塊進(jìn)行通信， 通信方式為 SPI 通信， 讀取無(wú)線模塊接收到的無(wú)線信號(hào)。 buf_data[0]=FIFO_data[0]。需要將單片機(jī) I/O 端口寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 接到功率放大電路。如圖 ，電容 C4 是引腳 1 和 8 在交流通路中短路，使 Au≈ 200； C3 為旁路電容 ； C C2 為去耦電容，濾掉高頻交流成分。 本設(shè)計(jì)用到了其中的 5 個(gè)。 表 MMC1芯片電機(jī)控制寄存器 符號(hào) 地址 名稱 寫入內(nèi)容 實(shí)現(xiàn)功能 復(fù)位后內(nèi)容 Ch1Mode 00H 通道 1工作模式寄存器 0xc0 直流電機(jī) A正轉(zhuǎn) 00H Ch1Duty 03H 通道 1 占空比給定寄存器 0x18 直流電機(jī) A 的 PWM 波 占空比 % 00H Ch3Mode 08H 通道 3工作模式寄存器 0xc0 直流電機(jī) B正轉(zhuǎn) 00H Ch3Duty 0BH 通道 3 占空比給定寄存器 0x25 直流電機(jī) B 的 PWM 波 占空比 % 00H SynMode 0CH 同步模式寄存器 0x00 通道 3不同步 00H 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 26 注： Ch1Duty 與 Ch3Duty 占空比不相等，是由于實(shí)際調(diào)試時(shí)，電機(jī) A、 B運(yùn)行時(shí)不配對(duì)，需要通過(guò)占空比來(lái)調(diào)整使其輸出轉(zhuǎn)速一樣， 從而實(shí)現(xiàn)直線行駛。 MMC1 芯片 輸出 控制電機(jī) 時(shí)序： ?正向輸出時(shí)序： 圖 正向輸出時(shí)序 ?反向輸出時(shí)序： 圖 反向輸出時(shí)序 MMC1 與 C8051F330主控芯片的 SPI 通訊： ① 基本時(shí)序： ?SCK 由 C8051F330D的 引腳給出，在 SCK 的下降沿時(shí)改變 S0 狀態(tài)， SCK 的上升沿時(shí)讀入 SI 端口數(shù)據(jù)，高位在先。 ?寫數(shù)據(jù)幀命令字字節(jié)高 4 位為寫命令字，固定為十六進(jìn)制 5；低四位為寄存器地址（十六進(jìn)制 0～ C） 。返回進(jìn)入睡眠模式前的狀態(tài)。 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 圖 車輪碼盤 圖 紅外對(duì)管檢測(cè)車輪 通過(guò)對(duì) A、 B 車輪的速度檢測(cè)，可以調(diào)整使其通速轉(zhuǎn)動(dòng)， 保證了 電動(dòng)小車的直線運(yùn)動(dòng)。 電路外加 一個(gè)晶振 ,一個(gè)旁路電容和一個(gè)外置天線 ， 組成 了 帶有 PLL 技術(shù)的高可靠性的收發(fā)系統(tǒng) ,應(yīng)用在電動(dòng)小車上的無(wú)線模塊 做為接收端。 本設(shè)計(jì)采用的是 868MHZ 頻段。 寧波大學(xué) 信息科學(xué)與工程 學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 聲波接收處理端硬件電路設(shè)計(jì) 總體設(shè)計(jì) 聲波接收處理端硬件電路總體共分為 3 大部分，分別為： ⑴ C8051F020 單片機(jī)最小系統(tǒng) ⑵ A、 B、 C 接收點(diǎn)聲波接 收預(yù)處理 （放大、濾波、電壓比較） 電路 ⑶ RFM12 無(wú)線信號(hào)發(fā)送電路 圖 A、 C 接收點(diǎn)實(shí)物圖 圖 C8051F020 最小系統(tǒng)、 B 接收點(diǎn)、無(wú)線發(fā)射電路實(shí)物圖 ⑴聲波接收端以增強(qiáng)型單片機(jī) C8051F020 最小系統(tǒng)為控制核心，集中處理 A、 B、 C 三個(gè)聲波接收點(diǎn)將聲波預(yù)處理后的電信號(hào)，并且對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)高速運(yùn)算， 判斷電動(dòng)小車在場(chǎng)地中的實(shí)際位置，并通過(guò)控制無(wú)線發(fā)射信號(hào)，控制電動(dòng)小車移動(dòng)到場(chǎng)地指定位置，是整個(gè)聲波定位系統(tǒng)真正的運(yùn)算、控制核心