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声音导引系统设计报告

第九届“瑞华赢杯”大学生电子设计竞赛

大学生电子设计竞赛

声音导引系统初步设计报告

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目 录

摘要、关键字： 3
一、系统总体方案 3
1、题意分析 3
2、整体方案比较 3
二、系统方案设计与论证 5
1、偏差信号的产生与控制方法 5
三、硬件电路设计 6
1、MCU控制器： 6
2、信号调理模块： 6
3、电机驱动模块 7
4、无线收发模块 8
四、系统软件设计 8
五、参考文献 9

摘要：
声音导引系统由可移动声源和接收器两大部分组成。可移动声源由STC12C5A60S2单片机为控制板、MMC-1、无线接收模块、显示模块等组成。接收器主要由控制板、音频信号接收装置和无线发送装置等组成。本文详细介绍了各模块的应用电路以及系统的软件算法。根据定位需求推导了偏差计算的公式，采用bang-bang算法控制可移动声源的运动。

关键字：声音引导 STC12C5A60S2

一、系统总体方案
1、题意分析
由于可移动声源的平台不限，考虑到性价比，选择市场上的玩具小车经改装后最为合适，其开始运动方向和Ox线保持垂直，故在实现基本要求时，只需在声音引导下直线行驶即可。若要实现发挥部分到达W点，则小车必须具有转向功能。
移动声源两侧宽度为0.3cm的标志线主要用来目测移动过程中声源是否超过Ox线规定的距离。发声器件是移动声源测距的中心位置，其可放在平台的任何位置，但为简化计算和补偿，其放在小车最前端的中间位置最易实现准确导引。
为便于使移动声源不跨越Ox线，有关将此车头反向放置，留在发挥的其它部分考虑。
考虑到绿色环保和便于安装，移动声源和接收器均采用可充电电池供电。
为便于测试并减轻平台负荷，可考虑在接收器部分加装LCD显示时间、距离和平均车速。
根据题目要求，到达Ox线时，声音传播到A、B接收器的时间相同，因此只需要根据A、B两点接收到声音的时间差来控制小车的运动。如要要求移动声源到达W点，则需要接收器A、B、C三点接收到声音的时间相等。
1. 可移动声源的主要功能
可移动声源主要由小车、发声器件、控制板等组成。其主要功能如下：
（1） 发出音频脉冲信号；
（2） 通过无线接收声源的位置信息，控制平台移动到目标位置；
（3） 完成声光提示；
（4） 采用MMC-1芯片进行驱动。
2. 接收器的主要功能：
接收器主要由控制板、音频信号接收装置和无线发送装置等构成。其主要功能如下：
（1） 接收移动声源发送的音频信号；
（2） 完成对定位信号的计算和处理；
（3） 发送相应的定位信息。
2、整体方案比较
方案一：各路声音接收器均有自己的控制板无限发送模块，发送接受相互不影响，可以提高系统可靠性，但性价比底。

图表 1 方案一系统结构图

方案二：本方案采用一个控制板，外接三路音频接受器，经过一路无线模块发送和接收，这样可大大减少了系统成本，提高性价比，并且系统运行可靠稳定。

图表 2 方案二系统结构图

方案比较：方案一中采用三个相互独立的控制器分别控制音频接收器A、B、C接收的信号并进行无线发送，在方案二中，采用一个共同的控制器对三个接收器进行控制，与方案一相比，方案二在实现相同功能的前提下，具有较好的性价比，而且稳定性、可靠性高。因此我们选用方案二。
二、系统方案设计与论证

1、偏差信号的产生与控制方法

图表 3 坐标系

建立如图2所示的坐标系，A点坐标（0，0）。设声源S的坐标为（x，y）。
该系统需实现的功能为：声源发出声音后小车开始运动，其运动方向和Ox线保持垂直，运动轨迹应如图3.1中线SG所示。当可移动声源运动到Ox线（即G点）时，停止5s～10s后沿GW线运行，到达W点后停止同时有声光提示。
在整个系统运行的过程中，接收器与声源之间的距离满足以下关系式：

声源发出声音后，三个接收器A、B、C接收到声音所需要的时间，，分别为：，，，
其中V为声音在空气中的传播速度。
由以上分析有：

上式说明：声源S距离Ox线的垂直距离x和声音到达A、B两点的时间的平方差成正比。当x=0.5时=，表示移动声源到达Ox线。

同理：，

说明声源S距离W点的垂直距离y和声音到达A、C两点的时间的平方差成正比。当x=0.5，y=0.5时，可移动声源到达W点。
由于，，的时间不容易测量，因此采用判断时间差的方法进行控制。设声源 S的声波传至接收器A、B的时间差Δt1=- ,至 A、C的时间差Δt2= -。
实现声音引导小车的原理：小车声源连续发出恒定频率的声音信号，当小车从OX轴右侧靠近OX线运动时，传至A，B点的时差∆t1会逐渐趋近于0，通过实时检测，一旦∆t1=0或接近系统设定值，控制器发出停车信号，确保小车停在OX线上。当在OX线上停止5s~10s后，控制小车沿GW线运动，在运动的过程中∆t2会逐渐趋近于0，通过实时检测，一旦∆t2=0或接近系统设定值，控制器发出停车信号，确保小车停在W点。

三、 硬件电路设计
1、MCU控制器：
采用STC12C5A60S2单片机实现，该单片机具有加密性强、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰等特点，内置两路PWM输出，8路10位ADC输入通道，为了减小功耗及体积，选择了贴片式封装。最小系统原理图见附件。

2、信号调理模块：
声音接收器采集到小车发出的声音，须先经过滤波器滤波，放大器放大，消除一部分干扰信号的影响，得到含有纹波的脉冲信号，再需经过Lm339构成的施密特触发器进行整形，才可得到标准的锯齿波。
滤波电路采用MAX274制作的有源滤波器，电路图如下：
图表 4 MAX274原理图

为了接收器能接收到较强的声源信号，利用示波器和信号发生器得出了接收器的中心频率f0=4.0KHz，品质因数Q=10。然后利用公式
，
可以得出：

本模块利用LM324对声音信号进行三级放大（如图5），MIC信号先经过电压跟随器，得到较大的电流，然后在经过两级

固定放大，第三级放大倍数可调（最大21倍）。

图表 5 LM324级联放大

放大后的信号经过LM339构成的施密特触发器进行整形，可得到标准的锯齿波如图6，其中锯齿波的宽度可以通过参考电压的调节改变。

图表 6 整形电路

3、电机驱动模块
如图7所示，每一路直流电机需要CHnDCPWM和Cheddar 两个引脚(n=1~3)，CHnDCPWM 用于PWM 输出，CHnDCDIR 用于指定电机转向，外接L298全桥驱动芯片，R=10K,C=0.47uf。输出频率为16KHz，通过调节占空比控制电机转速。

图表 7 电机驱动模块原理示意图

4、无线收发模块
系统采用Nrf24L01型微功率无线传输模块，通过TTL电平与单片机进行通信，应用原理图如图3.5所示。

图表 8 无线收发模块应用原理图

四、 系统软件设计

系统软件流程图如下：

9 接收器系统流程图

图表 10 可移动声源系统流程图

五、 参考文献
[1] 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006
[2] 一种小功率逆变电源的设计及实现[J]
[3] 童诗白、华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2007
[4] 王宜杯,刘晓升.嵌入式系统——使用HCS12微控制器的设计与应用[M].北京：北京航天航空大学出版社，2008
[5] 智能车制作[J].
[6] 陈永真,宁武,蓝和慧.新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选[J].北京：电子工业出版社,2009

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