無(wú)線收發(fā)的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)

摘要：設(shè)計(jì)以STC89C58單片機(jī)為核心的最小系統(tǒng)。采用L297與L298控制、驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)；音頻放大器采用CX20106芯片，信號(hào)頻率選擇、放大性能好；同時(shí)具有433 MHz無(wú)線接收發(fā)模塊等。音頻接收器接收小車發(fā)出的15 kHz音頻信號(hào)，通過(guò)采集、放大、濾波等環(huán)節(jié)傳送至接收端單片機(jī)；利用時(shí)間差作為變量，將對(duì)應(yīng)的信息無(wú)線發(fā)送回小車處理器，控制小車移動(dòng)到達(dá)預(yù)定位置。
關(guān)鍵詞：聲音導(dǎo)引；無(wú)線收發(fā)；運(yùn)算放大；STC89C58

引言
    聲音引導(dǎo)在工業(yè)、民用等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用空間。本文基于主從兩塊單片機(jī)設(shè)計(jì)了聲音引導(dǎo)電動(dòng)小車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。該系統(tǒng)由可移動(dòng)聲源(智能小車)和聲音接收控制電路等組成。其主要功能是由聲音接收控制電路接收并處理移動(dòng)聲源發(fā)出的聲音信號(hào)，通過(guò)無(wú)線的方式向移動(dòng)聲
源控制電路發(fā)送方位、速度等信息，使移動(dòng)聲源達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。系統(tǒng)的移動(dòng)聲源采用了步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的小車，角度、位移控制較為精確。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    系統(tǒng)硬件總體框圖如圖1所示。主控、從控單片機(jī)為宏晶科技的STC89C58。

1．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
    電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路如圖2所示。驅(qū)動(dòng)模塊采用L298驅(qū)動(dòng)芯片和L297電機(jī)控制芯片。L298驅(qū)動(dòng)芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可用來(lái)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者是一個(gè)步進(jìn)電機(jī)；在4～46 V的電壓下，可以提供2 A的驅(qū)動(dòng)電流。L298還有過(guò)熱自動(dòng)關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測(cè)功能，符合電機(jī)驅(qū)動(dòng)的需要。L297芯片為電機(jī)驅(qū)動(dòng)的前級(jí)電路，主要用來(lái)產(chǎn)生格雷碼，避免了用單片機(jī)引腳直接控制所造成的資源浪費(fèi)。

    本系統(tǒng)采用的是步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步進(jìn)角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無(wú)累積誤差等特點(diǎn)，在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制變得非常簡(jiǎn)單。
    采用步進(jìn)電機(jī)作為電動(dòng)車的電動(dòng)機(jī)，可以通過(guò)脈沖控制實(shí)現(xiàn)速度與精度兼得。
1．2 聲音發(fā)生裝置
    以揚(yáng)聲器作為車載聲源加之多諧振蕩電路，可以向聲音接收器發(fā)送一定頻率的聲音脈沖。多諧振蕩電路的應(yīng)用可節(jié)省寶貴的單片機(jī)資源。
    555定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部接少量的阻容元件就可以很方便地組成多諧振蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的方波波形。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器如圖3所示。其中，R1、R2和電容C為外接元件。

    多諧振蕩波形如圖4所示。

    由圖4可知，矩形波的振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時(shí)間，T2為電容放電時(shí)間。
    
    因此，改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。

1．3 聲音接收及處理模塊
    采用具有帶通功能的集成芯片CX20106進(jìn)行信號(hào)處理。CX20106的總放大增益約為80 dB，輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度在3．5～5 V范圍內(nèi)?？傇鲆婢哂锌烧{(diào)性，雖然增益取值過(guò)大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，但仍能滿足系統(tǒng)要求。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，CX20106作為聲音信號(hào)處理芯片的抗干擾能力極強(qiáng)，且電路最為簡(jiǎn)潔。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

    前置電路將接收到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成CX20106可以接收的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號(hào)，送到CX20106的1腳。CX20106的總放大增益約為80 dB，其7腳輸出的控制脈沖序列信號(hào)幅度為3．5～5 V?？傇鲆娲笮∮?腳外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值過(guò)大時(shí)將造成頻率響應(yīng)變差，C1為1．OμF。采用峰值檢波方式，檢波電容C2為3．3 μF。R2為帶通濾波器中心頻率的外部電阻。
    積分電容C3取330 pF。經(jīng)CX20106處理后的脈沖信號(hào)由7腳輸出。
1．4 無(wú)線收發(fā)模塊
1．4．1 無(wú)線發(fā)射模塊
    無(wú)線發(fā)射模塊電路如圖6所示。編碼采用PT2262芯片，它將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集于一身，使發(fā)射電路變得非常簡(jiǎn)潔。編碼輸入是4路獨(dú)立的二進(jìn)制信號(hào)，把誤差信號(hào)轉(zhuǎn)換為4位數(shù)字信號(hào)通過(guò)433 MHz發(fā)射模塊進(jìn)行發(fā)射。

1．4．2 無(wú)線接收模塊
    無(wú)線接收模塊電路如圖7所示。解碼芯片采用PT2272-M4芯片，對(duì)433 MHz接收模塊接收到的信號(hào)進(jìn)行解碼。433 MHz接收模塊上集成有超外差接收裝置，其具有較好的選擇性和頻率特性，且容易調(diào)整。PT2272-M4的數(shù)據(jù)輸出位因其后綴而異，數(shù)據(jù)輸出具有暫存和鎖存兩種方式，方便用戶使用。后綴為M為暫存型，后綴為L(zhǎng)為鎖存型，其數(shù)據(jù)輸出又分為0、2、4、6不同的輸出。

2 軟件設(shè)計(jì)
    聲源引導(dǎo)示意圖如圖8所示。設(shè)S點(diǎn)為可移動(dòng)聲源，Ox代表AB直線的中垂線，O'y代表AC直線的中垂線。如果AS距離大于BS距離，則小車向9點(diǎn)鐘方向前進(jìn)；如果AS距離小于BS距離，則小車向3點(diǎn)鐘方向倒車；如果AS等于BS，則說(shuō)明小車在AB的中垂線上。如果AS距離大于CS距離，則小車向6點(diǎn)方向前進(jìn)；如果AS距離小于CS距離，則小車向12點(diǎn)鐘方向倒車；如果AS等于CS，則小車到達(dá)W點(diǎn)。

    本系統(tǒng)在聲音接收器端設(shè)置主單片機(jī)，承擔(dān)運(yùn)算工作并發(fā)射信號(hào)。在移動(dòng)聲源上設(shè)置一塊從單片機(jī)，根據(jù)接收到的指令控制聲源運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

3 系統(tǒng)測(cè)試
    測(cè)試儀器使用秒表、米尺等。通過(guò)改變小車的起始位置測(cè)量小車走完全程所需的時(shí)間，從而計(jì)算出平均速度。設(shè)小車離W點(diǎn)水平線的垂直距離為H(單位為cm)。由于車身完全為手工制作，重心位置存在誤差，導(dǎo)致兩個(gè)輪子承受壓力不同、阻力不同，對(duì)系統(tǒng)的精度有一定影響。共進(jìn)行6次測(cè)試，在同一H值下，分別測(cè)量平均速度v1和v2。
   
    測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所列。

結(jié)語(yǔ)
    本系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C58芯片為核心部件，利用無(wú)線收發(fā)模塊、音頻收發(fā)模塊，并配合一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)聲音的收發(fā)、無(wú)線傳輸控制、小車的方向和運(yùn)動(dòng)控制，以及自動(dòng)到達(dá)指定位置并有明顯的光和聲指示、時(shí)間顯示等功能。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分利用軟件編程方便、靈活的特點(diǎn)來(lái)滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。