國賽優(yōu)秀論文應(yīng)用電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1驅(qū)動電機(jī)設(shè)計

1、B甲004目錄摘要 3關(guān)鍵詞 3一、系統(tǒng)方案31.1、方案比較與論證31.1.1、控制器模塊31.1.2、電機(jī)及驅(qū)動模塊31.1.3、測速模塊41.1.4、音頻產(chǎn)生模塊41.1.5、無線收發(fā)模塊41.1.6、聲音采集處理模塊41.2、最終方案4二、電路設(shè)計52.1、系統(tǒng)組成52.2、電動機(jī)驅(qū)動電路52.3、行程測量模塊52.4、聲光報警模塊62.5、周期性音頻脈沖信號產(chǎn)生模塊62.6、無線收發(fā)模塊設(shè)計62.7、聲音采集計算系統(tǒng)6三、軟件設(shè)計73.1、電機(jī)驅(qū)動部分流程圖73.2、主程序流程圖73.3單片機(jī)控制MMC-1芯片的程序73.4無線接收模塊程序7四、系統(tǒng)測試84.1、測試儀器84.2、調(diào)

2、試84.2.1 速度調(diào)試84.2.2 功率放大測試84.2.3 聲源頻率測試84.2.4 聲音接收測試8五、總結(jié)95.1、結(jié)論95.2、結(jié)束語9六、參考文獻(xiàn)9七、附錄9附錄一、部分電路原理圖9附錄二、主程序流程圖11附錄三、 部分程序附錄13摘 要： 本課題設(shè)計制作小組本著簡單、準(zhǔn)確、可靠、穩(wěn)定、通用、性價比低的原則，采用STC89C52作為聲源系統(tǒng)的控制核心，使用凌陽SPCE061A作為音頻信號分析處理系統(tǒng)核心，應(yīng)用電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1驅(qū)動電機(jī)。本系統(tǒng)電路分為聲源移動模塊,聲音產(chǎn)生模塊，聲音采集處理模塊，無線控制模塊和顯示報警模塊。聲音收發(fā)和無線傳輸模塊測量聲源與聲音接收器之間的距

3、離，控制聲源移動。首先測量聲源S距A、B的距離差，距離差為零表示小車已運(yùn)動到OX線，然后測量S距A、C的距離差，距離差為零表示小車尋找到W點(diǎn)。小車在OX線上運(yùn)動時，利用S距A、B的距離差校正路線，同時聲光報警，LCD液晶顯示屏顯示小車運(yùn)行路程和時間。關(guān)鍵詞：STC89C52；電機(jī)控制芯片MMC-1；PT2262/2272無線收發(fā)；周期性音頻脈沖信號；TEA2025B音頻放大一、 系統(tǒng)方案1.1 方案比較與論證根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊、聲音產(chǎn)生模塊，聲音采集處理模塊和無線控制模塊、聲光報警模塊等構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進(jìn)行了論

4、證。1.1.1 控制器模塊方案一：采用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷ㄈ鏔PGA）作為系統(tǒng)的控制中心，目前，大規(guī)模可編程邏輯器件容量不斷增大，速度不斷提高，且多具有ISP功能，也可以在不改變硬件電路的情況下改變功能，但在本系統(tǒng)中，它的高處理功能得不到從分利用，還考慮到VHDL語言描述也沒有單片機(jī)語言那么方便，所以這個方案不采用。方案二：采用單片機(jī)STC89C52作為中心控制器。STC89C52單片機(jī)算數(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，自由度大，具有超低功耗，抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。還具有ISP在線編程功能，在改寫單片機(jī)存儲內(nèi)部的程序時不需要將單片機(jī)從工作環(huán)境中取出，方便快捷。在后來的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，STC89C5

5、2精確度和運(yùn)算速度也都完全符合我們系統(tǒng)的要求。故采用STC89C52單片機(jī)為我們整個系統(tǒng)的控制核心。1.1.2 電機(jī)及驅(qū)動模塊采用電機(jī)控制ASSP 芯片MMC-1驅(qū)動（實(shí)物圖如圖1）。MMC-1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（mPD78F1203）固化專用程序?qū)崿F(xiàn)，支持UART 和SPI 串行接口。MMC-1 共有三個通道電機(jī)控制單元，通過設(shè)置寄存器可分別設(shè)置工作模式，實(shí)現(xiàn)不同功能?？梢杂脕眚?qū)動直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)。方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù)字控制電機(jī)，不但控制精度高，而且簡單可靠，但價格過高，重量大，占用端口資源多且控制復(fù)雜，不予采用。

6、方案二：采用直流減速電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受較大重物，速度均勻性好，且用MMC-1驅(qū)動直流電機(jī)時，只需外接一個全橋驅(qū)動芯片L293D就可以了，控制簡單，電源要求低，易于實(shí)現(xiàn)，因此我們選擇了此方案。圖 1 MMC-1驅(qū)動實(shí)物圖1.1.3 測速模塊方案一：采用霍爾開關(guān)元器件A44E檢測輪子上的磁鋼從而給單片機(jī)中斷脈沖，達(dá)到測量速度的作用?；魻栐哂畜w積小，頻率響應(yīng)寬度大，對外圍電路要求簡單，價格低廉，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。電源要求不高，安裝也較為方便。方案二：采用紅外傳感器進(jìn)行測速。但無論是反射式紅外傳感器還是對射式紅外傳感器，他們對都對外圍環(huán)境要求較高，易

7、受外部環(huán)境的影響，穩(wěn)定性不高，且價格較為昂貴。通過對方案一、方案二的比較其優(yōu)缺點(diǎn)，綜合多方面因素決定選用方案一。1.1.4 音頻產(chǎn)生模塊方案一采用鎖相環(huán)式頻率合成器。這種頻率合成器具有很好的窄帶跟蹤特性，可以很好地選擇所需要頻率信號。但由于鎖相環(huán)本身是一個惰性環(huán)節(jié)，鎖定時間和頻率轉(zhuǎn)換時間較長。而且，由模擬方法合成的正弦波的參數(shù)很難控制。方案二采用555振蕩器，產(chǎn)生方波，然后利用音頻放大器TEA2025，放大聲音信號，再利用揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。該方案不僅能產(chǎn)生有效聲源，而且設(shè)計簡單，是本設(shè)計的最佳選擇。1.1.5 無線收發(fā)模塊方案一：采用自制的無線電發(fā)射和接收電路進(jìn)行無線接收。這個方案雖然思路簡單，

8、但是硬件電路的連接與調(diào)試十分復(fù)雜，裝置工作時的穩(wěn)定性難以保證。方案二：采用集成的無線收發(fā)編解碼芯片，例如PT2262/PT227。這種芯片功耗低，外圍電路簡單，工作電壓范圍寬，數(shù)據(jù)位可達(dá)六位，完全可以達(dá)到設(shè)計要求。1.1.6 聲音采集處理模塊方案一：采用凌陽SPCE061A單片機(jī)自帶的音頻采集模塊，雖然可以使硬件連接簡單，但是A、B、C三點(diǎn)各需要一個單片機(jī)，造成資源浪費(fèi)。方案二：采用麥克接收并用音頻放大芯片TEA2025放大信號。該放大電路不僅連接簡單，價格便宜，而且放大效果好，簡單易學(xué)。綜合考慮，我們選擇方案二。1.2 最終方案經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：（1） 采用STC89C5

9、2單片機(jī)作為主控制器。（2） 采用555振蕩器作信號發(fā)生器。（3） 采用PT2262/2272集成無線收發(fā)編碼芯片制作無線收發(fā)。（4） 電機(jī)控制ASSP芯片MMC-1作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。（5） 采用MzLH04-12864液晶屏顯示小車運(yùn)行時間與路程。（6） 霍爾傳感器檢測小車運(yùn)行路程。（7） 利用麥克和音頻放大芯片TEA2025做聲音采集處理系統(tǒng)二、 電路設(shè)計2.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)的硬件電路由發(fā)聲系統(tǒng)、聲音采集系統(tǒng)、單片機(jī)控制系統(tǒng)、無線收發(fā)等系統(tǒng)組成。本系統(tǒng)的方框圖如圖2所示：STC89C52單片機(jī)發(fā)聲系統(tǒng)無線接收模塊電機(jī)驅(qū)動LCD顯示無線發(fā)射模塊聲音采集系統(tǒng)凌陽SPCE061A聲音信號處理

10、系統(tǒng)聲源移動聲光報警 圖2 系統(tǒng)組成方框圖 2.2 電動機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)控制部分，我們采用電機(jī)控制ASSP 芯片MMC-1作為驅(qū)動芯片。每一路直流電機(jī)需要CHnDCPWM和CHnDCDIR 兩個引腳，CHnDCPWM 用于PWM 輸出，CHnDCDIR 用于指定電機(jī)轉(zhuǎn)向，外接一個H橋驅(qū)動芯片就可以控制直流電機(jī)工作。輸出頻率固定16KHz，通過調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3：直流電機(jī)2直流電機(jī)1雙H橋驅(qū)動IC 圖 3 電機(jī)驅(qū)動電路2.3 行程測量模塊通過霍爾傳感器測量小車速度和路程。在非磁材料的圓盤邊上粘貼一塊磁鋼，霍爾傳感器固定在圓盤外緣附近。圓盤每轉(zhuǎn)動一圈，霍爾傳感器便輸出一個脈

11、沖。通過單片機(jī)測量產(chǎn)生脈沖的頻率，就可以得出圓盤的轉(zhuǎn)速。根據(jù)圓盤(車輪)的轉(zhuǎn)速，再結(jié)合圓盤的周長就是計算出物體的位移。車輪的半徑R為1.9cm，所以車輪的周長為L2*R2*3.14*1.9=12cm由計數(shù)器可得1S內(nèi)轉(zhuǎn)盤所轉(zhuǎn)的圈數(shù)為30，即轉(zhuǎn)速：30轉(zhuǎn)/秒。由齒輪的減速比及車輪周長得一秒鐘小車全速前進(jìn)的距離為：30*(8/250)*12=11.52cm2.4 聲光報警模塊題目要求小車可移動聲源到達(dá)Ox線和W點(diǎn)后，必須有明顯的光和聲指示。我們決定采用蜂鳴器和發(fā)光二極管實(shí)現(xiàn)聲光報警。電路圖如下：圖 4 聲光報警電路2.5 周期性音頻脈沖信號產(chǎn)生模塊跟據(jù)本題設(shè)計方案，周期性音頻脈沖信號產(chǎn)生比較簡單，

12、主要就是利用555振蕩器，產(chǎn)生方波，再利用音頻放大器TEA2025把信號放大發(fā)聲。TEA202是雙聲道功率放大集成電路，集成塊內(nèi)部主要由兩路功能相同的音頻預(yù)放、功放、去耦、驅(qū)動電路、供電電路等組成。發(fā)音原理是：音頻信號經(jīng)電容禍合從TEA2025的、腳輸入，先經(jīng)預(yù)放大后加到功率放大器，放大后的音頻信號從、15腳輸出，由輸出禍合電容耦合去驅(qū)動喇叭發(fā)聲。其電路連接圖和音頻放大器TEA2025應(yīng)用電路見附錄一（7.1.4、7.1.5）。2.6 無線收發(fā)模塊設(shè)計PT2262/2272是一對帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無線遙控發(fā)射/接收芯片。其中發(fā)射芯片PT2262將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集成于一身，使發(fā)

13、射電路變得非常簡潔。它發(fā)射12位數(shù)據(jù)，以VT為標(biāo)志位，每4位一組，且在每一組的上升沿觸發(fā)。PT2262具有8位地址編碼，能夠防止各個無線模塊之間的干擾。接收芯片PT2272是非鎖存型4位數(shù)據(jù)輸出，接收PT2262發(fā)射的12位數(shù)據(jù)，也是每4位為一組，也具有8位地址編碼，有效防止了各個無線模塊之間的干擾。 該模塊的硬件電路連接圖見附錄一（7.1.3）2.7 聲音采集計算系統(tǒng)在聲音接收器A、B、C、三點(diǎn)分別用麥克采集聲音，然后經(jīng)音頻放大芯片TEA2025將聲音信號放大輸出，送給單片機(jī)處理中斷，單片機(jī)再利用信號下降沿中斷觸發(fā)計算聲源S距A、B或S距A、C得時間差，向無線發(fā)射系統(tǒng)傳遞信號，最終控制聲源移

14、動。具體算法如下：t圖 5因?yàn)橐纛l信號為周期性脈沖信號（如圖5所示），所以我們在一個信號的下降沿開中斷計時一個脈沖，對于A來說，聲源發(fā)出聲音，當(dāng)A接收到一個脈沖信號時，在該脈沖的下降沿到達(dá)時，開T1定時器，當(dāng)下一個脈沖的下降沿到達(dá)時，關(guān)T1定時器，由此得到一個時間t1；同時對于B來說，B也執(zhí)行同樣的步驟，也得到一個時間t2，令t=t1-t2，那么時間t與聲速（340m/s）的乘積就是聲源S距離A點(diǎn)與B點(diǎn)的距離差。當(dāng)該距離差大于零時，表示聲源離A點(diǎn)的距離較遠(yuǎn)，當(dāng)該距離差等于零時，表示聲源離A點(diǎn)的距離與B相等。利用同樣的原理計算S與A和C之間的距離差。三、 軟件設(shè)計3.1 電機(jī)驅(qū)動部分流程圖先給M

15、MC-1上電，RESET和SLEEP管腳接高電平。然后再用C語言編寫程序，讓單片機(jī)控制電機(jī)驅(qū)動芯片。電機(jī)驅(qū)動部分流程圖如圖所示：50us延時開始設(shè)置中斷給T1賦初值設(shè)置串口工作方式開定時器T1中斷設(shè)置通道電機(jī)運(yùn)行速度設(shè)置通道電機(jī)運(yùn)行模式結(jié)束圖6 電機(jī)驅(qū)動部分流程圖3.2 主程序流程圖（見附錄一）3.3單片機(jī)控制MMC-1芯片的程序見附錄三（7.3.1）3.4無線接收模塊程序附錄三（7.3.2）四、系統(tǒng)測試4.1測試儀器秒表，米尺，雙蹤示波器，萬用電壓表，4.2調(diào)試4.2.1 速度調(diào)試我們把聲源放在不同的初始位置，讓接收器接收其信號，然后發(fā)出控制信號控制小車運(yùn)動，測量出S點(diǎn)到OX軸的時間和距離，

16、根據(jù)可移動聲源的起始位置到Ox線的垂直距離響應(yīng)時間平均速度的計算公式計算出聲源S移動到OX的平均速度?？梢苿勇曉丛贠x線上重新啟動位置到移動停止點(diǎn)的直線距離再次運(yùn)動時間平均速度根據(jù) 的計算公式計算出聲源S移動到W點(diǎn)的平均速度。測試結(jié)果如下表：表 1 速度測試表S初始位置在D點(diǎn)OY上半平面OY下半平面在B點(diǎn)BD線右側(cè)到OX時間7.1s6.0s1.9s8.0s8.1sS距OX距離50cm39cm14cm50cm55cm偏離OX距離1.1cm2.0cm1.8cm2.3cm2.3cm平均速度17.14cm/s6.5cm/s7.5cm/s6.25cm/s6.87cm/sS到W點(diǎn)時間4.6s2.3s0.9

17、s4.5s3.3sS距W點(diǎn)距離50cm24cm13cm50cm35cm偏離W距離0.7cm0.5cm0.7cm0.8cm0.6cm平均速度210.9cm/s10.6cm/s11.2cm/s11.0cm/s10.7cm/s4.2.2 功率放大測試表 2 功率測試表放大倍數(shù)102030354045是否是真否否否否否是4.2.3 聲源頻率測試表 3 聲源頻率測試表測量次數(shù)第一次第二次第三次第四次測量物理量R12.2K1K2.2K10K R247.2K30K47.2K41KC2200 pF2200 pF220 pF2200 pFf6.67KHz10.73 KHz66.7 KHz340Hz是否發(fā)聲是是否

18、是4.2.4 聲音接收測試表4 聲音接收測試表測量次數(shù)第一次第二次第三次第四次A、B時間差1176us294us0us58usS與A、B距離差39.9cm10cm0cm1.97cmA、C時間差883us442us200us88usS與A、C距離差30cm15.1cm6.8cm3.0cm注：聲速為340m/s,時間差=距離差/聲速。五、總結(jié)5.1 結(jié)論通過以上數(shù)據(jù)可以看出，聲音接收系統(tǒng)比較靈敏，得到的時間差值誤差小，信號分析及時。由速度測試表中的數(shù)據(jù)可以看出小車定位比較精確，這也說明我們的無線收發(fā)控制系統(tǒng)做的比較好。還可以看出小車的平均速度較穩(wěn)定，能夠較好的完成題目要求的基本要求和發(fā)揮部分。5.

19、2 結(jié)束語本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52為核心控制部件，運(yùn)用無線收發(fā)技術(shù)，配合一套縝密的軟件算法實(shí)現(xiàn)小車循跡、循點(diǎn)、報警以及計時和顯示功能，完成了競賽題目基本部分和發(fā)揮部分的所有任務(wù)要求。在設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分發(fā)揮軟件編程的方便靈活性。當(dāng)然由于時間所限，系統(tǒng)也存在不足之處，聲音接收器排除噪音還有待改善。我們愿意聽取評委老師和讀者的批評和建議。整個參賽過程是一個緊張而充滿壓力的過程，在這為期四天的競賽中，小組成員投入了全部的精力體力和毅力，大家協(xié)同配合，把巨大的困難劃分成若干子模塊加以克服和解決，最終完成比賽。不論結(jié)果如何，競賽過程給我們的磨練已經(jīng)讓我們終生受用，我們不但增強(qiáng)了實(shí)踐能

20、力和協(xié)作精神，而且懂得了聯(lián)系實(shí)際的重要性。 六、參考文獻(xiàn)1 胡漢才單片機(jī)原理及其接口技術(shù)（第二版）北京：清華大學(xué)出版社，2004年2 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品匯編：第一屆第五屆 北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.83 譚浩強(qiáng)C語言程序設(shè)計（第二版） 北京：清華大學(xué)出版社4 何希才新型集成電路及其應(yīng)用實(shí)例北京：科學(xué)出版社，2002年5 戴仙金51單片機(jī)及其C語言程序開發(fā)實(shí)例北京：清華大學(xué)出版社，2008.26 北京億學(xué)通電子。 七、附錄附錄一、部分電路原理圖7.1.1 電機(jī)控制芯片MMC-1電路原理圖 圖7 電機(jī)控制ASSP 芯片MMC-1原理圖7.1.2 液晶顯示電路