【導(dǎo)讀】本系統(tǒng)以增強(qiáng)型單片機(jī)c8051f020和c8051f330為控制核心，使用電動(dòng)小車作為移動(dòng)聲源載體。NEC的電機(jī)控制芯片ASSP_MMC-1控制直流電機(jī)。聲源由f330單片機(jī)產(chǎn)生周期性聲音信號。接收端使用麥克風(fēng)接收聲。音信號，信號經(jīng)比例放大、濾波、電壓比較后送入f020單片機(jī)。接收端通過計(jì)算聲音到達(dá)三個(gè)接受端的時(shí)間差來控制

　　

【正文】 6， LM386 是專為低損耗電源所設(shè)計(jì)的功率放大器，它內(nèi)建增益為 20，通過 PIN1 和 PIN8 腳位間電容的搭配，增益最 高可達(dá) 200。 并且 LM386 可使用電池為供應(yīng)電源，輸入電壓范圍可由 4V～ 12V，器件在不工作的時(shí)候處于低功耗模式，此時(shí)的工作電流僅為 4mA[4]，且失真低，滿足了高性價(jià)比、低功耗的性能指標(biāo)要求。 本設(shè)計(jì)采用的即為 LM386 的最大增益模式，將聲波信號在電源規(guī)定至的范圍內(nèi)進(jìn)行最大化處理。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。 圖 LM386 輸出聲波波形 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 24 NEC 電機(jī)控制 ASSP芯片 MMC1 處理電路、 LB1836 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 圖 MMC1芯片電路、 LB1836 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖 本設(shè)計(jì)采用 NEC 公司的專用電機(jī)控制芯片 MMC1，其 為多通道兩相四線式步進(jìn)電機(jī) /直流電機(jī)控制芯片，基于 NEC 電子 16 位通用 MCU（ PD78F1203）固化專用程序?qū)崿F(xiàn)。 MMC1 應(yīng)用在本系統(tǒng)中的優(yōu)勢： ?三通道步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)控制， 可以同時(shí)控制最多三個(gè)電機(jī)， 電機(jī)類型可以自由配置 ，本設(shè)計(jì)中采用 MMC1 芯片控制兩路直流電機(jī) ； ?主控 MCU 通過 UART 或者 SPI 串型接口控制 ，本設(shè)計(jì)中采用主控單片機(jī) C8051F330 通過 SPI通信控制 MMC1 芯片 ； ?直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制 ，本設(shè)計(jì)中通過電機(jī)的正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)了小車的靈活轉(zhuǎn)向； ?直流電機(jī)的速度控制 256 檔 ，本設(shè)計(jì)中通過占空比的調(diào)整實(shí)現(xiàn)了精確的速度控制，以及高精度的運(yùn)動(dòng)定位； ?過電流檢測功能 ，提高了本系統(tǒng)的整體安全性； ?兩通道、三通道同步功能 ，能夠?qū)陕冯姍C(jī)實(shí)現(xiàn)同步精確控制； ?睡眠模式 ，能夠降低功耗。 圖 MMC1芯片結(jié)構(gòu)框圖 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） 25 MMC1 控制電路 中使用到的引腳說明： 管腳 2 29CH1SEN、 CH2SEN、 CH3SEN： 電機(jī)通道 3 過流檢測，輸入電壓超過 1/8Vdd 時(shí) ，通道 3 輸出停止，若不使用 此功能， 可通過電阻（ 10K）接地 ； 管腳 18CH3STB2/CH3DCDIR： 輸出 管腳，控制直流電機(jī) 3， 直流電機(jī) 3 的方向給定 ； 管腳 19CH3STA2/CH3DCPWM： 輸出管腳，控制 直流電機(jī) 3，直流 電機(jī) 3 的 PWM 波 輸出 ； 管腳 22CH1STB2/CH1DCDIR： 輸出 管腳，控制直流電機(jī) 1， 直流電機(jī) 1 的方向給定 ； 管腳 23CH1STA2/CH1DCPWM： 輸出管腳，控制 直流電機(jī) 1，直流 電機(jī) 1 的 PWM 波 輸出 ； 直流電機(jī)控制寄存器： MMC1 內(nèi)部共有 13 個(gè)寄存器， 用于設(shè)定， 控制三通道電機(jī)工作。 本設(shè)計(jì)用到了其中的 5 個(gè)。 寄存器地址 00H~0CH，低四位有效， 每個(gè)寄存器固定長度 8 位。 通過串行接口訪問。 復(fù)位后所有寄存器內(nèi)容為 00H。 表 MMC1芯片電機(jī)控制寄存器 符號 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，需要通過占空比來調(diào)整使其輸出轉(zhuǎn)速一樣， 從而實(shí)現(xiàn)直線行駛。此多為電機(jī)實(shí)際誤差引起， 這種誤差 雖然不可避免，但是可以調(diào)整消除。 直流電機(jī)控制功能 ： 本設(shè)計(jì)中，電動(dòng)小車的 直流電機(jī) A（ B） 需要 CH1DCPW、 CH1DCDIR（ CH3DCPW、 CH3DCDIR） 兩個(gè)引腳， CH1DCPWM （ CH3DCPWM） 用于 PWM 輸出， CH1DCDIR（ CH3DCDIR） 用于指定電機(jī)轉(zhuǎn)向， 后級接入 LB1836 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 ，驅(qū)動(dòng)電機(jī) A、 B 轉(zhuǎn)動(dòng) 。輸出頻率固定 16KHz，通過調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。 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。 ?SCK 頻率： 500Hz～ 100KHz。 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） 27 圖 MMC1 芯片同 C8051F020 通訊 SPI 基本時(shí)序圖 ② 通訊協(xié)議： 寫數(shù)據(jù)： ?主控 C8051F330 發(fā)送寫數(shù)據(jù)幀給 MMC1， MMC1 接收后無數(shù)據(jù) 返回。 ?寫數(shù)據(jù)幀包括兩個(gè)字節(jié)，命令字及寄存器數(shù)據(jù)，命令字字節(jié)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） 。 圖 MMC1芯片 SPI 通訊寫數(shù)據(jù)時(shí)序圖 讀數(shù)據(jù)： ?主控 C8051F330 發(fā)送讀數(shù)據(jù)幀給 MMC1， MMC1 接收后返回相應(yīng)寄存器數(shù)據(jù)。 ?讀數(shù)據(jù)幀包括一個(gè)命令字字節(jié)，高 4 位為讀命令字，固定為十六進(jìn)制 A；低四 位為寄存器地址（十六進(jìn)制 0～ C） 圖 MMC1芯片 SPI 通訊讀數(shù)據(jù)時(shí)序圖 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 28 MMC1 睡 眠模式 : MMC1 在正常工作模式時(shí)， SLEEP 引腳輸入邏輯低電平， MMC1 停止工作，進(jìn)入睡眠模式，此時(shí) MMC1 進(jìn)入低功耗狀態(tài)，內(nèi)部寄存器內(nèi)容保持。 MMC1 進(jìn)入睡眠模式時(shí)， SLEEP 引腳輸入邏輯高電平，可解除睡眠模式，進(jìn)入正常工作模式。返回進(jìn)入睡眠模式前的狀態(tài)。 通過 SLEEP 功能的使用，可以進(jìn)一步降低電動(dòng)車的功耗。 LM339 車輪碼盤檢測電路 圖 LM339 車輪碼盤檢測電路原理圖 為了提高電動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)的準(zhǔn)確性，需要引入反饋量，故通過對電動(dòng)小車的執(zhí)行機(jī)構(gòu)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)進(jìn) 行計(jì)數(shù)，通過對車輪碼盤的計(jì)數(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)測電動(dòng)車的車輪實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)情況，將檢測信息送入單片機(jī)進(jìn)行處理，構(gòu)成電動(dòng)小車的閉環(huán)控制系統(tǒng) [5]。 圖 紅外對管檢測過程示意圖 轉(zhuǎn)動(dòng)的車輪碼盤 將車輪轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換為電壓信號 LM339 電壓比較電路 紅 外對管 檢測 穩(wěn)定的數(shù)字量高低電平信號 C8051F330 主控單片機(jī) 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） 29 通過紅外對管對車輪碼盤的黑白碼進(jìn)行檢測， 由紅外對管檢測車軸齒輪上的黑色線段，如圖 所示 ， 當(dāng)對管檢測到黑色線段時(shí)將產(chǎn)生一個(gè)低電平脈沖 [6]，將低電平脈沖通過電壓比較器LM339 比較后，得到穩(wěn)定的 數(shù)字 量 高低電平，通過 C8051F330 的 I/O 端口 、 進(jìn)行計(jì)數(shù) 。 圖 閉環(huán)控制系統(tǒng)示意圖 圖 車輪碼盤 圖 紅外對管檢測車輪 通過對 A、 B 車輪的速度檢測，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)。 通過反復(fù)試驗(yàn)， 觀察比較 A、 B 車輪的脈沖波形，對 A、 B 電機(jī) 的 PWM 波的占空比進(jìn)行調(diào)整，使得 A、 B 輪實(shí)際轉(zhuǎn)動(dòng)速度相同，保證了直線行駛，通過硬件電路的檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)學(xué)建模模型，并保證了作品按照理論動(dòng)態(tài) 過程分析進(jìn)行運(yùn)動(dòng) 。 圖 左右輪碼盤脈沖檢測 單片機(jī)C8051F330 反饋碼盤檢測信號 輸出控制信號 電動(dòng)機(jī) 車輪 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 30 傳感器紅外對管的使用，提高了系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，也為電動(dòng)小車檢測自身運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺提供了一個(gè)可靠有效的渠道。 RFM12 無線信號 接收 電路 圖 RFM12 無線模塊電路原理圖 RF12 是一款低成本高集成的 FSK 收發(fā)一體 IC 電路 ,其內(nèi)部集成了所有的 RF 功能模塊電路 , 連接電動(dòng)小車的主控芯片 C8051F330。 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)小車上的無線模塊 做為接收端。同聲波信號處理電路的無線發(fā)射模塊，構(gòu) 成一個(gè)完整的收發(fā)系統(tǒng) 。 距離可達(dá)到 200 米以上 ，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本設(shè)計(jì)的 1 米х 1 米的場地范圍，提供了極高的保障。 此電路可以工作在 315/433/868/915MHZ 四個(gè)頻段 。 本設(shè)計(jì)采用的是 868MHZ 頻段。 接收數(shù)據(jù)： 無線模塊每次通訊接收 三個(gè)數(shù)組，每個(gè)數(shù)組為 16 位 2 進(jìn)制數(shù)據(jù) 分別為： 數(shù)組 1： FIFO_data[0] 數(shù)組 2： FIFO_data[1] 數(shù)組 3： FIFO_data[2] 其中， 數(shù)組 1 和 數(shù)組 3 為 通訊 首尾校驗(yàn)位，保證了數(shù)據(jù)接收的準(zhǔn)確性 ，提高 了抗干擾能力 。 與主控芯片 C8051F330 通信方式： 采用 SPI 通信， 方式為 3 線單主單從， 其中： C8051F330 為主機(jī)， RFM12 為從機(jī)。 通過管腳 nIRQ 與單片機(jī) C8051F330 的 管腳相連，采用電平邊沿觸發(fā)方式，一旦管腳 nIRQ產(chǎn)生負(fù)跳變，單片機(jī) C8051F330 即進(jìn)入優(yōu)先級最高的中斷，處理 RFM12 無線模塊接收到的信號。 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 無線信號發(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，并且對其進(jìn)行實(shí)時(shí)高速運(yùn)算， 判斷電動(dòng)小車在場地中的實(shí)際位置，并通過控制無線發(fā)射信號，控制電動(dòng)小車移動(dòng)到場地指定位置，是整個(gè)聲波定位系統(tǒng)真正的運(yùn)算、控制核心 。 ⑵ A、 B、 C 三個(gè)聲波信號接收點(diǎn)，采用駐 極體話筒作為傳感器，將聲波信號采集進(jìn)來后，經(jīng)過前級放大、 帯通 濾波 、電壓比較處理后，將接收到的微弱聲波信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字量高低電平脈沖 [7]，送入 C8051F020 單片機(jī)運(yùn)算。 聲波定位電動(dòng)車設(shè)計(jì) 32 ⑶ RFM12 無線信號發(fā)射電路，接收主控芯片 C8051F020 控制 ， 向電動(dòng)車發(fā)送無線信號， 實(shí)現(xiàn) 了對電動(dòng)小車的控制。 C8051F020 最小系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì) T M S1T C K2T D I3T D O4R S T5C P 16C P 1+7C P 08C P 0+9AGND10AV+11V R E F12AGND13AV+14V R E F D15V R E F 016V R E F 117A I N 0018A I N 0119A I N 0220A I N 0321A I N 0422A I N 0523A I N 0624A I N 0725XTAL126XTAL227MONEN28AIN27/A15/P1729AIN26/A14/P1630AIN25/A13/P1531AIN24/A12/P1432AIN23/A11/