声音导引系统 (电子设计大赛)

电子设计竞赛
声音导引系统
作者：王一鸣范春辉陈昌曼
设计单位：天津工业大学
2009年9月5日
声音导引系统
摘要：简易智能电动车由一个电动玩具车改造而成。

系统的控制部分以单片机为核心，步进电机为驱动装置，通过发出周期性脉冲音频信号，对A，B，C，三个声音接收器的信号的采集、分配，处理，并反馈至电动车的核心单片机部分，进而实现功率放大，反馈所需要的执行命令至步进电机，较好地实现了电动车的驱动及转向电机的运动控制和相关信息的处理和声光显示。

关键词：电动车，传感器，驱动控制，无线语音收发，音频引导，液晶显示，声控功能
本系统要求设计并制作一声音导引系统，示意图如图1所示。

图1 系统示意图
S
可移动声源
图中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，O'y是AC的中垂线，W 是Ox和O'y的交点。

声音导引系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。

声音接收器能利用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O'y 线）的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。

可移动声源运动的起始点必须在Ox 线右侧，位置可以任意指定。

1．基本要求
（1）制作可移动的声源。

可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号，
如图2所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。

（2）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，测量响应时间，用下列公式计算出响应的平均速度，要求平均速度大于 5cm/s 。

（3）可移动声源停止后的位置与Ox 线之间的距离为定位误差，定位误差小于3cm 。

（4）可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox 线左侧的距离小于5cm 。

（5）可移动声源到达Ox 线后，必须有明显的光和声指示。

（6）功耗低，性价比高。

2．发挥部分
（1）将可移动声源转向180度（可手动调整发声器件方向），能够重复基本要求。

（2）平均速度大于10cm/s 。

（3）定位误差小于1cm 。

（4）可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox 线左侧距离小于2cm 。

（5）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5s ～
10s ，然后利用接收器A 和C ，使可移动声源运动到W 点，到达W 点以后，必须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 。

图2 信号波形示意图
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＝
一、方案比较、选择与论证
a．根据题目要求，有两种解决方案。

1、精确定时法
这种方案主导思想是在对电动车直线、转弯行驶速度以及行程的准确把握基础上利用单片机定时来使电动车先沿AB水平线直线运动，并顺利进入AD直线路
程、左转45度、直行，并且最终到达与A，B，C的等距点并停止。

缺点：供电电压不稳定，易导致小车车速不稳定，则距离不好控制；另外起点可变化，路线不能应对意外事件，而且想要准确跑完全程对于电动车的起
始位置、直线行进参数、转弯半径进行精密测量和计算，智能化差。

2、传感器引导法
这种方法核心是单片机通过对传感器信号检测来控制制动电机和电机转向的动作，
智能化大大增强，可以用下图形象的表示出来：
b．方案的确定
比较两种方案，运用方案二，小车起点并不固定，对小车运行时间智能化控制要求极高，不容易实现对小车的控制。

方案二运用了比较先进的传感器，使问题的处理变得相对简单。

通过比较我们最终选用了方案二，并基本完成了题目设计要求。

二、系统总体方案设计及模块
1.驱动控制系统模块
使用、控制步进电机必须由环形脉冲，功率放大等组成的控制系统，其方框图如下：
1、脉冲信号的产生。

脉冲信号一般由单片机或CPU产生，一般脉冲信号的占空比为0.3-0.4左右，电机转速越高，占空比则越大。

2、信号分配
我厂生产的感应子式步进电机以二、四相电机为主，二相电机工作方式有二相四拍和二相八拍二种，具体分配如下：二相四拍为,步距角为1.8度；二相八拍为,步距角为0.9度。

四相电机工作方式也有二种，四相四拍为AB-BC-CD-DA-AB,步距角为1.8度；四相八拍为AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角为0.9度）。

3、功率放大
功率放大是驱动系统最为重要的部分。

步进电机在一定转速下的转矩取决于它的动态平均电流而非静态电流（而样本上的电流均为静态电流）。

平均电流越大电机力矩越大，要达到平均电流大这就需要驱动系统尽量克服电机的反电势。

因而不同的场合采取不同的的驱动方式，到目前为止，驱动方式一般有以下几种：恒压、恒压串电阻、高低压驱动、恒流、细分数等。

为尽量提高电机的动态性能，将信号分配、功率放大组成步进电机的驱动电源。

我厂生产的SH系列二相恒流斩波驱动电源与单片机及电机接线图如下：
说明：
CP 接CPU脉冲信号（负信号，低电平有效）
OPTO 接CPU+5V
FREE 脱机，与CPU地线相接，驱动电源不工作
DIR 方向控制，与CPU地线相接，电机反转
VCC 直流电源正端
GND 直流电源负端
A 接电机引出线红线
接电机引出线绿线
B 接电机引出线黄线
接电机引出线蓝线
步进电机一经定型，其性能取决于电机的驱动电源。

步进电机转速越高，力距越大则要求电机的电流越大，驱动电源的电压越高。

利用单片机很容易控制步进电机的工作条件，且容易控制，连接电路如图所示
图所示为一个典型的直流电机控制电路。

电路得名于“H桥驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。

4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。

如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。

要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。

根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。

驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。

如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。

此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。

基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。

4个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能控制整个电路的开关。

而2个非门通过提供一种方向输人，可以保证任何时候在H桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。

采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。

如果DIR－L信号为0，DIR－R信号为1，并且使能信号是1，那么三极管Q1和Q4导通，电流从左至右流经电机；如果DIR－L信号变为1，而DIR－R信号变为0，那么Q2和Q3将导通，电流则反向流过电机。

2.无线语音收发模块
本产品用于无线语音传输，工作电源电压6V，接收机音频是功率输出（100mW以上），或按要求设计。

发射机的发射控制为高电平控发，输入音频信号可直接接话筒或者
线路输入（5～300mW）。

标准天线，或接导线作为简易天线，导线长度约为160毫米。

模块安装位置尽可能原理干扰源。

脚位说明见附图。

技术指标
工作频率：400MHz频段
工作方式：单向
调制方式：语音FM
调制输入音频信号幅度：5～300Mv(可直接接麦克)。

频率稳定度：±8PPM
工作电源电压：DC6V
工作环境温度：-5－+50度
接收机灵敏度：不劣于-120dBm(12dB SINAD)
音频输出功率：不小于100mW(8欧姆负载)
发射功率：40mW
发射控制：高电平控制发射(2～6V)
尺寸：发射—53*16mm 接收—60*16mm
3.液晶显示模块概述
1.液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置
8192个中文汉字（16X16点阵）、128个字符（8X16点阵）及64X256点阵显示RAM（GDRAM）。

可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。

具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。

2.外观尺寸：93×70×12.5mm
3.视域尺寸：73×39mm
4.显示模块输入命令如下：
void LCD_shownum(uchar row,uchar line,int num){
uint i,n=0;
uint divide=1;
int number=0;
PORTA=0;
LCD_command(0x01);
if(row==0) LCD_command(0x80+line);
if(row==1) LCD_command(0xc0+line);
PORTA_PA0=1;
if(num/10==0) n=1;
else if(num/100==0) n=2;
else if(num/1000==0) n=3;
else if(num/10000==0) n=4;
else n=5;
for(i=0;i<n-1;i++){
divide*=10;
}
for(i=0;i<n;i++){
number=num/divide;
LCD_command(dspbf[number]);
num-=number*divide;
divide/=10;
}
for(i=0;i<200;i++);
}
void LCD_command(char cmd){
uint i;
for(i=0;i<255;i++);
for(i=0;i<255;i++);
//for(i=0;i<40;i++);
for(i=0;i<255;i++);
for(i=0;i<255;i++); //延时>40us PORTB=cmd;
PORTA_PA2=1;
for(i=0;i<40000;i++);
PORTA_PA2=0;
for(i=0;i<255;i++);
for(i=0;i<255;i++);
for(i=0;i<255;i++);
for(i=0;i<255;i++); //延时>40us }
外形尺寸图。