基于AT89S52的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言
    2009年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽的B題是“聲音導(dǎo)引系統(tǒng)”；題目要求設(shè)計(jì)并制作一聲音導(dǎo)引系統(tǒng)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)有一個(gè)可移動(dòng)聲源S，三個(gè)聲音接收器A，B，C，聲音接收器之間可以有線連接。聲音接收器能利用可移動(dòng)聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個(gè)可移動(dòng)聲源離指定位置的誤差信號(hào)，并用無(wú)線方式將此誤差信號(hào)傳輸至可移動(dòng)聲源，引導(dǎo)其運(yùn)動(dòng)。

1 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1．1 系統(tǒng)組成
    系統(tǒng)組成如圖1所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用兩塊單片機(jī)(AT89S52)分別作為可移動(dòng)的聲源的檢測(cè)和控制核心。通過(guò)單片機(jī)(MCUl)對(duì)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間做處理，檢測(cè)出當(dāng)前小車的位置，然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送給MCU2。MCU2根據(jù)當(dāng)前的位置控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，當(dāng)停止下來(lái)時(shí)給出相應(yīng)的聲光提示。

1．2 具體算法實(shí)現(xiàn)
1．2．1 設(shè)計(jì)與計(jì)算
    該設(shè)計(jì)主要是根據(jù)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)確定當(dāng)前小車的位置S，如圖2所示。設(shè)S點(diǎn)到C點(diǎn)的距離為a。S點(diǎn)到A點(diǎn)的距離為b；S點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為c。設(shè)S點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為l，h)，假設(shè)由單片機(jī)測(cè)得接收器A、接收器B和接收器C接收到信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)算出b與a的距離差為c1；b與c的距離差為c2。由圖2中關(guān)系可得到如下方程：
   

    則可根據(jù)測(cè)量的距離差△d=|c2-c1|求得相應(yīng)的小車的位置(l，h)。

1．2．2 誤差信號(hào)產(chǎn)生
    該設(shè)計(jì)的誤差信號(hào)產(chǎn)生主要有三個(gè)方面：
    檢波誤差  由聲源信號(hào)產(chǎn)生的半波損失，其誤差的大小與聲源信號(hào)發(fā)射的頻率有關(guān)。當(dāng)頻率越小時(shí)，△d=|c2-c1|則越小。如頻率為5 kHz的聲源信號(hào)，其周期為O．2 ms，則半波損失導(dǎo)致△d=0．1 ms×340 m／s=3．4 cm，所以頻率越大，半波損失越小。
    單片機(jī)的測(cè)量時(shí)間產(chǎn)生的誤差  單片機(jī)晶振為24 MHz，內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)12分頻后，時(shí)鐘周期為O．5μs，測(cè)量時(shí)間誤差為±0．5μs，則會(huì)產(chǎn)生一定的誤差信號(hào)。
    計(jì)算誤差  在計(jì)算聲源位置的過(guò)程中，數(shù)據(jù)有一定的取舍，則會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。
1．2．3 控制理論簡(jiǎn)單算法
    該設(shè)計(jì)的控制理論簡(jiǎn)單算法主要考慮三種方案：
    方案一：根據(jù)計(jì)算出的△d=|c2-c1|的值來(lái)確定小車是否移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到△d=O時(shí)，控制小車停止。
    方案二：根據(jù)測(cè)得△d=|c2-c1|的具體值控制字PWM，PWM=K△d，其中k為比例調(diào)節(jié)，△d越大，K越大，從而控制小車的速度。
    方案三：PID控制算法
    在連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量?？刂葡到y(tǒng)中以驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣信息為反饋量，采用增量式數(shù)字PID控制算法，通過(guò)輸出PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。計(jì)算公式為：
   
式中：△un為第n次輸出增量；en為第n次偏差；en-1為第n-1次偏差；en-2為第n-2次偏差。增量式PID控制系統(tǒng)中的KP，KI，KD參數(shù)，一般經(jīng)反復(fù)測(cè)試、分析，最終確定理想數(shù)值。考慮到算法的簡(jiǎn)單可行和實(shí)際應(yīng)用，采用方案一最簡(jiǎn)單，且能夠?qū)崿F(xiàn)小車速度的控制。

2 單元硬件電路設(shè)計(jì)
    根據(jù)系統(tǒng)組成框圖，系統(tǒng)只要由以下幾部分電路組成．對(duì)各電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分別有以下不同的設(shè)計(jì)方案。
2．1 可移動(dòng)聲源調(diào)制電路設(shè)計(jì)
    可移動(dòng)聲源產(chǎn)生的信號(hào)為周期性音頻脈沖信號(hào)。利用RC振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的周期性音頻脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大再由揚(yáng)聲器向外發(fā)送，該方案產(chǎn)生的音頻信號(hào)高次諧波信號(hào)較大，經(jīng)過(guò)電路的改進(jìn)使高次諧波大大減小，可以滿足設(shè)計(jì)要求。電路圖如圖3所示。

2．2 接收器電路設(shè)計(jì)
    接收器電路主要用于接收可移動(dòng)聲源發(fā)出的音頻脈沖信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)(MCUl)，由單片機(jī)1(MCUl)對(duì)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間做處理，檢測(cè)出當(dāng)前小車的位置，然后通過(guò)無(wú)線發(fā)送給單片機(jī)2(MCU2)。所以能不能很好地接收到音頻信號(hào)是整過(guò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)考慮接收器的信號(hào)采集傳感器采用MIC，將采集信號(hào)放大、濾波、整形，產(chǎn)生方波信號(hào)，傳送給單片機(jī)，由于MIC靈敏度較高，受外界噪聲干擾較大，中間加高通濾波電路，可實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源信號(hào)的接收。電路圖如圖4所示。

2．3 小車控制電路設(shè)計(jì)
    小車控制電路設(shè)計(jì)采用NEC的電機(jī)控制ASSP芯片(型號(hào)MMC-1)實(shí)現(xiàn)可移動(dòng)聲源的運(yùn)動(dòng)，用UART模式和ASSP芯片進(jìn)行通信使之提供控制信號(hào)，再用L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50 V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用ASSP芯片口提供信號(hào)；而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。通過(guò)控制L298的INl，IN2，IN3，IN4輸入端控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。此方案接口簡(jiǎn)單，不占用系統(tǒng)資源。

2．4 小車轉(zhuǎn)向精度控制及路程計(jì)算
    小車轉(zhuǎn)向精度控制及路程計(jì)算的方案有多種，考慮到安裝的復(fù)雜和調(diào)試容易程度，設(shè)計(jì)采用反射式光電對(duì)管，對(duì)車輪上的黑白碼盤檢測(cè)，產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)，從而計(jì)算小車行駛路程和轉(zhuǎn)向控制。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件設(shè)計(jì)說(shuō)明
    在小車程序中，一開始打開無(wú)線接收，在收到數(shù)據(jù)后進(jìn)行判斷小車是否到達(dá)預(yù)定位置，如果沒(méi)有到達(dá)則繼續(xù)由算法控制計(jì)算PWM值，由PWM值控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向；如果收到數(shù)據(jù)后判斷到達(dá)了預(yù)定位置，則發(fā)出聲光信號(hào)指示到達(dá)了預(yù)定位置。
    對(duì)于監(jiān)測(cè)端程序設(shè)計(jì)，首先對(duì)測(cè)量值通過(guò)濾波算法進(jìn)行濾波，然后將上次的測(cè)量值發(fā)送，再將定時(shí)器清零，判斷INT3是否有下降沿到來(lái)，如果沒(méi)有監(jiān)測(cè)到下降沿，則繼續(xù)等待，如果有，則開定時(shí)器，開中斷，延時(shí)100μs后又繼續(xù)對(duì)測(cè)量值濾波。
3．2 程序流程圖
    程序流程如圖7所示。

4 測(cè)試數(shù)據(jù)
4．1 基本要求
    (1)可移動(dòng)聲源發(fā)出聲音后開始運(yùn)動(dòng)，到達(dá)ox線并停止，這段運(yùn)動(dòng)時(shí)間為響應(yīng)時(shí)間，測(cè)量響應(yīng)時(shí)間，用下列公式計(jì)算出響應(yīng)的平均速度，要求平均速度大于5 cm／s。
   
    (2)可移動(dòng)聲源停止后的位置與ox線之間的距離即定位誤差，定位誤差小于3 cm。
    (3)可移動(dòng)聲源在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)刻超過(guò)ox線左側(cè)的距離，超過(guò)ox線左側(cè)的距離小于5 cm。
    (4)可移動(dòng)聲源到達(dá)ox線后，必須有明顯的光和聲指示。
    (5)將可移動(dòng)聲源轉(zhuǎn)向180°(可手動(dòng)調(diào)整發(fā)聲器件方向)，能夠重復(fù)基本要求。
4．2 發(fā)揮部分
    (1)平均速度大于10 cm／s；定位誤差小于1 cm；可移動(dòng)聲源在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中任意時(shí)刻超過(guò)ox線左側(cè)距離小于2 cm。
    (2)在完成基本要求部分移動(dòng)到ox線上后，可移動(dòng)聲源在原地停止5～10 s，然后利用接收器A和C，使可移動(dòng)聲源運(yùn)動(dòng)到W點(diǎn)，到達(dá)W點(diǎn)以后，必須有明顯的光和聲指示并停止，此時(shí)聲源距離W的直線距離小于1 cm。整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程的平均速度大于10 cm／s。
4．3 基本要求測(cè)試
    測(cè)試數(shù)據(jù)表如表l所示。將可移動(dòng)聲源轉(zhuǎn)向180°(可手動(dòng)調(diào)整發(fā)聲器件方向)，重復(fù)上述基本要求。測(cè)試數(shù)據(jù)表如表2所示。

4．4 發(fā)揮部分測(cè)試
    測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

    經(jīng)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計(jì)能夠達(dá)到大賽的基本要求，對(duì)于發(fā)揮部分也基本能夠?qū)崿F(xiàn)。

5 結(jié)語(yǔ)
    該設(shè)計(jì)基于完備可靠的硬件設(shè)計(jì)，采用NEC電子電機(jī)控制ASSP芯片和AT89S52的控制和運(yùn)算優(yōu)勢(shì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的精確控制。