聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計報告.doc

第九屆“瑞華贏杯”大學(xué)生電子設(shè)計競賽大學(xué)生電子設(shè)計競賽聲音導(dǎo)引系統(tǒng)初步設(shè)計報告參賽隊員：聯(lián)系方式： 6 目 錄摘要、關(guān)鍵字：3一、系統(tǒng)總體方案31、題意分析32、整體方案比較3二、系統(tǒng)方案設(shè)計與論證51、偏差信號的產(chǎn)生與控制方法5三、硬件電路設(shè)計61、mcu控制器：62、信號調(diào)理模塊：63、電機驅(qū)動模塊74、無線收發(fā)模塊8四、系統(tǒng)軟件設(shè)計8五、參考文獻9摘要：聲音導(dǎo)引系統(tǒng)由可移動聲源和接收器兩大部分組成?？梢苿勇曉从蓅tc12c5a60s2單片機為控制板、mmc-1、無線接收模塊、顯示模塊等組成。接收器主要由控制板、音頻信號接收裝置和無線發(fā)送裝置等組成。本文詳細介紹了各模塊的應(yīng)用電路以及系統(tǒng)的軟件算法。根據(jù)定位需求推導(dǎo)了偏差計算的公式，采用bang-bang算法控制可移動聲源的運動。關(guān)鍵字：聲音引導(dǎo) stc12c5a60s2 一、系統(tǒng)總體方案1、題意分析由于可移動聲源的平臺不限，考慮到性價比，選擇市場上的玩具小車經(jīng)改裝后最為合適，其開始運動方向和ox線保持垂直，故在實現(xiàn)基本要求時，只需在聲音引導(dǎo)下直線行駛即可。若要實現(xiàn)發(fā)揮部分到達w點，則小車必須具有轉(zhuǎn)向功能。移動聲源兩側(cè)寬度為0.3cm的標志線主要用來目測移動過程中聲源是否超過ox線規(guī)定的距離。發(fā)聲器件是移動聲源測距的中心位置，其可放在平臺的任何位置，但為簡化計算和補償，其放在小車最前端的中間位置最易實現(xiàn)準確導(dǎo)引。為便于使移動聲源不跨越ox線，有關(guān)將此車頭反向放置，留在發(fā)揮的其它部分考慮?？紤]到綠色環(huán)保和便于安裝，移動聲源和接收器均采用可充電電池供電。為便于測試并減輕平臺負荷，可考慮在接收器部分加裝lcd顯示時間、距離和平均車速。根據(jù)題目要求，到達ox線時，聲音傳播到a、b接收器的時間相同，因此只需要根據(jù)a、b兩點接收到聲音的時間差來控制小車的運動。如要要求移動聲源到達w點，則需要接收器a、b、c三點接收到聲音的時間相等。1. 可移動聲源的主要功能可移動聲源主要由小車、發(fā)聲器件、控制板等組成。其主要功能如下：（1） 發(fā)出音頻脈沖信號；（2） 通過無線接收聲源的位置信息，控制平臺移動到目標位置；（3） 完成聲光提示；（4） 采用mmc-1芯片進行驅(qū)動。 2. 接收器的主要功能： 接收器主要由控制板、音頻信號接收裝置和無線發(fā)送裝置等構(gòu)成。其主要功能如下：（1） 接收移動聲源發(fā)送的音頻信號；（2） 完成對定位信號的計算和處理；（3） 發(fā)送相應(yīng)的定位信息。2、整體方案比較方案一：各路聲音接收器均有自己的控制板無限發(fā)送模塊，發(fā)送接受相互不影響，可以提高系統(tǒng)可靠性，但性價比底。 圖表 1 方案一系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖方案二：本方案采用一個控制板，外接三路音頻接受器，經(jīng)過一路無線模塊發(fā)送和接收，這樣可大大減少了系統(tǒng)成本，提高性價比，并且系統(tǒng)運行可靠穩(wěn)定。 圖表 2 方案二系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖方案比較：方案一中采用三個相互獨立的控制器分別控制音頻接收器a、b、c接收的信號并進行無線發(fā)送，在方案二中，采用一個共同的控制器對三個接收器進行控制，與方案一相比，方案二在實現(xiàn)相同功能的前提下，具有較好的性價比，而且穩(wěn)定性、可靠性高。因此我們選用方案二。二、系統(tǒng)方案設(shè)計與論證1、偏差信號的產(chǎn)生與控制方法圖表 3 坐標系建立如圖2所示的坐標系，a點坐標（0，0）。設(shè)聲源s的坐標為（x，y）。該系統(tǒng)需實現(xiàn)的功能為：聲源發(fā)出聲音后小車開始運動，其運動方向和ox線保持垂直，運動軌跡應(yīng)如圖3.1中線sg所示。當可移動聲源運動到ox線（即g點）時，停止5s10s后沿gw線運行，到達w點后停止同時有聲光提示。在整個系統(tǒng)運行的過程中，接收器與聲源之間的距離滿足以下關(guān)系式：聲源發(fā)出聲音后，三個接收器a、b、c接收到聲音所需要的時間，分別為：，其中v為聲音在空氣中的傳播速度。由以上分析有：上式說明：聲源s距離ox線的垂直距離x和聲音到達a、b兩點的時間的平方差成正比。當x=0.5時=，表示移動聲源到達ox線。同理：，說明聲源s距離w點的垂直距離y和聲音到達a、c兩點的時間的平方差成正比。當x=0.5，y=0.5時，可移動聲源到達w點。由于，的時間不容易測量，因此采用判斷時間差的方法進行控制。設(shè)聲源 s的聲波傳至接收器a、b的時間差t1=- ,至 a、c的時間差t2= -。實現(xiàn)聲音引導(dǎo)小車的原理：小車聲源連續(xù)發(fā)出恒定頻率的聲音信號，當小車從ox軸右側(cè)靠近ox線運動時，傳至a，b點的時差t1會逐漸趨近于0，通過實時檢測，一旦t1=0或接近系統(tǒng)設(shè)定值，控制器發(fā)出停車信號，確保小車停在ox線上。當在ox線上停止5s10s后，控制小車沿gw線運動，在運動的過程中t2會逐漸趨近于0，通過實時檢測，一旦t2=0或接近系統(tǒng)設(shè)定值，控制器發(fā)出停車信號，確保小車停在w點。三、 硬件電路設(shè)計1、mcu控制器：采用stc12c5a60s2單片機實現(xiàn)，該單片機具有加密性強、高速、高可靠、強抗靜電、強抗干擾等特點，內(nèi)置兩路pwm輸出，8路10位adc輸入通道，為了減小功耗及體積，選擇了貼片式封裝。最小系統(tǒng)原理圖見附件。2、信號調(diào)理模塊：聲音接收器采集到小車發(fā)出的聲音，須先經(jīng)過濾波器濾波，放大器放大，消除一部分干擾信號的影響，得到含有紋波的脈沖信號，再需經(jīng)過lm339構(gòu)成的施密特觸發(fā)器進行整形，才可得到標準的鋸齒波。濾波電路采用max274制作的有源濾波器，電路圖如下： 圖表 4 max274原理圖為了接收器能接收到較強的聲源信號，利用示波器和信號發(fā)生器得出了接收器的中心頻率f0=4.0khz，品質(zhì)因數(shù)q=10。然后利用公式，可以得出：本模塊利用lm324對聲音信號進行三級放大（如圖5），mic信號先經(jīng)過電壓跟隨器，得到較大的電流，然后在經(jīng)過兩級固定放大，第三級放大倍數(shù)可調(diào)（最大21倍）。 圖表 5 lm324級聯(lián)放大 放大后的信號經(jīng)過lm339構(gòu)成的施密特觸發(fā)器進行整形，可得到標準的鋸齒波如圖6，其中鋸齒波的寬度可以通過參考電壓的調(diào)節(jié)改變。圖表 6 整形電路3、電機驅(qū)動模塊如圖7所示，每一路直流電機需要chndcpwm和cheddar 兩個引腳(n=13)，chndcpwm 用于pwm 輸出，chndcdir 用于指定電機轉(zhuǎn)向，外接l298全橋驅(qū)動芯片，r=10k,c=0.47uf。輸出頻率為16khz，通過調(diào)節(jié)占空比控制電機轉(zhuǎn)速。圖表 7 電機驅(qū)動模塊原理示意圖4、無線收發(fā)模塊系統(tǒng)采用nrf24l01型微功率無線傳輸模塊，通過ttl電平與單片機進行通信，應(yīng)用原理圖如圖3.5所示。圖表 8 無線收發(fā)模塊應(yīng)用原理圖四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件流程圖如下：9 接收器系統(tǒng)流程圖圖表 10 可移動聲源系統(tǒng)流程圖五、 參考文獻1 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計m.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，20062 一種小功率逆變電源的設(shè)計及實現(xiàn)j /3 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)基