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1 引言 2009年全國大學(xué)生電子設計大賽的B題是“聲音導引系統”；題目要求設計并制作一聲音導引系統聲音導引系統有一個(gè)可移動(dòng)聲源S，三個(gè)聲音接收器A，B，C，聲音接收器之間可以有線(xiàn)連接。聲音接收器能利用可移動(dòng)聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)聲源離指定位置的誤差信號，并用無(wú)線(xiàn)方式將此誤差信號傳輸至可移動(dòng)聲源，引導其運動(dòng)。 2 系統的具體設計與實(shí)現 2．1 系統組成 系統組成如圖1所示，在系統設計中采用兩塊單片機(AT89S52)分別作為可移動(dòng)的聲源的檢測和控制核心。通過(guò)單片機(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時(shí)間做處理，檢測出當前小車(chē)的位置，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給MCU2。MCU2根據當前的位置控制電機的轉速及轉向，當停止下來(lái)時(shí)給出相應的聲光提示。 2．2 具體算法實(shí)現 2．2．1 設計與計算 該設計主要是根據接收器接收到聲源信號的時(shí)間間隔來(lái)確定當前小車(chē)的位置S，如圖2所示。設S點(diǎn)到C點(diǎn)的距離為a。S點(diǎn)到A點(diǎn)的距離為b；S點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為c。設S點(diǎn)的坐標設為l，h)，假設由單片機測得接收器A、接收器B和接收器C接收到信號的時(shí)間間隔計算出b與a的距離差為c1；b與c的距離差為c2。由圖2中關(guān)系可得到如下方程： 則可根據測量的距離差△d=|c2-c1|求得相應的小車(chē)的位置(l，h)。 2．2．2 誤差信號產(chǎn)生 該設計的誤差信號產(chǎn)生主要有三個(gè)方面： 檢波誤差 由聲源信號產(chǎn)生的半波損失，其誤差的大小與聲源信號發(fā)射的頻率有關(guān)。當頻率越小時(shí)，△d=|c2-c1|則越小。如頻率為5 kHz的聲源信號，其周期為O．2 ms，則半波損失導致△d=0．1 ms×340 m／s=3．4 cm，所以頻率越大，半波損失越小。 單片機的測量時(shí)間產(chǎn)生的誤差 單片機晶振為24 MHz，內部時(shí)鐘經(jīng)12分頻后，時(shí)鐘周期為O．5μs，測量時(shí)間誤差為±0．5μs，則會(huì )產(chǎn)生一定的誤差信號。 計算誤差 在計算聲源位置的過(guò)程中，數據有一定的取舍，則會(huì )產(chǎn)生一定的誤差。 2．2．3 控制理論簡(jiǎn)單算法 該設計的控制理論簡(jiǎn)單算法主要考慮三種方案： 方案一：根據計算出的△d=|c2-c1|的值來(lái)確定小車(chē)是否移動(dòng)，當移動(dòng)到△d=O時(shí)，控制小車(chē)停止。 方案二：根據測得△d=|c2-c1|的具體值控制字PWM，PWM=K△d，其中k為比例調節，△d越大，K越大，從而控制小車(chē)的速度。 方案三：PID控制算法 在連續運動(dòng)控制系統中，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構成控制量�？刂葡到y中以驅動(dòng)電機轉速采樣信息為反饋量，采用增量式數字PID控制算法，通過(guò)輸出PWM信號對電機實(shí)現閉環(huán)控制。計算公式為： 式中：△un為第n次輸出增量；en為第n次偏差；en-1為第n-1次偏差；en-2為第n-2次偏差。增量式PID控制系統中的KP，KI，KD參數，一般經(jīng)反復測試、分析，最終確定理想數值�？紤]到算法的簡(jiǎn)單可行和實(shí)際應用，采用方案一最簡(jiǎn)單，且能夠實(shí)現小車(chē)速度的控制。 3 單元硬件電路設計 根據系統組成框圖，系統只要由以下幾部分電路組成．對各電路的設計與實(shí)現，分別有以下不同的設計方案。 3．1 可移動(dòng)聲源調制電路設計 可移動(dòng)聲源產(chǎn)生的信號為周期性音頻脈沖信號。利用RC振蕩電路產(chǎn)生可調的周期性音頻脈沖信號，經(jīng)功率放大再由揚聲器向外發(fā)送，該方案產(chǎn)生的音頻信號高次諧波信號較大，經(jīng)過(guò)電路的改進(jìn)使高次諧波大大減小，可以滿(mǎn)足設計要求。電路圖如圖3所示。 3．2 接收器電路設計 接收器電路主要用于接收可移動(dòng)聲源發(fā)出的音頻脈沖信號，然后傳送給單片機(MCUl)，由單片機1(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時(shí)間做處理，檢測出當前小車(chē)的位置，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)發(fā)送給單片機2(MCU2)。所以能不能很好地接收到音頻信號是整過(guò)設計的關(guān)鍵。設計考慮接收器的信號采集傳感器采用MIC，將采集信號放大、濾波、整形，產(chǎn)生方波信號，傳送給單片機，由于MIC靈敏度較高，受外界噪聲干擾較大，中間加高通濾波電路，可實(shí)現對聲源信號的接收。電路圖如圖4所示。 3．3 小車(chē)控制電路設計 小車(chē)控制電路設計采用NEC的電機控制ASSP芯片(型號MMC-1)實(shí)現可移動(dòng)聲源的運動(dòng)，用UART模式和ASSP芯片進(jìn)行通信使之提供控制信號，再用L298驅動(dòng)電機轉動(dòng)。L298N芯片可以驅動(dòng)兩個(gè)二相電機，也可以驅動(dòng)一個(gè)四相電機，輸出電壓最高可達50 V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調節輸出電壓；可以直接用ASSP芯片口提供信號；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。通過(guò)控制L298的INl，IN2，IN3，IN4輸入端控制電機的轉速及轉向。此方案接口簡(jiǎn)單，不占用系統資源。 3．4 小車(chē)轉向精度控制及路程計算 小車(chē)轉向精度控制及路程計算的方案有多種，考慮到安裝的復雜和調試容易程度，設計采用反射式光電對管，對車(chē)輪上的黑白碼盤(pán)檢測，產(chǎn)生脈沖計數，從而計算小車(chē)行駛路程和轉向控制。 4 軟件設計 4．1 軟件設計說(shuō)明 在小車(chē)程序中，一開(kāi)始打開(kāi)無(wú)線(xiàn)接收，在收到數據后進(jìn)行判斷小車(chē)是否到達預定位置，如果沒(méi)有到達則繼續由算法控制計算PWM值，由PWM值控制電機的轉速和轉向；如果收到數據后判斷到達了預定位置，則發(fā)出聲光信號指示到達了預定位置。 對于監測端程序設計，首先對測量值通過(guò)濾波算法進(jìn)行濾波，然后將上次的測量值發(fā)送，再將定時(shí)器清零，判斷INT3是否有下降沿到來(lái)，如果沒(méi)有監測到下降沿，則繼續等待，如果有，則開(kāi)定時(shí)器，開(kāi)中斷，延時(shí)100μs后又繼續對測量值濾波。 4．2 程序流程圖 程序流程如圖7所示。 5 測試數據 5．1 基本要求 (1)可移動(dòng)聲源發(fā)出聲音后開(kāi)始運動(dòng)，到達ox線(xiàn)并停止，這段運動(dòng)時(shí)間為響應時(shí)間，測量響應時(shí)間，用下列公式計算出響應的平均速度，要求平均速度大于5 cm／s。 (2)可移動(dòng)聲源停止后的位置與ox線(xiàn)之間的距離即定位誤差，定位誤差小于3 cm。 (3)可移動(dòng)聲源在運動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)刻超過(guò)ox線(xiàn)左側的距離，超過(guò)ox線(xiàn)左側的距離小于5 cm。 (4)可移動(dòng)聲源到達ox線(xiàn)后，必須有明顯的光和聲指示。 (5)將可移動(dòng)聲源轉向180°(可手動(dòng)調整發(fā)聲器件方向)，能夠重復基本要求。 5．2 發(fā)揮部分 (1)平均速度大于10 cm／s；定位誤差小于1 cm；可移動(dòng)聲源在運動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)刻超過(guò)ox線(xiàn)左側距離小于2 cm。 (2)在完成基本要求部分移動(dòng)到ox線(xiàn)上后，可移動(dòng)聲源在原地停止5～10 s，然后利用接收器A和C，使可移動(dòng)聲源運動(dòng)到W點(diǎn)，到達W點(diǎn)以后，必須有明顯的光和聲指示并停止，此時(shí)聲源距離W的直線(xiàn)距離小于1 cm。整個(gè)運動(dòng)過(guò)程的平均速度大于10 cm／s。 5．3 基本要求測試 測試數據表如表l所示。將可移動(dòng)聲源轉向180°(可手動(dòng)調整發(fā)聲器件方向)，重復上述基本要求。測試數據表如表2所示。 5．4 發(fā)揮部分測試 測試數據如表3所示。 經(jīng)測試數據顯示，該設計能夠達到大賽的基本要求，對于發(fā)揮部分也基本能夠實(shí)現。 6 結語(yǔ) 該設計基于完備可靠的硬件設計，采用NEC電子電機控制ASSP芯片和AT89S52的控制和運算優(yōu)勢，使用了一套獨特的軟件算法，實(shí)現了聲音導引系統的精確控制。 |
