声音引导系统设计-单片机设计论文19

1、B甲132声音导引系统设计报告摘要： 本系统以Atmel公司的Mega32单片机为控制核心，声源压电陶瓷片以小车为载体，经单片机控制发出特定频率的声波，接收器压电陶瓷片检测到声波后无线传输发回单片机，以此实现了声源的精确坐标定位并且可控制小车行驶到指定位置。 根据题目要求，我们使用了两片AVR单片机，Mega32和Megal6。一片控制声源发声，并且实现声光报警、显示车速和路程等功能,一片与三个接收器连接，用作检测声音信号并发回Mega32。两片单片机用XL7105D01无线收发模块实现通信。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，不但完成了所有基本和发挥部分的要求，还增加了速度、路程显示和语

2、音播报三个创新功能。本系统采用可充电锂电池供电，所用均为市面常见芯片，价格低廉，达到了低功耗、性价比高的要求。关键词： 亚超声； 无线通信； 坐标定位 Abstract ： Control core of this system is Atmels microcontroller Mega32.Controled by the Mega32 microcontroller, removable sound source piezoelectric issues sound of certain frequencies. The sound receiver piezoelectric dete

3、ct the sound source and send back signals to mega32 through the wireless transmission, thus achieving the precise coordinates control of the sound source position and can control the car driving to the specified location. According to the subject requirements, we use the two AVR microcontroller. Meg

4、a32 controls the sound source, and can achieve the realization of sound, light alarm and display speed and distance. Connected with three receivers, Mega16 can detect the sound and can then send signals back to Mega32.The two use wireless transceiver modules where the A7105 chip microcontroller as t

5、he core for communication. The final experimental results show that the system fully met the design requirements. The system not only complete all the basic and further requests, but also add three innovative functions which include the speed, distance display and voice broadcast. Powered by recharg

6、eable lithium battery, chips used are cheap and common in the market, thus achieving low cost and cost-effective requirements.Key words: ultrasound; wireless communication; coordinates location 一 ：方案设计与论证1 方案论证1.1电源方案一：采用铅蓄电池供电，电流大，供电时间长，但重量沉，体积大，不适合做小车电源。方案二：采用干电池供电，重量轻携带轻便，但小车需要的电量大，消耗快，这种一次性电池就造成

7、了浪费，处理不当就会污染环境。方案三：采用可充电锂电池供电，锂电池是一种应用广泛的可充电电池，它具有单体工作电压高、体积小、重量轻、能量密度高、循环使用寿命长，可在较短时间内快速充足电以及允许放电温度范围宽等优点。此外，锂电池还有自放电电流小、无记忆效应等优点，并且绿色环保无环境污染。经比较可以发现，锂电池是最适合小车供电的电源，因此我们选择方案三，用三节锂电池串联，经7805芯片后供电给单片机等模块使用。1.2 声源选择 方案一： 采用超声波，超声波频率高，抗干扰能力强，在现代工业生产过程中应用广泛，但若要达到预想的测量精度需要自动增益控制、峰值包络检测等一系列硬件电路设计，较为繁琐，且超声

8、波方向性强，不适合题目的转向要求。方案二：采用可听到的高频声波，幅频特性较好，传播方向性广，适合于题目要求。但硬件需要喇叭和麦克及其放大、选频电路，抗干扰能力差，需要精确的硬件搭建。方案三： 采用亚超声声源，亚超声频率高，受周围中低频率噪音干扰小，且声波比低频率声波柔和不刺耳，硬件只需压电陶瓷片发射接收即可，即通过单片机H桥推挽输出特定频率的亚超声，接收的压电陶瓷片后接放大及电压比较即可输入单片机，硬件搭建简单且抗干扰能力强。综合以上三种方案，我们选择了第三种方案，采用15.5KHz的亚超声声源。1.3无线收发模块方案一： 采用ZF02_96P无线收发模块，发射距离远，但抗干扰能力差，传输速度

9、慢，适用于中远距离无线数据收发。方案二： 采用XL7105D01无线收发模块。此模块采用跳频方式，抗干扰能力强，通讯稳定可靠，且灵敏度高，传输速度可达500kbs的，低功耗，价格低廉，适用于短距离无线传输。综合以上两种方案，XL7105D01无线收发模块是较好的选择。1.4驱动电机方案一：采用步进电机驱动，通过控制脉冲个数来控制角位移，可以达到精确控制，但步进电机体积大，重量沉且价格高，不适合驱动高速行驶的小车。方案二：采用永磁交流伺服电动机，伺服电机是基于闭环控制的高精密电机，性能优越，可满足题目要求，但是价格非常昂贵。方案三：采用减速小型直流电机，简单易控，只需5V供电，功耗低，同样可以通

10、过单片机的PWM控制转速，可以达到小车前进、倒退、正反转及精确角度的转向控制等要求，并且使用一片专用的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）和L298N芯片即可驱动两个直流电机。 综合比较三种方案，我们选择了方案三，以直流电机作为小车的驱动电机。1.5控制器模块方案一：采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制中心。经典51单片机具有价格低廉，使用简单等优点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小、不稳定等缺点。本题目要求有较大的RAM，若扩展内存则硬件工作量必然大大增多。而高档的MCS-51系列价格昂贵、冗余资源较多，适用范围窄。方案二：采用Atmel公司的ATMega32单片

11、机，此为具有32KB 系统内可编程 Flash和两个8 位定时器的8 位AVR微控制器，其主要特点如下高性能、低功耗； 32K 字节的系统内可编程Flash，1024 字节的EEPROM； 支持扩展的片内调试功能；方案三：采用PHILIPS公司的LPC213XARM系列为控制器核心。高集成度的32位嵌入式ARM控制器核心强大速度快，具有良好的控制与通信功能，运算速度很高。作为控制小车的核心部件则资源的利用率较低，而且ARM价格昂贵，程序要求也较高。 综合比较三种方案，Mega32单片机即可很好得达到系统的要求，因此我们选定Mega32作为声源控制单片机，Mega16作为接收器端控制器。 1.6

12、软件算法 方案一：采用逼近算法，即通过比较声音到达A接收器和B接收器的时间T1和T2大小进行调节，使小车尽量靠近ox线，即调节（T2-T1）逼近于零。发挥部分到达W点即调节三个时间值逼近相等。此算法实现较为简单，但相对误差较大。 方案二：采用坐标定位法，即通过不断发送检测声音信号，测得声音到达三个接收器的两两时间差，建立两条双曲线，其交点即为声源坐标。通过不断地定位坐标与指点位置的差距控制小车行驶。 综合比较两种方案，方案一实现较为简单，但误差较大，方案二实现较为复杂，但更精确，因此我们选定两种算法结合，即先采用方案二使声源精确定位，再采用方案一逼近指定位置，则既可以使其精确控制又能保证速度。

13、2 总体设计 根据上述方案论证，经过各种实验尝试，我们最终选定了以锂电池供电，使用两片AVR单片机，一片Mega32输出PWM波经放大后控制压电陶瓷片发出15.5KHZ的亚超声声波，接收端检测到声波后经放大比较电路处理后输入另一片单片机Mega16，单片机计算处理然后经XL7105D01无线收发模块发回Mega32，Mega32即检测并进行声源的精确坐标定位，控制直流电机带动小车运动，到达指定位置后声光报警。另外还可以全程实时显示车速和路程等。3 系统框图根据上面的分析论证，我们设计了系统的总体结构框图如下图1所示：图1 系统结构框图二：模块电路设计 1发声放大电路单片机输入一定频率的方波，发

14、声器件为压电陶瓷片，为了能更好地增大发声功率，使得远距离依然可以探测到声音信号，我们设计了H桥推挽输出的发声放大电路，+12V供电，通过此电路提高了供电能力，使发声功率增大。单片机输入一定频率的方波。具体电路设计见附录图1。2亚超声接收处理电路亚超声声波仍然由压电陶瓷片接收，信号需要经过放大和电压比较之后输入单片机，为了更精确地检测信号，我们设计了由NE5532组成的放大电路，电压增益可达千倍以上，后经电压比较器比较后即可被单片机检测到。具体电路设计见附录图2。3电机驱动电路采用专用的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1）和L298N芯片联合驱动电机，MMC-1芯片的第1、29和30脚通过电阻

15、接地，选择UART通讯方式，因此MMC-1芯片的第8脚接逻辑高电平。L298直接驱动直流电机。具体电路设计见附录图3。4无线传输模块采用XL7105D01无线收发模块，经二极管把地端提高到0.7V,+5V输入端串入二极管使电平拉低1.4V，以此获得所需的3.3V电源，与TTL电平相匹配。具体电路设计见附录图4.三 ：软件流程1 设计思想程序包括建立坐标系，行走方式，无线通信，采集信号程序并解析程序，电机驱动程序。使电机有良好的驱动特性，可正反转，精确转向，且转动平稳、有力，采用PID算法；可靠地获取转速反馈信号；根据反馈信号使用有效的控制策略使电机达到所需的转速；利用码盘的反馈信号控制行走距离

16、；可以根据命令实现电机的特殊运行状态，包括停车、转弯等。其中因为题目要求小车较为精确地到达指定位置，我们采用了建立坐标系的方法，进行初始定位及微调前定位。（1）信号采集与解析完成信号处理和内容解析；（2）电机PWM驱动根据电机控制参数产生驱动信号，使电机进入期望的运动状态；（3）速度反馈读取码盘信号，计算出速度数据，兼完成计数功能，实现行走距离控制；（4）控制策略根据命令给出的数据和反馈得到的数据计算出电机控制参数，实现速度及方向控制。2 算法介绍 （1）坐标定位算法利用声波到达的时差信息来推算两维的声源定位问题：图2 直角坐标系中接收器示意图如图2所示, 在一个平面上布置三个传感器(接收换能

17、器) S0, S1 和S2, 坐标分别为(x 0, y 0) , (x 1, y 1) 和(x 2, y 2) , 当平面上某处发出声波时, 信号将先后被三个传感器所接收, 设时间分别为t0, t1 和t2. 事实上实验并不能真正测到事件到达的绝对时间,而只能测出它们的时间差t1= t1 - t0, t2= t2- t0. 设声波沿媒质表面的传播速度为c, 对传感器S0 和S1 而言, 声源发生的位置应当在到该两点的距离差为S t1 的曲线上, 这是一条双曲线. 很明显, 利用 t1 和 t2 可以得到两条双曲线, 它们的交点就是声源所在的位置.为了便于导出具体的计算公式, 把S0 设为坐标原

18、点(不失一般性) , 即(x 0, y 0) = (0, 0). 声源发生的位置为(x , y ) , 也可以用极坐标( r, H) 表示并满足x 2 + y 2 = r2 (1)(x - x 1) 2 + (y - y 1) 2 = ( r + S t1) 2 (2)(x - x 2) 2 + (y - y 2) 2 = ( r + S t2) 2 (3)把(x , y ) 换成极坐标, 并令S1= S t1, S2= S t2, A = x 2 (x 12 + y 12 - S12) x 1 (x 22 + y 22 - S22) (4)B = y 2 (x 12 + y 12 - S12

19、) y 1 (x 22 + y 22 - S22) (5)D = S1 (x 22 + y 22 - S22) S2 (x 12 + y 12 - S12) (6)因为A , B , D ,均可由实验数据算出= arctan (B A ) , 则声源位置可通过极坐标给出. 从极坐标可以轻易得到声源的直角坐标，由此可以实现声源的精确定位。（2）逼近算法 在题目所示图中，当t23大于t12时，调节使2的调节速度快一些，即使小车向前的速度快一些，当t23小于t12时，调节使向下的速度快一些，当t1、t2和t3值逼近相等时即表示到达中心点。3.程序流程图Mega32单片机流程图见下左图3，Mega16单片机流程图见下右图4。 图3 声源端Mega32单片机程序流程图 图4 接收器端Mega16单片机程序流程图四 ： 测试方法与测试结果 1 . 测试仪器 卷尺：精度1mm。秒表：精度0.01s，两块。1平方米场地 2 . 测试结果把小车放在任意位置，测量小车的行驶距离及时间，求得平均速度。（1） 基本部分测试结果如下表1，平均速度为5.5 cms。平均定位误差为2.2cm。 表1 基本部分测试结果示意图距离（cm）