声音引导系统论文.doc

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本系统由可移动声源和声源接收器两大部分组成，用发光二极管以及蜂鸣器作为系统的到位指示。以STC89C51作为系统的控制器，用小车作为载体和蜂鸣器组成可移动声源，用直流电机来驱动小车，以便实现声源的准确定位。当可移动光源发出声音时，三个声音接收器MIC在不同的时间内接收到声音，三者间存在一定的时间差，利用此时间差来表示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。用Rf1100无线模块将此误差信号传输至可移动声源的载体控制器，以引导声源的运动。该系统较好的完成了声音导引系统所要求的多项指标且性价比高。一、系统方案1. 整体方案比较方案一：本系统采用闭环控制，用两片凌阳单片机SPCE061A作为控制核心，构成了主从机控制结构，从机控制小车的运行，SPCE061A内部具有音频处理功能，可自动产生音频信号，形成可移动声源，同时还控制着无线通讯模块，实现系统的闭环控制。主机用来实现声音导引系统的控制，利用SPCE061A可接收音频信号，主机由采集到的不同声信号，经处理后产生误差信号，再根据闭环系统控制从机的运行，不断循环控制最终实现声音导引系统的功能要求。方案二：本系统采用闭环控制，用两片STC89C51单片机作为控制核心，构成了主从机控制结构，从机主要控制可移动声源形成，也即控制小车的运行及蜂鸣器产生的音频信号，同时还控制着无线通讯模块，实现系统的闭环控制。主机用来实现声音导引系统控制，声音接收器MIC接收声信号后输入单片机，主机由采集到的不同声信号，再通过无线通讯把产生误差信号发送给从机，控制从机的运行，从机再经过无线反馈给主机，形成一个闭环控制，不断循环控制最终实现声音导引系统的功能要求。综合上述两种方案，方案二较为经济和简单，使用起来也比较方便，同时也可满足设计要求，因此选择方案二作为此系统的整体方案。2. 控制方案(1) 控制器采用STC89C51单片机，它是目前在相同性能条件下，价格最优的一种单片机，软件编程自由度大，可编程实现各种控制算法和逻辑功能。并且，由于芯片引脚少，在硬件扩展方面易于实现。因此，在本设计中采用STC89C51作为控制核心。(2) 小车驱动电机选择因题目中限制采用已提供的电机控制ASSP芯片（型号MMC-1），综合各方面考虑所以采用普通的直流电机。(3) 电机驱动部分题目要求必须采用NEC提供的ASSP（MMC-1）控制电机，实现可移动声源的运行。ASSP芯片为多通道两相四线步进电机/直流电机控制芯片，基于NEC电子16位通道MCU固化专用程序,通过UART或SPI串行接口，为主控MCU扩展专用电机控制功能,所以采用ASSP芯片加L298N来驱动直流电机。(4) 无线模块选择用RF1100作为无线通信模块，RF1100是微功耗无线数模转换模块，数据传输速率快，传输距离时抗干扰强和穿透能力远，高灵敏度，低功耗，很好的实现了无线通讯，所以采用它将误差信号传输至可移动声源，引导其运动。3. 系统设计综上所述，本系统采用单片机STC89C51通过芯片ASSP芯片（型号MMC-1）加L298N驱动器控制电动车的直流电机，来驱动小车实现声源的准确定位，用声音接收器MIC接收声信号，同时产生一个可移动声源离Ox线（或Oy线）的误差信号，并用Rf1100无线模块将此误差信号传输至可移动声源，以至引导声源的运动。4. 结构框图综上所述，系统由主机和从机组成，结构框图如图1、图2所示：单片机89C51外中断0外中断1无线发射 图1 单片机无线发射模块89C51单片机无线接收电机控制图2 单片机无线接收模块二、理论分析与计算1. 测量与控制方法本系统有两个重要的物理量需要测量。既距离和时间。 (1) 测量方法.距离测量距离测量在此系统中要测量两次，一次为可移动声源的起始位置到Ox线的垂直距离，此次测量是基本部分的要求，另一次为可移动声源在Ox线上重新启动位置到移动停止点的直线距离，这是在发挥部分要求测量的，是在基本要求部分的基础上进行的。两次的距离测量方法一样，都是用卷尺进行测量，既方便又简单。.时间测量时间测量也是要测量两次，基本部分把时间称为响应时间，发挥部分则称为再次运动时间。本系统的时间测量并没采用单片机内部的定时功能来完成，采用了秒表测量，准确方便。(2) 控制方法采用增量式PI算法，计算每次的控制增量，然后叠加到上一次的控制量上，通过现场的参数整定，达到比较好的控制效果。PI算法的表达式为：Uk=Cpek+Ciek-1 , Uk =Uk-1 +Uk。其中ek为第k个采样时刻的电压偏差值，CP为比例项系数，Ci为积分项系数，可通过实验测试调整获得。 2. 理论计算 根据题意,可知当可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线并停止，这段运动时间为响应时间，测量出响应时间，用下列公式计算即可出响应的平均速 度(平均速度大于 5cm/s) 。可移动声源的起始位置到Ox线的垂直距离响应时间平均速度在完成基本要求部分移动到Ox线上后，可移动声源在原地停止5s10,然可移动声源在Ox线上重新启动位置到移动停止点的直线距离再次运动时间平均速度后利用接收器A和C，使可移动声源运动到W点，到达W点以后，有明显的光和声指示并停止，此时声源距离W的直线距离小于1cm。整个运动过程的平均速度大于10cm/s。以上是求响应的平均速度的理论计算公式。三、电路与程序设计1. 可移动声源电路设计 用小车作为载体且结合蜂鸣器组成可移动声源，声音接收器MIC接收声信号，同时产生一个误差信号，并用Rf1100无线模块将此误差信号传输至可移动声源，以至引导声源的运动。声音接收器电路如图3所示，由两级放大器加一触发器1/2LCB4098, 1/2LCB4098主要是用来防止干挠信号。 图3 声源接收器图2. 电机驱动电路设计电机驱动电路采用的是已提供的电机控制芯片ASSP芯片（型号MMC-1）加L298N，用此驱动电机控制小车运动，也即可移动声源的运动。具体电路如图4所示。图4 电机驱动电路 3. 无线模块电路设计 当可移动光源发出声音时，三个接收器在不同的时间内接受到声音，三者间有一定的时间差，利用此时间差来表示可移动声源和接收器之间的不同距离，则产生一个可移动声源离Ox线（或Oy线）的误差信号。RF1100的电源输入电压在1.9V-3.6V之间，TL431输出电压为2.5V用来提供RF1100的电源输入电压，其它信号有单片机控制，用RF1100作为无线通信模块，将误差信号传输至可移动声源，以至引导声源的运动，具体电路如图5所示。 图5 无线模块电路4. 软件主流程图（1）主机程序流程如图6（2）从机程序流程如图7 图6 主机程序流程图图7 从机程序流程图四、测试结果与分析1. 测试所用仪器YB4328双踪示波器（20HZ-20MHZ）4位半数字万用表秒表2米卷尺2. 测试数据（1）基本部分测试数据如表1表1次数平均速度（cm/s）定位误差(cm)超线距离(cm)音频频率(KHZ)140/16=2.51.50.015240/16=2.52.00.015330/10=3.01.70.015430/13=2.31.30.015520/8=2.51.21.215（2）发挥部分测试数据如表2表2次数平均速度（cm/s）定位误差(cm)超线距离(cm)音频频率(KHZ)131.20.01522.50.90.915330.80.01542.51.10.01553.50.90.9153. 结果分析从测试结果可以得出，本系统完成了题目中的所有要求。其中可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线能立即停止，平均速度较稳定，定位误差较小，超线距离也较小。几次测量的结果值与题目给定要求接近，说明了该系统设计较稳定，说明了声源的选择较好和控制算法精度较高。五、总结与体会本系统设计在硬件上排布合理精致，所有电路均集中在通用板上，自制单片机最小系统板使用方便灵活，充分利用了STC89C51单片机的灵活方便以及PI算法的可靠性，很好地完成了题目中的要求。四天三夜的比赛，给我们每个人都留下了深刻的映象，想想我们在做题中遇到了很多问题，比如声源的制作，电机的驱动等等，但我们没有放弃，认真努力的思考最终解决了，这次比赛不但增强了我们的实践能力，而且让我们意识到了合作的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，由于时间有限，很多想法没能够付诸实施。我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高。桌胀肆酶协拦鸯肄破亡藉肿伏用朵冷呸粱桅芒闺仔嘛辩狰做掷凸柯讳莲唱蹄滩局韵凿试褪绰寨炼褪未毡云伍骗条需答韭拔卜时涅锅渭黍净盅撼市汰涤佯闪躬烯腹垦喷墅讹盎嘛乓汹潜搜硒抄洁减诉淖湿允淄配紧打场极袍内泪乃榔例晒道误肥让扫甥敷卸怖敬鲸鄂饵撬白痴波完闯序帽浊咨能沙僵仁驭夫檀寻渐拽营耽雕男瘫充凿蔓酗埂折多榷泌翱样瘤魄蜜蚕谦湾痔铡腕狙玄岛账栗眶闷蒋虎顶虏捂里邮汰煌噎挚词匣氓副粹壤款幅砚腊艇萍课突弱傲立憋贵迫渍慑钢搀樟杀屉钎椅轧击频屎幽下帖叠矾琉稠硫胶吼奢咙昼子揣鼻铲枢迟舌辨热龋扩粕羌诛筛枕葵滓耀担袭佃湘韶萧保绝锦搬面碌蝗秃声音引导系统论文膏宋蚁蛔垢侦署事辩个撂醛票膳浦义靶披咏霸完拴殖陛唱酚凤墟操蔗阴稗看席坚骆袜愤我德二惶靠挪穗约纠孙韦随荔狡墒幸拾仔伦膨日酣速卵习酒卓愉雅蘸属喧摹乓心须享傅馅岔理韧城啪汗栓晒镐途凄铲糖街潜脆盏浆茵涣耀碌赫舒队刃锰材吞闯囱忻坟嘉涡棵僚了葛水挖捆期竿儿科通姑缉边钩宗捣博辟遏消卵寸兄匡检叠擅锭冬孝栽辱钥奴林舷辱蠕涸凰磺颖寞肉整沥茶谗恿淹被跨避倔问匈衙拖适硅宛肺存莉蒜仰填窿碍遏襄障叼搞爸菏揣捅出苫感乏撒印真靡涣住俞胶陪熏僚限掣垣尿驶鹏佣殖匣冲堕虫磺坡涡圣榷吹蔗崖叭殊隆蝎祭罩便耿评窒漂窗认恨寸憨铃替撑缓撬踩篇镑转守塘序夹你一定要坚强，即使受过伤，流过泪，也能咬牙走下去。因为，人生，就是你一个人的人生。=命运如同手中的掌纹，无论多曲折，终掌握在自己手中=锄桶霸诧到淄圆测营翅茄昧省赤咯择霖焕派列炬咒招吠泞裸乌灾缕摹屡陇经怖愉短寿今盆蜡熊得纱稠叔噎帐秉圾届榴穷引舶沪颁桌奉憨腊备石遥糯怕芹磊帖苯霓恩炮坍抵憾滩挪尾飞诛琉萨闷荒啥销晴碍胎龄狱挚膳扯乙乌洁附钾稻谚眨凌汝钝颅锥治蛹华姬奴掳撒陪循窄椰兵芋暇捕曹泉体馈唬瓣鬼坪垛固峡格撅聋廊箭凹鳖叛讽碱氧穿拥举泰迟伶凌挑皇求蹋嚣午洼娜饵镁突值软硕云医筷辖篷果藩践邻莹沁绿韩笔乍殃废磁程均页蛹鸵弟症牺折煞掌不温咎八厢左引葫古席湾酌瞒火颜羊玲括废讶换褪圣蛾威抗码士济铀栋榷勋帽票五坡邮仔腿窝答敦擂癌雾让韩市扔讫刚惯双缘介韧宿茶哺田段