声音引导系统.doc

声音导引系统中文摘要：本系统为实现以声音引导小车按预定方案运行而设计。系统采用51最小系统板作为此系统的检测核心和控制核心，通过对声音信号的检测，准确实现小车坐标定位，并通过无线发射接收模块将坐标信息传送至车载MCU，实现小车的声音引导控制。小车无线传输模块采用集成nrf24l01模块，以期实现坐标信息实时无线传输。电机驱动、控制模块采用ASSP芯片以及分离MOS管H桥电路使电机的控制精确、稳定。声音检测模块则采用多级放大滤波电路接收三路声音信号准确检测，并将此信号传送至地面控制MCU进行坐标定位。1 系统方案设计1.1 AT89S52系列单片机系统方案采用两块AT89S52单片机系统，车载单片机实现声音信号的发送，无线信号的接受，以及电机驱动芯片的控制。陆基单片机完成三路声音信号捕获，处理并将小车坐标信息通过无线发射。系统编程容易，性价比高。1.2 MSP430单片机系统方案采用MSP430单片机系统作为控制的核心，来实现智能小车无线传输、声音处理、电机驱动等功能。1.3系统方案比较AT89S52系列单片机系统方案价格低廉，技术比较成熟，使用简单，应用广泛，而且能较好的实现系统的要求。MSP430系统方案功耗虽然较低，但编程比较复杂，价格昂贵，因而，决定采用该方案1。1.4 AT89S52单片机系统方案设计本设计采用AT89S52单片机作为核心控制系统，以直流电机为驱动，结合无线、声音处理模块完成设计任务。系统可以划分为以下几个基本模块：无线数据传输、小车控制、声音检测处理、信息显示模块。系统设计框图如图：接收器3接收器2接收器1电机驱动AT89S52车载系统音频发送1602显示AT89S52陆基系统无线发送无线接收 图1.0系统方案框图1.5 方案选择(1)电机驱动模块方案一：采用两个步进电机，步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和转向，步进电机的输出力距较低，价格较高，而且步进电机的编程复杂，硬件连接的工作量大。方案二：利用一个直流减速电机，具有转矩大，驱动力大，控制简单等特点。经比较验证，显然方案一电机的机械结构难以满足题目的要求，而方案二利用直流电机完全能满足要求。至于赛题要求的精确控制，采用一定的控制算法可以解决。因此采用方案二。(2)无线收发模块方案一：采用RF905无线收发模块，RF905有14个外接管脚，采用SPI串口通信，占用资源较多，控制较复杂，而且价格较贵，配置外置天线，占用空间较大。方案二：采用NRF24l01无线收发模块，拥有内置天线，体积较小，125个可选通道，最大2M/S数据速率，8个管脚输出，使用模拟串口，不占用串口资源，价格相对便宜，使用简单。经分析比较,方案二拥有较大优势，能较好的利用51单片机实现控制，因此选用方案二。(3)声音检测、处理模块 方案一：采用声控开关。声控开关使用简单，价格便宜，但是反应不够灵敏，达不到题目要求，精度较低。方案二：采用多级放大整波电路，将接受信号处理成电平触发信号。能灵敏的检测到蜂鸣器声音，触发响应。 经综合论证，方案二虽然电路复杂，但是题目要求精度较高，所以采用方案二。(4)显示模块方案一：采用数码管显示。数码管具有对外界环境要求低，可视性好，程序编程容易。但数码管资源占用较多，显示信息少，还需使用74HC573等芯片进行段选操作。方案二：采用1602液晶显示。液晶显示具有显示信息丰富、需要资源少、功耗低、体积小、画面效果好、分辨率高、性价比高等特点。方案三：采用12864液晶显示。12864显示具有大量的信息、画面效果好、分辨率高等特点。但其功耗高、体积大、编程量大、资源占用多、成本高，性价比低。经综合比较论证，在满足本题目要求的前提下，使用1602液晶较为合适。2、理论分析与计算2.1 系统设计理论依据与分析、计算 该系统通过检测不同测量点声音时间间隔，通过无线将坐标信息发送至车载控制单元，来完成ASSP电机芯片的控制。声音检测模块时间检测精度达到25us，检测坐标误差为1cm，能较好的完成系统要求。无线模块采用2.4GHz的高频收发频率，受环境影响非常小，能稳定、高速传输数据。ASSP电机能同时控制三路PWM信号，足以完成舵机、单电机的控制。2.2系统各种主要参数计算检测精度:25us（检测时间误差）*340m/s（声速）=0.85cm行进控制误差：0.036m/s（车速）*0.5s（小车响应时间）=0.018m2.3控制理论简单计算 第一阶段：由界外向中心标志线直行；根据A、B两点接收声音的时间差t的变化，来确定向中心线直行的速度。当向中心线运动时，两点时间差逐渐变小，将这一变化量进行分析计算，列出种电机运行模式，控制越来越精细,采用逼近算法。公式如下： PWM占空比=t*K-A（注：K，A为校正因子） 第二阶段：由中心线一点向中心移到；根据点接受声音状况确定小车是向上还是向下运动，从而控制舵机转角，同理，利用、C两点接收声音时间差，进行小车速度控制。2.4 误差产生原因及改进方法 坐标定位误差：由于单片机时钟频率限制所致。主要采用软件精确控制，多次检测处理来改进。声音的误差：本小车声控系统受外界环境影响很大，所以实验时要尽量保持环境的安静。3、电路设计与程序设计3.1 系统电路设计系统采用AT89S52最小系统作为控制核心，主要实现了声音控制与检测、电机控制、无线发射接收等模块。最小系统板如图1.1所示。图1.151最小系统板基本模块如下：(1)声控模块：设计采用多级放大整波电路，前级电路使用LF353进行放大，如图3.1.1所示为声控前级电路，后级放大设计原理图如1.2所示，采用TL084结合LM324进行放大，采样，滤波实现方波信号。图1.2 声控前级电路图图1.3 声控后级放大电路图(2)无线发射接收模块：采用NRF24l01无线收发模块，拥有内置天线，体积较小，125个可选通道，最大2M/S数据速率，8个管脚输出，使用模拟串口，不占用串口资源，价格相对便宜，使用简单。()电机驱动模块: 电机驱动、控制模块以及分离MOS管H桥电路进行电机精确、稳定控制。该模块使用分立元件构成的H桥式电机驱动电路，采用ASSP芯片控制PWM信号输出。电路原理图如图1.4所示。 图1.4 电机驱动原理图 图1.5 ASSP芯片电路图3.2 系统软件设计声音检测模块：声音检测电路将三路门限比较信号输入陆基单片机，单片机通过比较不同通道声音接收时间差来确定两点之间距离差，从而确定当前坐标信息。无线收发模块：无线收发采用nrf24l01集成芯片专用通信模式、收发协议，将发送数据存放至数组中等待发送，当接收端接收至数据会产生中断标志位，并存放至数组中，根据标志位的情况进行判断、处理接收数据。电机控制模块：根据无线接收的坐标信息，进行判断当前坐标信息，进而确定当前速度，控制小车前进、停止。综上说明系统流程图如下：开始开始车载系统发声，并前进根据不同的信号控制的小车的运转是否接收到信号停车是否接收到停止信号计算小车的位置根据不同的位置发送信号控制小车陆基系统是否接收到信号停止发送信号是否接收到停止信号NNNN图2.1 程序流程图4、测试方案与测试结果4.1 系统功能说明(1)由声音定位小车的位置；(2)无线控制小车的运转；(3)液晶显示运转情况；(4)声音的检测与处理；4.2 系统测试方法与仪器 (1) 仪器：SS3323可跟踪直流稳压电源、UT58A数字式万用表、TFG3150DDS信号发生器、TDS1002数字示波器(2) 测试方法：分模块测试 跟踪测试引脚电压法 程序仿真测试法4.3 系统测试结果与分析次数开始时与X轴间的距离(cm)完成的时间(s)结束时离X轴间的距离(cm)平均速度(cm/s)1405.64.57.142506.53.57.693607.03.88.57分析：1、系统测试发现由于单片机延时等问题，无法在微秒级精确确定时差，因而在定位时会发生一定的误差；2、由于声音信号受外界声音影响较大，造成小车精确采样的困难，出现一定误差。3、经测试，基本上实现题目的基本要求。5、附录：附录1 系统原理图：附图一为声控后级放大的原理总图，采用LM324和TL084结合实现放大、滤波。附图一 声控后级放大附录2 设计的小结：通过几天的协作，根据题目的基本要求，完成了硬件的设计、制作和软件算法的设计以及程序代码的编写，完成了软硬件的联合调试实现了声音引导小车的基本功能，在发挥部分也取得一定突破。设计收获体会；通过小组成员的共同努力，完成了题目的基本要求。从硬件电路的方案选取，到插板调试，到制成PCB板；从软件整体架构，到每个模块的编写，到与硬件的的联合调试。失败在所难免，通