声音导引系统

声音导引系统（B题）

摘要：本文描述了声音导引系统的设计原理和实现方法。该系统由AT89S52单片机控制，通过NEC公司的ASSP电机控制芯片和单片机之间的串行通信实现可移动声源的运动。主控制器利用不同声音接收器间产生的误差信号，并用无线通信方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。系统最大特点在于软件设计采用层次化、模块化的设计方法，使得复杂数学模型和控制算法得以简化和快速开发。经调试和测试，系统各项性能参数已基本达到设计指标。

关键词：声音导引 89S52单片机 ASSP芯片算法

一、设计任务与要求

设计并制作一个声音导引系统，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。利用声音接收器和可移动声源之间的不同距离，产生可移动声源和目标线之间的误差信号，并利用无线通信方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。

二、系统整体设计方案比较与选择

根据题目要求，系统可以分为两个基本模块，由两片八位单片机分别实现，本声音导引系统的控制关键在于，精确检测误差信号，使可移动声源按要求运动。系统示意图如下，初步分析设计方案：

方案一、在可移动声源向Ox线逼近时，把接收器A和B接收到声源的声音的强弱分别转换成它们与声源之间的距离，从而判断声源是否到达目的地。

方案二、启用单片机定时器，根据接收器A和B接收到声音的时间差来判断声源的位置，进而调节电机运行的速度，直至声源是否到达目的地。

方案分析：鉴于方案一中声音的强弱受外界干扰太大，检测到的声音信号不定，而测量时间差则相对精确，所以本系统采用方案二。

三、设计与论证

1、电机运行速度设计

根据题目要求，可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线并停止。要求平均速度大于 5cm/s。如上图1所示，鉴于此要求，可以采用霍尔传感器直接测出电机的转速，并将此速度反馈给辅控制单片机，由此来调节占空比，进而调节电机的转速。但由于比赛时间有限，此方案并未落实。

2、误差信号的产生

声源发出声音并移动，辅助控制器控制A、B接收器同时启动，利用A、B接收器接收到声音的时间差来判断声源与Ox线之间的误差，若时间差大于零则说明声源与Ox线之间有误差，声源继续移动，直到时间差为零时停止。

3、控制理论简单计算

由上图1所示，声源从右至左行驶时，计声音接收器A、B接收到声源的时间分别为TAs、TBs。其时间差为为TAs- TBs，主控制器将此时间差通过无线通信方式传给辅控制单片机，进而来调节PWM波的占空比。从而改变电机的转速。以达到由声音控制电机转速的目的。直到TAs- TBs=0，声源停在Ox线。

四、电路设计

1、系统整体设计框如图2所示: 本系统由两片单片机完成控制任务，电机控制ASSP 芯片可以由硬件直接产生PWM波，因此主控制器单片机可以通过ASSP芯片产生的PWM 波形来控制直流电机的运转，省去了用单片机产生PWM波，提高了编程效率。只需再接上L298驱动电路，就可以轻松的达到控制直流电机的目的。声源是通过主控制单片机的P3^7脚输出一定频率的波形，再经过放大电路放大，最终产生声音。声音接收器接收声音并传给辅助单片机，辅控制器和主控制器之间无线传输信息。进而判断声源的前

进方向，并通过液晶显示器显示系统运行状态。

图2 系统总体框图

2、单元电路设计

1）可移动声源及声音接收器

可移动声源的信号频率由单片机产生，经功率放大电路放大后由喇叭输出音频信号。电路图如下：

图3 声音发生器电路

对于声音接收器接收到的声音，我们用滤波电路对接收的声音进行滤波：滤波的任务就是把电压中的波动成分尽可能地减小，改造成接近恒稳的直流电。经过滤波得到声音的模拟输出信号，再经电压比较器转换为高低电平输入辅控制单片机进行分析处理。具体电路设计如下图所示：

图4 声音接收和滤波电路

2）电机驱动电路设计

方案一、在电动机前段加电位器使之分压减少以降低转速，同时在前端并联一个电容可以使电动机缓慢加速，从而避免突然加速对系统的冲击，避免轮子打滑。这种方案的缺点是调节转速需要人工手动调节电位器，非常不方便，小车刹车时由于电容放电，刹车也很缓慢，不能及时刹车。

方案二、采用专用集成电机控制芯片L298驱动电机，通过单片机调节MMC-1芯片产生PWM波的占空比，来控制L298的输入使之工作在占空比可调的状态，精确调整电动机转速。综合以上两种方案，本系统采用方案二。

MMC-1为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，基于NEC电子16位通用MCU固化专用程序实现，通过UART或SPI串行接口，为主控MCU扩展专用电机控制功能，可同时控制三路步进电机或直流电机。用于直流电机控制时，通道输出频率固定为16KHZ，通过设定给定寄存器选定不同占空比，进而调节了两个直流电机的转速，直至达到设计要求，ASSP芯片通过L298驱动电路驱动两个直流电机运行。由于ASSP芯片自身具有PWM输出，所以两台电机都采用PWM控制，通过调节占空比，实现电机的速度调节。L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，可以用来驱动2个直流电机或

1个步进电机等感性负载。采用L298作为电机驱动电路，可靠性高，可以方便的控制

电机正反转。

单片机、ASSP芯片和L298的连接电路图如下：

图5 单片机、ASSP芯片和L298的连接电路图

3）无线收发模块

方案一、采用SUNRF-2051无线通信模块。

方案二、采用无线发射模块PT2262，接收模块采用PT2272超再生接收板。

方案分析：超再生式接收板具有电路简单、性能适中、成本低廉的优点，接收电路自身辐射极小，加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用，可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。内含放大整形及解码电路，使用极为方便。因此本系统采用方案二。

3、电源设计

方案一、所有器件采用单一电源。这样供电比较简单。但是由于声源小车有两台电机，电动机起动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。

方案二、双电源供电。将电机驱动电源与单片机以及其周边电路完全隔离，各自分别供电。这样做虽然不如单电源方便灵活，但是可以将电机所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。故本系统采用方案二。