1、声音导引系统我的学习笔记 2009-09-11 19:22:57 阅读 441 评论 3 字号：大中小 摘要对于题目所说的这样一种声音引导系统，需要我们主要做一下两个方面的工作可移动光源的发声和移动控制，声音接收后的转化、处理与传输。而且这两个子系统不能用导线连接在一起而只能以无线的方式进行数据的传输，所以两个子系统要分别控制，也要分别供电。由于这两个子系统的外接设备并不是太多，在选择 MCU 的时候要求也不是太高。综合考虑我们选用一款 STC12C5A60S2 单片机和一款STC89C51 分别控制两个子系统。声音导引需要我们对声源和声音接收器两部分主要进行控制，利用声音在空气中传播不同位移
2、时间延迟的不同来引导可移动声源按照要求移动。在设计过程中，我们还要用无线的方式把声音时延的误差值转化成的控制信号进行传输。关键词：STC 单片机、可移动声源、声音接收器、无线传输、声音导引1 系统基本方案论证与选择1.1 整体方案的比较1.1.1 声源的选择方案一：使用小型蜂鸣器。蜂鸣器发声原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的。它能够在单片机的控制下输出周期的音频信号。但是因为蜂鸣器发出的声音太过于刺耳，驱动电流也比较大（单片机的 I/O 口都不能直接驱动）,而且更关键的是外界对蜂鸣器的干扰会很强。方案二：使用小型扬声器。扬声器上的永磁体通过轭铁在磁路的环形气隙中产生一
3、个磁场，和扬声器纸盆相连的音圈插入环形气隙中，永磁体被外部的轭铁所包围，从而可以免遭外界杂散磁场的干扰，反过来也可以减小永磁体磁场对外界的影响，当声音以电流的形式通过磁场时线圈便会因电流强弱的变化产生不同频率的震动，进而带动纸盆发出不同频率和强弱的声音。故选用此方案。 1.1.2 声源移动载体的选择声源必须是可移动的，我们需要为声源提供可移动的载体。最简单的方法就是电动小车。小车是整个系统的基础，小车的性能非常重要。方案一：利用市面上的玩具小车进行拆装改造组合。一般市面上的玩具小车价格都比较昂贵，而且一般小车都是塑料的，在拆的过程中难免会出现拆坏的情况。而且拆完的小车电机性能也不是太好太稳定，
4、所以在使用上也不是太方便。方案二：自制小型电动车。自己购买车轮、电机以及车底板。在塑料板上打上小孔，用铝条和螺丝把电机固定在板上，主动车轮用胶液粘和在电机轴上。小车采用三轮支撑，把两个驱动轮作为前轮，在车的后部加上一个万向轮支撑。在行驶过程，依靠控制两个驱动轮的速度差进行转向。这种小车的运动最为灵活，转弯灵敏，控制性能较好。故选用此方案。1.1.3 电机选择方案一：使用直流电机。直流电机启动性能和调速性能优越，易平滑调速，这个是交流电机无法取代的直流电动机过载能力较强，热动和制动转矩较大。但是直流电机换向困难，还会产生火花，寿命短。方案二：使用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变成角位移或线位
5、移的开环控制元件。步进电机在速度、位置等控制领域的控制操作非常简单，精度也相对较高。但相对于直流电机而言，步进电机的转速不够，在一些要求速度的场合实用性不高。但是对于这道题目，速度最高也就要求是 10cm/s，相对于步进电机来说已经绰绰有余了，更何况在这道题目中，对于行驶的精度要求很高。综合以上，选择步进电机驱动小车行驶。在购买电机时，我们拆旧打印机的方法来得到步进电机，这样既节约了成本，又保护了环境。1.1.4 电机驱动电路选择方案一；采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的启动，停止及行进速度进行控制。但继电器的响应时间较慢，机械结构易损，寿命短，可靠性较差，基本不可行。
6、方案二：采用脉宽调节（ PWM）方式来控制电机。此题目中要求使用的是专用的 MMC-1 芯片驱动电机，但是在调试过程中 MMC1 在不知不觉中烧掉，而且没有备用芯片，情急之下我们决定采用 L297 和 L298 来驱动两相四线式的步进电机。L298 是双H 桥式驱动器，内含的功率输出器件设计制作在一块石英基片上，由于制作工艺的同一性，因而具有分立元件组合电路不可比拟的性能参数一致性，工作稳定。这种方式结合的优点是，需要的原件很少，从而使得装配成本低，可靠性高和占空间少。1.1.5 声光指示方案方案一：采用单片机产生不同的频率信号驱动蜂鸣器来完成声音提示，此方案能完成声音提示功能，给人以提示的可
7、懂性比较差，但在一定程度上能满足要求，而且易于实现，成本也不高。方案二：采用 DS1420 可分段录放音模块，能够给人以直观的提示，但 DS1420 录放音模块价格比较高，也可以采用此方案来处理，但方案二性价比不如方案一我们出自经费和易操作性等方面考虑，采用方案一来作为最后的声音指示。光的指示更加简单，用单片机控制普通的发光二极管就可以了。1.1.6 声音接收器方案方案一：使用小型麦克，需自制放大电路，且不稳定。方案二：使用专用的拾音器。其输出信号幅度可调、灵敏度高、噪声低、耗电省、可靠性高、使用方便。故我们选择方案二。1.1.7 无线传输方案市场上有很多无线传输指令、数据的模块，有的对于此次
8、比赛来说足够够用。我们也是在电子商店里买的无线传输模块。对于这个题目，我们可以控制小车前进、后退、左转、右转，从而达到目的。我们买的是无线遥控的模块。发射部分是四个按键，通过按键就能控制车的行驶了。但是这个题目中不能使用人工操作，所以我们把无线模块上的按键进行了改装，通过 MCU 的四个 I/O 来控制开关的开断，就能给接收模块发送指令，从而指引小车运动。1.1.8 电源电路小车采用的是 12V 的锂电池组，经过稳压后还能给控制系统提供电源。而且此电池组的电池容量为2200mA.h，一次充电后可以很长时间的给系统提供电力，避免了频繁的更换电池，提高了可靠性。为了减小小车各模块电路间的耦合，我们
9、在每个模块的电源端都接上了一定的去耦电容。声音接收器这边也要用电源，我们采用的是自制的稳压电源。1.2 系统控制方案对于这个系统，必须在声源和接收器处各有一个控制芯片 MCU。一个 MCU 控制扬声器发声，并处理无线接收到的引导信息，这个 MCU 还必须得控制两个步进电机。另一个 MCU 得处理从声源接收到的声音信号，经过一定的算法计算出给小车发出的指令，并控制无线发射部分把指令发送到小车处，引导小车运动和停止。对于以上叙述，我们可以有如下的方框图：声音发射部分：产生频率为的周期音频脉冲，如图一所示图一 声音发射部分方框图声音接收部分：如图二所示图二 声音接收部分方框图对于 MCU 的选择上，
10、我们可以执行的方案有好多种，其控制的流程图和上面的大体一致。能够用到的 MCU 有单片机（包括 STC89C51、STC89C52 、STC12C5A16S2、MSP430、凌阳单片机、PIC 系列、AVR、ARM 等等）、DSP、CPLD 以及 FPGA 等等 MCU 中心微处理芯片。它们都能达到控制系统的功能，但从各个方面考虑，我们首先排除 CPLD 及 FPGA 这两种价格昂贵且大材小用的芯片，在这种小型的控制场所是根本用不上的。其次是 DSP，引脚较多，使用不够方便，而且价格也较普通的 51 单片机贵很多。所以我们决定采用性价比比较高的 STC12 系列单片机和普通的 STC89C51
11、 联合使用。前者价格和普通的 51 单片机差不多，管脚也和 51 完全兼容，但运行速度是 51 的 812 倍，还能多出 4 个 I/O口（P4 口）。2 系统测量原理及控制理论介绍2.1 测量原理声音在空气中传播的速度大约是 340m/s，随着空气中气流的变化而不同，我们不妨把它设为 v，则声音传播的距离 S 和时间 t 满足S=v*t （式 1）所以当传播的距离不等时，接收到声音时产生的时延也不相同。2.2 基础部分误差信号产生小车行驶时的示意图如图三所示图三 基础部分行驶示意图测量原理是依靠声源距三个接收器的远近不同，从而在同时发声的时候检测到声音信号的时延明显不同。根据这个时延的误差信
12、号，可以判断小车的位置，从而控制小车的行驶方向和速度。当小车到达ox 线时，声源到达 A、B 的时间是一样的，我们就可以根据这点来让小车停止在 ox 线上。2.3 发挥部分误差信号产生小车行驶的路径如图四所示图四 发挥部分小车行驶示意图当小车运动到 ox 线后，停车 5-10 秒后，会在声音指引下向 W 点移动。当声源到达 W 点时，三个接收器接收到的声音时延相同，也就能够控制小车停止了。3 系统硬件组成及程序流程图3.1 系统硬件组成系统各个部分的基本方案及其控制理论选取以后，就需要对各部分分别制作，然后把所有的模块集成到一起，安装在电动小车上。整个系统分为两个部分声源（即小车）和接收器，两
13、部分不能用线连接到一起，但需要用无线的方式进行数据的传输和联系。这就要求我们分别对这两部分进行制作调试，再把它们进行联调。3.2 系统程序大体流程图系统的大体流程图如图五所示图五 系统组成在程序设计的时候，大体思路和上图相同，只是在设计的时候很多部分都涉及到算法的细节问题，比如说：声源固有频率的产生，如何用麦克风采集声音信号，如何对声音信号进行处理，无线模块如何发射接收，无线传输完成后如何用单片机来控制小车的移动和停止以及声光提示等等。4 系统的组装与调试系统涉及到的元件并不是太多，所以组装并不是太难，用螺丝螺母以及胶水就能固定了。调试方面，当声源放在场地任何一个位置，三个声音接收器接收到的声音信号都是有差异的，而这个差异能够被单片机处理，变成一种编码指令通过无线的方式传输给声源，导引其运动。经过反复调试，把停车地点定位到 ox 线上，在声源处标记上，整个测试就算完成了。5 总结经过四天三夜的艰苦奋战，我们在精诚合作中完成了项目，并从中学到了很多知识。感谢大赛举办方和赞助商给我们这样一个展示自己磨练自己的机会，也感谢学校给我们的软硬件设施，还有组委会的各位专家的辛苦劳作！
