声音导引系统(2)

燃I糊竞r'ON赛TE园ST迪—二————————————————]l¨l碉I 一、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 简介 2009年全国大学生电子设计竞赛一等奖 声音导引系统(2) 本系统是一个利用单片机技术实现的智能声音 导引系统。系统包括两个部分：移动声源系统和声 源坐标采集系统。 移动声源系统由声音发生器、行进部分、无线 收发模块及单片机控制部分组成。声音发生器利用 压电片发出5kHz声音；行进部分由带码盘的直流 电机及含NEC芯片的驱动电路组成；无线收发模块 采用nRF24L01；单片机使用AVR系列。 声源坐标采集系统由3个声音采集器、无线 收发模块和单片机控制器组成。声音采集器使用 了驻极话筒及带通滤波电路；无线收发模块采用 nRF24L01；单片机使用AVR系列。 本系统利用了低廉器件制作成一套高指标声控 导引系统，优良的带通滤波有效抑制了干扰。坐标 计算中充分考虑了环境对声速的影响及系统误差， 并能比较简便的进行误差修正．利用电机的码盘进 行声源移动的辅助控制，提高了控制精度和缩短到达 目标时间。到站汇报采用语了音提示方式，液晶屏显 示声源坐标。增强了人机的友好性，声波发射自制了锥 形声波散射器，廉价并富有创意的制作了优质单点声 源。整个系统采用了最佳性价比方案，达到并超过性 能指标，且具有较强的稳定性和较好的抗干扰性能。 二、方案论证 本设计是由移动声源系统和声源坐标采集系统 组成声音导引系统。其中移动声源系统包括单片机 控制器模块、电机驱动模块、音频发射模块、无线 收发模块、码盘反馈模块及电源：声源坐标采集系 统包括单片机控制器模块、音频接收模块、无线收 发模块、电源、液晶显示及键盘。现就主要的模块 方案论证如下： 422010VOL．03 1．控制器模块 智能控制和驱动声源小车由组委会提供的电机 控制ASSP芯片(型号MMC一1)来实现可移动 声源的运动。 基于对$51系列及AVR系列单片机的性能指 标分析。再考虑我们使用熟练程度，我们采用AVR 单片机作为控制部分智能控制器件。 2．音频收发模块 方案一：采用由高音喇叭和超声波接收探头构 成音频收发电路的核心元器件。高音喇叭放音时， 低频声波含量多，增加检波难度。体积大且成本高。 而超声波接收探头检测音频的灵敏度低，且价格也高。 方案二：采用压电片产生特定的音频频率与驻 极话筒(微型麦克风)组成音频收发模块。小车机 械结构图如图1所示。由555芯片接成多谐振荡器 电路，输出较高频率的矩形波信号，此信号经驱动 放大电路后驱动压电片发出特定频率的音频信号。 接收器由驻极话筒进行接收，再由带通滤波电路滤 除不需要的音频信号。并进行整形后输入单片机进 行运算和处理。本方案具有整个模块的性价比高， 检波容易，功耗低的特点。 图1声音导引系统示意图 综合上述分析，我们采用方案二。 3．无线收发模块 方案一：采用由分立元件超外差接收电路和无 线发射器组成无线收发模块。此模块的不足之处是 电路复杂，成本高，传输速率低。可靠性差等。此外． 万方数据 躐藕曩lllr～⋯——————⋯⋯⋯竞萎l感磁㈣ 还易受外界杂散信号的干扰和电路自身的不稳定而 产生噪声。 方案二：采用廉价的Nordic公司NRF24L01 芯片构成无线收发模块。nRF24L01内置频率合成 器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。 这些特性使得由nRF24L01构建的无线数据传输系 统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。 基于上述分析，采用方案二。 4．驱动模块 方案一：采用分立元件三极管组成的H桥 PWM调速电路，用于实现对直流电动机速度和方向 的控制。由于采用分立元件组成电机逻辑驱动，故 易造成驱动电路稳定性差的问题。且价格贵。 方案二：采用双桥电机驱动芯片L298实现对 带光电编码盘的直流电机进行控制。L298是一款高 集成度、双桥结构的直流／步进电机驱动器，而且一 片L298可以同时驱动两个电机。L298电机驱动电路 优点是使用元件少。可靠性高，控制简单，费用低。 基于上述分析，采用方案二。 5．显示模块 方案一：采用传统七段LED数码管显示。优点 是发光亮强，但功耗大，电路复杂。 方案二：采用LCD液晶屏显示。液晶显示屏 具低耗电量、抗干扰能力强等特点，而且外部电路 简单。价格低等。 根据以上的分析，我们采用方案二。 总体模块框图如图2所示。 广匿麴pF—]_恒叵蘧狮卜尾鬲再酉再羽一单片机伸k_{磊i云副 无线收发模 晶显示、键 一皇塑堡垫卜_—一 (a)移动声源系统框图 单片机2# 电源模块 (b)声源坐标采集系统 图2总体模块框图 频接收器A 频接收器B 频接收器c 三、单元电路设计 1．控制电路设计 本设计的控制器电路包括可移动声源小车 部分和接收器部分。其中，可移动声源小车由 NEC电子电机控制ASSP芯片MMC一1和单片 机ATMEGAl6为核心，而接收器则以单片机 MEGAl6为控制器。单片机实时接收从无线收发 电路、音频收发电路和检测光电片编码盘输入的 信号，并对信号进行处理运算。以MMC一1控制 驱动电机、单片机音频收发和声光显示等，完成 各项任务要求。声源小车部分所用单片机外接的 码盘检测电路和无线接收电路为信号输入，显示 电路和无线发射电路为信号输出。 2．音频收发电路设计 音频发射电路是由555芯片产生5kHz的矩形 波脉冲信号，并驱动进入压电片，由电压信号转换 为机械信号。发射出频率为5kHz音频信号。如图 3所示。 r⋯’～⋯⋯一‘⋯⋯一⋯一⋯一一1 f Uh5B 甜 U5D 》储 隗L CD4049l U5C l例： CD4049上．j 压电片匕：一 嘲l ’oD4049I hU5Fl CD4049 图3音频发射电路k⋯一，～⋯～～⋯一⋯⋯。⋯⋯一⋯一．j 音频接受器(驻极话筒)接到发射器产生的 音频信号后，经由高通滤波器和低通滤波器组 成带通滤波器，有效处理噪声干扰和滤除低频信 号，再经电压比较后得到+5V的矩形波脉冲信 号，输入单片机进行计算分析和处理。如图4所 示。 电子翻佑43 万方数据 戮i勰虬——二——————]IlIlia亡口NTEsT⋯—————————————————————————]Il I， 图4啻频接收电路U⋯～⋯⋯一⋯⋯⋯⋯ 3．电机驱动电路设计 运用电机驱动芯片LM298作为电机驱动，并 以MMC；-1产生PWM驱动形式控制两个直流电机 的正反转。电机驱动电路主要实现电机的正反转来 控制车体的前后和左右方向的选择。 4．无线收发电路的设计 采用4GHz单片高速2Mbps无线收发芯片 nRf24L01作为无线收发电路的核心。同一个电路实 现两种接收和发射模式，通过软件编程设置电路收 发工作模式。 5．声源坐标位置计算 声源坐标位置(场地)示意图，如图5所示。 C A X D 弋 ——二～，么 S ／ 、| 少／ ／∥＼ 0 B 图5场地示意图 测量距离时。移动声源系统开始发出固定频 442010VOL．03 1率声波．声源坐标采集系统采集到固定频率声波 i后．计算声波运行时间t。设声速为V，则声源与 2接收器之间B巨离S为：S=v。t；因常温声波速度为 ；338—350m／s，且各声塔存在不同的系统延迟时间，。 i故需对声速进行测量．并测量各声塔的系统延迟时 i间。 (1)声速的测量与计算 ： 将声源分次放置在D点和w点。测量发出发 }声命令至A声塔接收到声波信号的时间T。和Tw， ’设A声塔的系统误差时间为△，，则有： TD-盐=等 TW制=等 计算得： ．， AD—AW707V=一=一TD—TwTD—TW (2)A、B、C声塔的系统延时时间测量与 计算 将声源分次放置在W点。测量发出发声命 令至A声塔、B声塔、C声塔接到声波信号的 时间分别为TwA、TwB、Twc，设A声塔、B声 塔、C声塔的系统误差时间分别为At。at。、 △t。。则有： T惟一△ta= T怕一△tb= T忆一△tc= 得 707 V 707 V 707 V △ta=TWA一等 z&tb=T啪一孚 Atc=k一等 (3)移动声源至A声塔、B声塔、C声塔距离 的测量． 设移动声源至A声塔、B声塔、C声塔距离分 别为AS、BS、CS，则通过下列公式可计算出AS、 BS、CS，即： 万方数据 酬川一黄琶感澄AS=(TwA一／xta)VBS=(TWB—Atb)VCS=(Twc一△tc)V四、软件设计系统主程序流程图如图6所示。小车运行时．声音接收塔实时检测小车的方位和无线传输数据给 小车，使小车有效行使达到指定目标。 届动小车 + 码盘计数行进至目标5era处减速 《争 冯盘计数行进至0×线，发出光声信号 J， 停留5～10s．旋转90度 上 测声源坐标，并码盘行进w点 F 《≤挛> 、车微调校正误差．并发出声光信号 图6系统主程序流程图 五、指标测试 1．带通滤波电路的测试 为了计算小车的坐标，需要知道音频信号到 达音频接收电路的准确时间。由于真实环境中存在 许多杂波干扰，所以需要滤波器对音频信号进行过 滤。此设计中声源发出的音频信号频率为5kHz。采 用由高通和低通滤波器组成带通滤波器电路实施。 由测试数据可知，带通滤波器的的通频带大约为 4—7kHZ，波形失真较少，可以有效去除杂波干扰。 电路符合要求。 2．系统的标定 将声源分次放置在D点和W点。测量发出发 声命令至A、B、C声塔接到声波信号的时间，计 算3个声塔的系统误差时间和声速，进行系统的标 定。 3．声源移动测试 声源移动到OX线的测试，见 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 1；声源由OX 线移动到W点的测试，见表2。 表1声源移动到OX线测试表 测试次数 到O×线 响应 平均 定位 超过OX 距离 时间 速度 误差 线距离 1 60cm4s 15cm／s1cm0 数据分析 满足题目要求。但速度较慢 改进措施 加快声源移动速度 2 60cm2s 30cm／s3cm0cm 数据分析 速度较快。但不满足题目要求 测试次数 到OX线响应 平均 定位 超过OX 距离 时间 速度 误差 线距离 改进措施 减慢声源移动速度 3 60cm3s 20cm／s2cmO 数据分析 满足题目要求，速度中等 改进措施 进一步优化程序 表2声源由OX线移动到W点测试 测试次数 到W点 运动 平均 定位 距离 时间 速度 误差 1 30cm2s 15cm／s10cm 数据分析及改进措施 声源90。旋转不到位．改程序参 数。 2 30cm2s 15cm／s3cm 数据分析及改进措施 声源90。旋转基本到位。进一步 提高速度 3 30cm 1．5s 20cm／s5cm 数据分析及改进措施 进一步优化程序 测试结果充分表明．本设计方案完全实现了 竞赛题目的基本要求。发挥部分的大部分功能 也基本实现，但由于声音接收器，无线收发器易 受外界因素影响。虽然进行了软硬件的去干扰处 理。但由于时间有限。精度和准确度还有待进一 步提高。 礤 电孑嗣候45 万方数据 声音导引系统(2) 作者： 孙南生， 徐吉鑫， 钟伯辉 作者单位： 深圳职业技术学院 刊名： 电子制作 英文刊名： PRACTICAL ELECTRONICS 年，卷(期)： 2010,03(3) 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dzzz201003013.aspx