声音引导系统

声音导引系统

中文摘要：本系统为实现以声音引导小车按预定方案运行而设计。系统采用51最小系统板作为此系统的检测核心和控制核心，通过对声音信号的检测，准确实现小车坐标定位，并通过无线发射接收模块将坐标信息传送至车载MCU，实现小车的声音引导控制。小车无线传输模块采用集成nrf24l01模块，以期实现坐标信息实时无线传输。电机驱动、控制模块采用ASSP芯片以及分离MOS管H桥电路使电机的控制精确、稳定。声音检测模块则采用多级放大滤波电路接收三路声音信号准确检测，并将此信号传送至地面控制MCU进行坐标定位。

1 系统方案设计

1.1 AT89S52系列单片机系统方案

采用两块AT89S52单片机系统，车载单片机实现声音信号的发送，无线信号的接受，以及电机驱动芯片的控制。陆基单片机完成三路声音信号捕获，处理并将小车坐标信息通过无线发射。系统编程容易，性价比高。

1.2 MSP430单片机系统方案

采用MSP430单片机系统作为控制的核心，来实现智能小车无线传输、声音处理、电机驱动等功能。

1.3系统方案比较

AT89S52系列单片机系统方案价格低廉，技术比较成熟，使用简单，应用广泛，而且能较好的实现系统的要求。MSP430系统方案功耗虽然较低，但编程比较复杂，价格昂贵，因而，决定采用该方案1。

1.4 AT89S52单片机系统方案设计

本设计采用AT89S52单片机作为核心控制系统，以直流电机为驱动，结合无线、声音处理模块完成设计任务。系统可以划分为以下几个基本模块：无线数据传输、小车控制、声音检测处理、信息显示模块。系统设计框图如图：

图1.0系统方案框图

1.5 方案选择

(1)电机驱动模块

方案一：采用两个步进电机，步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和转向，步进电机的输出力距较低，价格较高，而且步进电机的编程复杂，硬件连接的工作量大。

方案二：利用一个直流减速电机，具有转矩大，驱动力大，控制简单等特点。

经比较验证，显然方案一电机的机械结构难以满足题目的要求，而方案二利用直流电机完全能满足要求。至于赛题要求的精确控制，采用一定的控制算法可以解决。因此采用方案二。

(2)无线收发模块

方案一：采用RF905无线收发模块，RF905有14个外接管脚，采用SPI 串口通信，占用资源较多，控制较复杂，而且价格较贵，配置外置天线，占用空间较大。

方案二：采用NRF24l01无线收发模块，拥有内置天线，体积较小，125个可选通道，最大2M/S数据速率，8个管脚输出，使用模拟串口，不占用串口资源，价格相对便宜，使用简单。

经分析比较,方案二拥有较大优势，能较好的利用51单片机实现控制，因此选用方案二。

(3)声音检测、处理模块

方案一：采用声控开关。声控开关使用简单，价格便宜，但是反应不够灵敏，达不到题目要求，精度较低。

方案二：采用多级放大整波电路，将接受信号处理成电平触发信号。能灵敏的检测到蜂鸣器声音，触发响应。

经综合论证，方案二虽然电路复杂，但是题目要求精度较高，所以采用方案二。

(4)显示模块

方案一：采用数码管显示。数码管具有对外界环境要求低，可视性好，程序编程容易。但数码管资源占用较多，显示信息少，还需使用74HC573等芯片进行段选操作。

方案二：采用1602液晶显示。液晶显示具有显示信息丰富、需要资源少、功耗低、体积小、画面效果好、分辨率高、性价比高等特点。

方案三：采用12864液晶显示。12864显示具有大量的信息、画面效果好、分辨率高等特点。但其功耗高、体积大、编程量大、资源占用多、成本高，性价比低。

经综合比较论证，在满足本题目要求的前提下，使用1602液晶较为合适。

2、理论分析与计算

2.1 系统设计理论依据与分析、计算

该系统通过检测不同测量点声音时间间隔，通过无线将坐标信息发送至车载控制单元，来完成ASSP电机芯片的控制。声音检测模块时间检测精度达到25us，检测坐标误差为1cm，能较好的完成系统要求。无线模块采用2.4GHz 的高频收发频率，受环境影响非常小，能稳定、高速传输数据。ASSP电机能同时控制三路PWM信号，足以完成舵机、单电机的控制。

2.2系统各种主要参数计算

检测精度:25us（检测时间误差）*340m/s（声速）=0.85cm

行进控制误差：0.036m/s（车速）*0.5s（小车响应时间）=0.018m

2.3控制理论简单计算

第一阶段：由界外向中心标志线直行；根据A、B两点接收声音的时间差t 的变化，来确定向中心线直行的速度。当向中心线运动时，ＡＢ两点时间差逐渐变小，将这一变化量进行分析计算，列出１０种电机运行模式，控制越来越精细,采用逼近算法。公式如下：

PWM占空比=t*K-A（注：K，A为校正因子）

第二阶段：由中心线一点向中心移到；根据Ｃ点接受声音状况确定小车是向上还是向下运动，从而控制舵机转角，同理，利用Ａ、C两点接收声音时间差，进行小车速度控制。

2.4 误差产生原因及改进方法

坐标定位误差：由于单片机时钟频率限制所致。主要采用软件精确控制，多次检测处理来改进。

声音的误差：本小车声控系统受外界环境影响很大，所以实验时要尽量保持环境的安静。

3、电路设计与程序设计

3.1 系统电路设计

系统采用AT89S52最小系统作为控制核心，主要实现了声音控制与检测、电机控制、无线发射接收等模块。最小系统板如图1.1所示。

图1.1 51最小系统板

基本模块如下：

(1)声控模块：设计采用多级放大整波电路，前级电路使用LF353进行放大，

如图3.1.1所示为声控前级电路，后级放大设计原理图如1.2所示，采用TL084结合LM324进行放大，采样，滤波实现方波信号。

图1.2 声控前级电路图

图1.3 声控后级放大电路图

(2)无线发射接收模块：采用NRF24l01无线收发模块，拥有内置天线，体积

较小，125个可选通道，最大2M/S数据速率，8个管脚输出，使用模拟串口，不占用串口资源，价格相对便宜，使用简单。

(３)电机驱动模块: 电机驱动、控制模块以及分离MOS管H桥电路进行电机精确、稳定控制。