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1、 第九届“瑞华赢杯”大学生电子设计竞赛大学生电子设计竞赛声音导引系统初步设计报告参赛队员：联系方式： 6 目 录摘要、关键字：3一、系统总体方案31、题意分析32、整体方案比较3二、系统方案设计与论证51、偏差信号的产生与控制方法5三、硬件电路设计61、MCU控制器：62、信号调理模块：63、电机驱动模块74、无线收发模块8四、系统软件设计8五、参考文献9摘要：声音导引系统由可移动声源和接收器两大部分组成。可移动声源由STC12C5A60S2单片机为控制板、MMC-1、无线接收模块、显示模块等组成。接收器主要由控制板、音频信号接收装置和无线发送装置等组成。本文详细介绍了各模块的应用电路以及系统
2、的软件算法。根据定位需求推导了偏差计算的公式，采用bang-bang算法控制可移动声源的运动。关键字：声音引导 STC12C5A60S2 一、系统总体方案1、题意分析由于可移动声源的平台不限，考虑到性价比，选择市场上的玩具小车经改装后最为合适，其开始运动方向和Ox线保持垂直，故在实现基本要求时，只需在声音引导下直线行驶即可。若要实现发挥部分到达W点，则小车必须具有转向功能。移动声源两侧宽度为0.3cm的标志线主要用来目测移动过程中声源是否超过Ox线规定的距离。发声器件是移动声源测距的中心位置，其可放在平台的任何位置，但为简化计算和补偿，其放在小车最前端的中间位置最易实现准确导引。为便于使移动声
3、源不跨越Ox线，有关将此车头反向放置，留在发挥的其它部分考虑。考虑到绿色环保和便于安装，移动声源和接收器均采用可充电电池供电。为便于测试并减轻平台负荷，可考虑在接收器部分加装LCD显示时间、距离和平均车速。根据题目要求，到达Ox线时，声音传播到A、B接收器的时间相同，因此只需要根据A、B两点接收到声音的时间差来控制小车的运动。如要要求移动声源到达W点，则需要接收器A、B、C三点接收到声音的时间相等。1. 可移动声源的主要功能可移动声源主要由小车、发声器件、控制板等组成。其主要功能如下：（1） 发出音频脉冲信号；（2） 通过无线接收声源的位置信息，控制平台移动到目标位置；（3） 完成声光提示；（
4、4） 采用MMC-1芯片进行驱动。 2. 接收器的主要功能： 接收器主要由控制板、音频信号接收装置和无线发送装置等构成。其主要功能如下：（1） 接收移动声源发送的音频信号；（2） 完成对定位信号的计算和处理；（3） 发送相应的定位信息。2、整体方案比较方案一：各路声音接收器均有自己的控制板无限发送模块，发送接受相互不影响，可以提高系统可靠性，但性价比底。 图表 1 方案一系统结构图方案二：本方案采用一个控制板，外接三路音频接受器，经过一路无线模块发送和接收，这样可大大减少了系统成本，提高性价比，并且系统运行可靠稳定。 图表 2 方案二系统结构图方案比较：方案一中采用三个相互独立的控制器分别控制
5、音频接收器A、B、C接收的信号并进行无线发送，在方案二中，采用一个共同的控制器对三个接收器进行控制，与方案一相比，方案二在实现相同功能的前提下，具有较好的性价比，而且稳定性、可靠性高。因此我们选用方案二。二、系统方案设计与论证1、偏差信号的产生与控制方法图表 3 坐标系建立如图2所示的坐标系，A点坐标（0，0）。设声源S的坐标为（x，y）。该系统需实现的功能为：声源发出声音后小车开始运动，其运动方向和Ox线保持垂直，运动轨迹应如图3.1中线SG所示。当可移动声源运动到Ox线（即G点）时，停止5s10s后沿GW线运行，到达W点后停止同时有声光提示。在整个系统运行的过程中，接收器与声源之间的距离满
6、足以下关系式：声源发出声音后，三个接收器A、B、C接收到声音所需要的时间，分别为：，其中V为声音在空气中的传播速度。由以上分析有：上式说明：声源S距离Ox线的垂直距离x和声音到达A、B两点的时间的平方差成正比。当x=0.5时=，表示移动声源到达Ox线。同理：，说明声源S距离W点的垂直距离y和声音到达A、C两点的时间的平方差成正比。当x=0.5，y=0.5时，可移动声源到达W点。由于，的时间不容易测量，因此采用判断时间差的方法进行控制。设声源 S的声波传至接收器A、B的时间差t1=- ,至 A、C的时间差t2= -。实现声音引导小车的原理：小车声源连续发出恒定频率的声音信号，当小车从OX轴右侧靠
7、近OX线运动时，传至A，B点的时差t1会逐渐趋近于0，通过实时检测，一旦t1=0或接近系统设定值，控制器发出停车信号，确保小车停在OX线上。当在OX线上停止5s10s后，控制小车沿GW线运动，在运动的过程中t2会逐渐趋近于0，通过实时检测，一旦t2=0或接近系统设定值，控制器发出停车信号，确保小车停在W点。三、 硬件电路设计1、MCU控制器：采用STC12C5A60S2单片机实现，该单片机具有加密性强、高速、高可靠、强抗静电、强抗干扰等特点，内置两路PWM输出，8路10位ADC输入通道，为了减小功耗及体积，选择了贴片式封装。最小系统原理图见附件。2、信号调理模块：声音接收器采集到小车发出的声音
8、，须先经过滤波器滤波，放大器放大，消除一部分干扰信号的影响，得到含有纹波的脉冲信号，再需经过Lm339构成的施密特触发器进行整形，才可得到标准的锯齿波。滤波电路采用MAX274制作的有源滤波器，电路图如下： 图表 4 MAX274原理图为了接收器能接收到较强的声源信号，利用示波器和信号发生器得出了接收器的中心频率f0=4.0KHz，品质因数Q=10。然后利用公式，可以得出：本模块利用LM324对声音信号进行三级放大（如图5），MIC信号先经过电压跟随器，得到较大的电流，然后在经过两级固定放大，第三级放大倍数可调（最大21倍）。 图表 5 LM324级联放大 放大后的信号经过LM339构成的施密
9、特触发器进行整形，可得到标准的锯齿波如图6，其中锯齿波的宽度可以通过参考电压的调节改变。图表 6 整形电路3、电机驱动模块如图7所示，每一路直流电机需要CHnDCPWM和Cheddar 两个引脚(n=13)，CHnDCPWM 用于PWM 输出，CHnDCDIR 用于指定电机转向，外接L298全桥驱动芯片，R=10K,C=0.47uf。输出频率为16KHz，通过调节占空比控制电机转速。图表 7 电机驱动模块原理示意图4、无线收发模块系统采用Nrf24L01型微功率无线传输模块，通过TTL电平与单片机进行通信，应用原理图如图3.5所示。图表 8 无线收发模块应用原理图四、 系统软件设计系统软件流程图如下：9 接收器系统流程图图表 10 可移动声源系统流程图五、 参考文献1 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M.北京：北京航空航天大学出版社，20062 一种小功率逆变电源的设计及实现J 3 童诗白、华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20074 王宜杯,刘晓升.嵌入式系统使用HCS12微控制器的设计与应用M.北京：北京航天航空大学出版社，20085 智能车制作J. 6 陈永真,宁武,蓝和慧.新编全国大学生电子设计竞赛试题精解选J.北京：电子工业出版社,2009
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