聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、 第九屆“瑞華贏杯”大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽聲音導(dǎo)引系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)報(bào)告參賽隊(duì)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(jì)與論證51、偏差信號(hào)的產(chǎn)生與控制方法5三、硬件電路設(shè)計(jì)61、mcu控制器：62、信號(hào)調(diào)理模塊：63、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊74、無(wú)線收發(fā)模塊8四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)8五、參考文獻(xiàn)9摘要：聲音導(dǎo)引系統(tǒng)由可移動(dòng)聲源和接收器兩大部分組成?？梢苿?dòng)聲源由stc12c5a60s2單片機(jī)為控制板、mmc-1、無(wú)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(hào)接收裝置和無(wú)線發(fā)送裝置等組成。本文詳細(xì)介紹了各模塊的應(yīng)用電路以及系統(tǒng)

2、的軟件算法。根據(jù)定位需求推導(dǎo)了偏差計(jì)算的公式，采用bang-bang算法控制可移動(dòng)聲源的運(yùn)動(dòng)。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(dòng)聲源的平臺(tái)不限，考慮到性價(jià)比，選擇市場(chǎng)上的玩具小車(chē)經(jīng)改裝后最為合適，其開(kāi)始運(yùn)動(dòng)方向和ox線保持垂直，故在實(shí)現(xiàn)基本要求時(shí)，只需在聲音引導(dǎo)下直線行駛即可。若要實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分到達(dá)w點(diǎn)，則小車(chē)必須具有轉(zhuǎn)向功能。移動(dòng)聲源兩側(cè)寬度為0.3cm的標(biāo)志線主要用來(lái)目測(cè)移動(dòng)過(guò)程中聲源是否超過(guò)ox線規(guī)定的距離。發(fā)聲器件是移動(dòng)聲源測(cè)距的中心位置，其可放在平臺(tái)的任何位置，但為簡(jiǎn)化計(jì)算和補(bǔ)償，其放在小車(chē)最前端的中間位置最易實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確導(dǎo)引。為便于使移動(dòng)聲

3、源不跨越ox線，有關(guān)將此車(chē)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(dòng)聲源和接收器均采用可充電電池供電。為便于測(cè)試并減輕平臺(tái)負(fù)荷，可考慮在接收器部分加裝lcd顯示時(shí)間、距離和平均車(chē)速。根據(jù)題目要求，到達(dá)ox線時(shí)，聲音傳播到a、b接收器的時(shí)間相同，因此只需要根據(jù)a、b兩點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間差來(lái)控制小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。如要要求移動(dòng)聲源到達(dá)w點(diǎn)，則需要接收器a、b、c三點(diǎn)接收到聲音的時(shí)間相等。1. 可移動(dòng)聲源的主要功能可移動(dòng)聲源主要由小車(chē)、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(hào)；（2） 通過(guò)無(wú)線接收聲源的位置信息，控制平臺(tái)移動(dòng)到目標(biāo)位置；（3） 完成聲光提示；（

4、4） 采用mmc-1芯片進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。 2. 接收器的主要功能： 接收器主要由控制板、音頻信號(hào)接收裝置和無(wú)線發(fā)送裝置等構(gòu)成。其主要功能如下：（1） 接收移動(dòng)聲源發(fā)送的音頻信號(hào)；（2） 完成對(duì)定位信號(hào)的計(jì)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(wú)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(jià)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(gè)控制板，外接三路音頻接受器，經(jīng)過(guò)一路無(wú)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(jià)比，并且系統(tǒng)運(yùn)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(gè)相互獨(dú)立的控制器分別控制

5、音頻接收器a、b、c接收的信號(hào)并進(jìn)行無(wú)線發(fā)送，在方案二中，采用一個(gè)共同的控制器對(duì)三個(gè)接收器進(jìn)行控制，與方案一相比，方案二在實(shí)現(xiàn)相同功能的前提下，具有較好的性價(jià)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(jì)與論證1、偏差信號(hào)的產(chǎn)生與控制方法圖表 3 坐標(biāo)系建立如圖2所示的坐標(biāo)系，a點(diǎn)坐標(biāo)（0，0）。設(shè)聲源s的坐標(biāo)為（x，y）。該系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)的功能為：聲源發(fā)出聲音后小車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)，其運(yùn)動(dòng)方向和ox線保持垂直，運(yùn)動(dòng)軌跡應(yīng)如圖3.1中線sg所示。當(dāng)可移動(dòng)聲源運(yùn)動(dòng)到ox線（即g點(diǎn)）時(shí)，停止5s10s后沿gw線運(yùn)行，到達(dá)w點(diǎn)后停止同時(shí)有聲光提示。在整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的過(guò)程中，接收器與聲源之間的距離滿

6、足以下關(guān)系式：聲源發(fā)出聲音后，三個(gè)接收器a、b、c接收到聲音所需要的時(shí)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(shuō)明：聲源s距離ox線的垂直距離x和聲音到達(dá)a、b兩點(diǎn)的時(shí)間的平方差成正比。當(dāng)x=0.5時(shí)=，表示移動(dòng)聲源到達(dá)ox線。同理：，說(shuō)明聲源s距離w點(diǎn)的垂直距離y和聲音到達(dá)a、c兩點(diǎn)的時(shí)間的平方差成正比。當(dāng)x=0.5，y=0.5時(shí)，可移動(dòng)聲源到達(dá)w點(diǎn)。由于，的時(shí)間不容易測(cè)量，因此采用判斷時(shí)間差的方法進(jìn)行控制。設(shè)聲源 s的聲波傳至接收器a、b的時(shí)間差t1=- ,至 a、c的時(shí)間差t2= -。實(shí)現(xiàn)聲音引導(dǎo)小車(chē)的原理：小車(chē)聲源連續(xù)發(fā)出恒定頻率的聲音信號(hào)，當(dāng)小車(chē)從ox軸右側(cè)靠

7、近ox線運(yùn)動(dòng)時(shí)，傳至a，b點(diǎn)的時(shí)差t1會(huì)逐漸趨近于0，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦t1=0或接近系統(tǒng)設(shè)定值，控制器發(fā)出停車(chē)信號(hào)，確保小車(chē)停在ox線上。當(dāng)在ox線上停止5s10s后，控制小車(chē)沿gw線運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中t2會(huì)逐漸趨近于0，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)，一旦t2=0或接近系統(tǒng)設(shè)定值，控制器發(fā)出停車(chē)信號(hào)，確保小車(chē)停在w點(diǎn)。三、 硬件電路設(shè)計(jì)1、mcu控制器：采用stc12c5a60s2單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，該單片機(jī)具有加密性強(qiáng)、高速、高可靠、強(qiáng)抗靜電、強(qiáng)抗干擾等特點(diǎn)，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(jiàn)附件。2、信號(hào)調(diào)理模塊：聲音接收器采集到小車(chē)發(fā)出的聲音

8、，須先經(jīng)過(guò)濾波器濾波，放大器放大，消除一部分干擾信號(hào)的影響，得到含有紋波的脈沖信號(hào)，再需經(jīng)過(guò)lm339構(gòu)成的施密特觸發(fā)器進(jìn)行整形，才可得到標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)的聲源信號(hào)，利用示波器和信號(hào)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(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行三級(jí)放大（如圖5），mic信號(hào)先經(jīng)過(guò)電壓跟隨器，得到較大的電流，然后在經(jīng)過(guò)兩級(jí)固定放大，第三級(jí)放大倍數(shù)可調(diào)（最大21倍）。 圖表 5 lm324級(jí)聯(lián)放大 放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)lm339構(gòu)成的施密

9、特觸發(fā)器進(jìn)行整形，可得到標(biāo)準(zhǔn)的鋸齒波如圖6，其中鋸齒波的寬度可以通過(guò)參考電壓的調(diào)節(jié)改變。圖表 6 整形電路3、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如圖7所示，每一路直流電機(jī)需要chndcpwm和cheddar 兩個(gè)引腳(n=13)，chndcpwm 用于pwm 輸出，chndcdir 用于指定電機(jī)轉(zhuǎn)向，外接l298全橋驅(qū)動(dòng)芯片，r=10k,c=0.47uf。輸出頻率為16khz，通過(guò)調(diào)節(jié)占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖表 7 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理示意圖4、無(wú)線收發(fā)模塊系統(tǒng)采用nrf24l01型微功率無(wú)線傳輸模塊，通過(guò)ttl電平與單片機(jī)進(jìn)行通信，應(yīng)用原理圖如圖3.5所示。圖表 8 無(wú)線收發(fā)模塊應(yīng)用原理圖四、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(dòng)聲源系統(tǒng)流程圖五、 參考文獻(xiàn)1 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)及實(shí)現(xiàn)j