声音引导系统论文

声音导引系统（B题）

摘要: 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O'y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O’y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：

图1 单片机无线发射模块

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

①.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。

②.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：△U k =C p e k +C i e k-1 , U k =U k-1 +△U k 。其中e k 为第k 个采样时刻的电压偏差值，C P 为比例项系数，C i 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) 。

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 ～10,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，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

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＝ 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＝