声音引导系统论文.doc

声音引导系统设计报告摘要：本题要求设计并制作一声音导引系统，要求满足基础部分以及发挥部分两个部分的功能。本系统以Atmel公司的Atmega128 AVR单片机作为主机和Atmega16 AVR单片机作为从机，通过FC-211/AP无线收发模块实现两机通信。主机部分连接A、B、C三个固定位置的声音接收器，通过选取其中两个两两求差的算法得到可移动声源的判断，即误差信号的计算，产生对电机的控制逻辑，实现对电机的控制。从机部分即是可移动声源部分，以自制小型电动车作为平台，蜂鸣器为发声器件，使用NEC的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）配合L298驱动电路控制并驱动两相四线步进电机为可移动声源提供动力。软件采用了PID速度调节算法，不断检测可移动声源发射的周期性音频脉冲信号，判断并修正位置，最终完成定位，实现题目要求的功能。关键字：声音引导、AVR单片机、无线通信、定位、小型电动车Abstract:Ontology is a sound design and production requirements, guide system satisfies parts and play a part two functions. In this system, the Atmega128 single-chip Atmel company as the host and AVR Atmega16 AVR microcontroller as from the machine, through the FC - 211 / AP wireless transceiver module realize two communication. Main part A and B, C connect three fixed position of the receiver, by selecting one voice; the difference between two algorithm can move the sound judgment, namely, the calculation error signal of motor control logic of motor control, realize. From the machine parts is movable parts, a small sound as platform for electric device, voice, buzzers use of motor control ASSP chip NEC (MMC) - 1 L298 drive circuit control and drive two-phase four-wire stepper motor for portable power source. Software adopted PID speed adjustment, detection algorithm of movable noise emission of periodic audio and pulse signal, the correct position, orientation, and finally finished the topic request.Key words: voice guide, AVR microcontroller, wireless communication, orientation, small electric cars一、系统方案1方案比较与论证（1）处理器的选择方案一：采用51单片机控制。其优点是价格便宜，应用广泛，资料比较容易搜集。但是功能较弱，不适于复杂的系统控制。方案二：采用Atmel公司的Atmega128单片机。Atmega128是高性能、低功耗的AVR 8位微处理器，功能强大，IO端口数量多，有丰富的定时器计数器以及中断接口，集成有可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，并且支持JTAG在线调试，使用方便。出于对本次赛题需要SPI总线通讯（51单片机没有集成SPI总线）和多路外部中断，考虑到AVR单片机功能强大和使用熟练程度比较高，选用方案二，包括与声音检测器相连的主机Atmega128单片机以及可移动声源上的控制从机Atmega16单片机两片组成。（2）声源以及声音检测器的选择方案一： 采用蜂鸣器等发声器件作为声源，使用放大电路连接LM567集成音频选频芯片所组成的具有选频功能的声音开关电路检测出蜂鸣器的固有频率信号。由于加入了音频选频，抗干扰能力强，能很轻松地滤除杂声干扰，检测到给定频率的声音信号。方案二：采用蜂鸣器等发声器件作为声源，用MIC、三极管放大电路和比较器等器件组成的简单声音开关电路检测声源的音频信号，由于比较器的滤除一大部分杂音干扰，可在环境干扰较少的情况下使用。优点：设计原理简单，可360多方位检测。缺点：受环境杂声干扰较大，需要环境较为安静。若加入选频和滤波电路，会增加系统的复杂程度。通过实际测试，LM567芯片选频性能优越，但是其信号输入到输出的响应时间不稳定，随机性给通过声波测距的算法带来很大随机误差，不适用，所以选取方案二。（3）电机模块的选择方案一：采用直流电机。直流电机控制方便，价格便宜，可方便的使用PWM调速。但定位精度不高，有惯性过冲的缺点，而且需要进行PID测速反馈才能使速度精确以及稳定；方案二：采用步进电机。步进电机定位精度高，通过转过步数就可以实现精确距离的行驶，且启停方便，噪声小，转动平稳。但价格稍贵，需要设计相应的控制以及驱动电路。由于本题要求使用NEC的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1），配合自制的L298驱动电路模块，可以方便地实现步进电机的控制。而且题目对定位精度有较高要求，直流电机的过冲特点将对精度产生影响。综上考虑，选取方案二，以步进电机作为系统的电机模块。（4）无线收发模块的选择方案一：采用NRF24L01。优点：设计有SPI接口，与单片机通信方便，价格便宜，体积小，传输速度快。缺点：误码率较大，程序编写较为复杂；方案二：采用FC-211/AP。优点：FC-211/AP提供TTL、RS232、RS485接口方式，低功耗，ISM频段工作频率无需申请频点，可靠性高，稳定性强，具有省电模式功能。缺点：价格稍贵。考虑到竞赛时间限制，FC-211/AP接口集成，掌握容易，使用方便，且传输稳定，因此选取方案二。（5）控制算法的选择方案一：从移动声源通过无线模块发送一个指令给主机，同时可移动声源发出一个音频信号。主机在接收到无线指令后开始计时，直到接收到移动声源发出的音频信号为止，通过计数值转化为时间参数，进而得到距离参数。A、B、C三个声音接收器与可移动声源的距离得到，即可准确定位出移动声源的位置，得到误差信号。优点：可以精确定位。缺点：需要温度补偿声速，需外加温度传感器，增加系统的复杂程度。 方案二：移动声源不断发出周期性音频脉冲信号，主机只检测AB或者AC两个声音接收器之间得到脉冲的时间差，然后通过时间差的正负判断可移动声源是否到达两个声音接收器之间的中线，进而驱动电机，实现声源的预定运动。优点：算法简化了复杂的三角函数运算，使得计算简单，误差降低；过程类似闭环反馈，不断检测并修正位置，使得精度要求得到保障。缺点：只能实现简单要求的运动，不能作为复杂运动的算法。考虑到竞赛对可移动声源要求的运动简单，并且方案二使得程序稳定。此外在测试过程中，发现无线模块通信存在时间延时，这将对主机和可移动声源的同步产生很大影响，因此方案一有较大缺点，故选取方案二。2系统设计本声音导引系统采用如下设计：以步进电机控制的自制小型电动车作为可移动声源的平台，蜂鸣器作发声器件，用MIC、三极管放大电路和比较器搭接的简单声音开关电路作为ABC三个声音接收器检测声源的音频信号，通过求AB或者AC两个声音检测器检测到连续发射的周期性音频脉冲信号的时间差的算法来控制可移动声源修正误差信号的运动，Atmega128主机控制声音接收器的音频信号的接收以及误差信号的处理运算，并且与小型电动车上的Atmega16从机通过无线模块通信，实现对可移动声源运动的控制，采用NEC的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）配合L298驱动电路实现对步进电机的控制和驱动，同时以LCD显示状态，完成动作以蜂鸣器和LED声光信号提示。二、理论设计与论证1设计任务本声音导引系统要求设计并制作一声音导引系统，示意图如图1所示。图1图1中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，Oy是AC的中垂线，W是Ox和Oy的交点。声音导引系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离Ox线（或Oy线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。 可移动声源运动的起始点必须在Ox线右侧，位置可以任意指定。2理论计算声源S发声后，声音沿直线传播到A、B、C三个声音接收器，由于声波在空气中以恒定速率传播，可通过测定三个声音接收器接收到音频信号的时间，判断声源S的位置。（1）基础部分（包括控制理论和误差信号的分析计算）基础部分的功能，仅通过接收器A和B就能完成。首先声源发出周期性的音频脉冲信号，与此同时定时器/计数器开始工作，声音接收器A、B分别接收到第一个音频信号时将会第一时间触发中断，此时得到的时间TA、TB就是从声波从声源分别传到声音接收器A、B的时间。得到时间差T=TA-TB若T0则声源S在Ox线右侧，误差信号为正，此时仍需控制电机驱动小型电动车往Ox行驶。若T0则声源S偏离到Ox线左侧，误差信号为负，需要控制电机反向调整小型电动车往Ox行驶。通过不断检测此时间差信息，达到控制小型电动车的目的。所选用的步进电机步距角4.5，控制脉冲f=160Hz，得到电机转速n=f4.5360=1604.5360=2r/s电机轴安装车轮，轮径d=6.5cm，得到小型电动车可达速度v=nd=26.5=40.8cm/s满足至少5cm/s的要求。实际速度V=15cm/s。得到步进距离s=4.5360d2.6mm/s步进距离远小于3cm定位精度要求。声源S发射的脉冲音频信号的周期为T=200ms，在一个周期内小型电动车行驶距离s=VT=150.2=3cm/s满足任意时刻不超过Ox5cm的要求。(2)发挥部分发挥部分要求车速满足大于10cm/s，以及定位误差小于1cm，可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧距离小于2cm（此项可以通过PID速度调节算法满足）。以上要求由基础部分计算可得，理论上均能满足。转向后可通过A、C测量。三、电路与程序设计1硬件电路设计（1）系统组成本系统分为主机和可移动声源两个部分，分别由Atmega128单片机和Atmega16单片机做为主控制器。主机部分电路包括液晶显示电路、声光提示电路、声音接收器电路；可移动声源部分电路包括电机驱动电路、声源控制电路。系统结构框图见图。图2 结构框图（2）主要电路图图3 声音接收器电路原理图 图4 步进电机控制电路原理图2软件设计 图5 主机软件流程图 图6 可移动声源流程图四、结果分析1创新发挥1、采用了YJD12864C-1汉字图形点阵液晶显示模块作为系统的显示部分，实时显示系统的运行状态：基础模式、发挥模式1、发挥模式2、测试模式、数值（代表时差的计数器值）。2、 考虑到低功耗的要求，硬件上实现电机的功率驱动部分在不工作时断电，（有指示灯指示）降低了系统闲置功耗。此外，采用了高性能低功耗的LM2569稳压芯片，相比7805等稳压芯片，发热耗散功率大为减少，提高了系统对电池的利用率，降低了无用功耗。2结果分析（1）测试仪表数字万用表，双踪数字示波器(TDS1002)，秒表，卷尺。（2）测试结果首先，需要按照图1固定A、B、C三个声音接收器，绘制标志线。对测试环境要求：较为空旷、安静。表1 基础部分测试结果启动位置（BD线上距离B的距离）/cm响应时间/s定位精度/cm204.11404.31604.52805.93可以看到，基础部分测试结果表明基础部分基本精度和时间能达到要求。过冲符合要求，且平均速度都大于5cm/s，定位精度在3cm以内。表2 发挥部分测试结果Oy方向距离/cm180转向行驶到达Ox时间/s到达Ox定位精度/cm原地停车时间/s转向时间/s再次启动时间/sOx方向与W距离/cmW点定位精度/cm60完成4.51.06.92.22.625260完成4.41.57.02.02.7252可以看到，发挥部分测试。180反向行驶完成到达Ox速度大于10cm/s，定位精度尚可。再次启动后速度基本满足要求，但是定位精度尚不够些。五、结语本系统可实现题目要求的大部分功能，通过测试结果可以看出，基础部分基本可以实现，发挥部分大部分功能都已调试通过，只是精度方面还有待提高。本题的难点是声音接收器的设计和制作，最重要的就是其中模拟电路的调节。此外，系统设计制作过程中，有很多方案的选择、检验以及排除（或者确定），都证明了实践和测试的重要性，锻炼工程项目的制作能力。参考文献：1