聲音引導(dǎo)系統(tǒng)完整硬件設(shè)計(jì)和源代碼

第一章前言

本系統(tǒng)是基于PIC單片機(jī)為主控制器的聲音引導(dǎo)系統(tǒng)，主要由可移動聲源，信號分析處理電路，無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，液晶顯示模塊等部分組成。本設(shè)計(jì)采用PIC單片機(jī)作為核心器件，音頻脈沖信號由單片機(jī)控制產(chǎn)生，發(fā)聲移動平臺用PMMA(Acrylic)制作，平臺的移動由直流減速電機(jī)完成，用ASSP芯片MMC-1和L298來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制，用語音接收電路采集信號，并對信號進(jìn)行處理后通過無線數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)現(xiàn)可移動聲源的智能控制。同時應(yīng)用數(shù)碼管顯示平均速度。

第二章方案設(shè)計(jì)與論證

總體方案架構(gòu)：

對于聲源的定位有多種辦法，比如測量接收端的幅值，聲音測距，測量兩個接收點(diǎn)的時間差等。我們首先選用的即時測量幅值的方案。但在實(shí)際測量過程中發(fā)現(xiàn)此方案不僅受環(huán)境影響極大，而且在聲音距離大于50厘米后經(jīng)過盡可能的放大后變化仍然達(dá)不到單片機(jī)最小采樣的精度5mV(10位精度ad)，因此放棄了此方案。使用聲音測距的方案在經(jīng)過實(shí)際測試后發(fā)現(xiàn)由于聲波存在相位的問題，對定位精度影響很大，返回的數(shù)據(jù)亦呈現(xiàn)出一個正弦變化的函數(shù)關(guān)系，同時，在聲源行進(jìn)過程中的影響也是很大，所以也放棄了此方案。最終我們采用了計(jì)算兩點(diǎn)時間差值的方法，在考慮相位的情況下，取每次高電平的中點(diǎn)作為有效數(shù)據(jù)點(diǎn)。聲源產(chǎn)生的信號如下：

經(jīng)不斷測試，在脈沖信號階段最佳的頻率為4kHz，接收的信號最穩(wěn)定，抗干擾最強(qiáng)。

一個周期為50ms，在前25ms內(nèi)產(chǎn)生脈沖信號，在后25ms持續(xù)低電平。如果三個接收點(diǎn)接收低電平的持續(xù)時間均超過10ms，則可視為一個新周期的開始。

可移動聲源的最大速度為16cm/s，則每一個處理周期為50ms，此段時間之前聲源移動的最大距離 = 16cm/s×0.05s = 0.8cm<1cm，可見此精度足以滿足誤差為1cm的系統(tǒng)需求。

舉例，三個聲源某一時刻可能接收到的聲音信號,經(jīng)比較輸出后波形如下：

因此只要檢測首次出現(xiàn)高電平的時間差dT1和dT2即可判斷聲源是否到達(dá)OX或者OY軸。

2.1主控芯片的選擇

方案一

采用51系列單片機(jī)進(jìn)行控制。此方案的優(yōu)點(diǎn)是成本很低，為保證為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的總體構(gòu)架對時間要求很高，需要不斷的計(jì)算出高電平的中間值，為保證系統(tǒng)能按需求進(jìn)行正常工作，單片機(jī)的處理速度必須考慮的一個問題。雖然51系列單片機(jī)支持最高晶振頻率為24MHz，但此時穩(wěn)定性會相應(yīng)下降，此外51系列單片機(jī)IO資源均較少，對其他功能的擴(kuò)展限制很大。此外，本方案還需同時處理無線數(shù)據(jù)發(fā)送接收，產(chǎn)生聲音信號，系統(tǒng)計(jì)時，與MMC-1芯片通信，pid電機(jī)掉接等任務(wù)，限于51系列單片機(jī)處理速度因此放棄了此方案。

方案二

采用PIC系列單片機(jī)進(jìn)行控制。此方案優(yōu)點(diǎn)是PIC是RISC結(jié)構(gòu)內(nèi)核，而且PIC單片機(jī)是四分頻的，而51系列單片機(jī)是12分頻的，所以指令速度比51單片機(jī)快得多，因此在同樣晶振下有著更快的處理運(yùn)算速度，因此非常適合處理采集的聲音測量值。雖然PIC單片機(jī)比51系列單片機(jī)成本高一些，但就整體而言卻有著更高的性價比。因此最終采用PIC單片機(jī)。

2.2聲源系統(tǒng)方案

方案一

用蜂鳴器作為發(fā)聲器件，用高耐壓、大電流達(dá)林頓管ULN2003進(jìn)行功率放大 ，此電路結(jié)構(gòu)簡單，易于控制，價格低廉，功耗低。但在實(shí)際測試中發(fā)現(xiàn)由于發(fā)出聲音相對較弱，因此外界極容易造成干擾，處理數(shù)據(jù)時精度達(dá)不到所需要求，因此放棄使用蜂鳴器。

方案二

用揚(yáng)聲器作為發(fā)聲器件，用TDA2822進(jìn)行功率放大，此電路能夠得到比蜂鳴器更強(qiáng)的音頻信號，雖然功率有些大，但能產(chǎn)生足夠的振幅，干擾相對較小，因此選擇此方案。

2.3移動平臺系統(tǒng)方案

方案一

購買普通玩具小車改裝成移動平臺，玩具小車一般由兩個直流電機(jī)組成，前輪用一個控制方向，后輪用一個控制速度

方案二

購買有機(jī)玻璃等材料自己制作移動平臺、采用兩個步進(jìn)電機(jī)分別控制左右兩個輪子，用一個萬向輪作支撐。

方案三

仍購買有機(jī)玻璃等材料自己制作移動平臺采用兩個直流減速電機(jī)分別控制左右兩個輪子，用一個萬向輪作支撐。

以上三種方案中，方案一是常見的平臺移動控制方法，但是由于玩具小車轉(zhuǎn)向的角度很難控制，而且電機(jī)容易卡死，可能造成電機(jī)燒毀，加上題目中要求可移動生源轉(zhuǎn)直角彎，此方案很難做到。方案二雖然采用步進(jìn)電機(jī)左右輪分開控制的策略，而且能夠精確控制轉(zhuǎn)速和計(jì)算路程，但一般小型步進(jìn)電機(jī)產(chǎn)生的力矩較小，難以達(dá)到要求。方案三中只要直流減速電機(jī)安裝較好，其控制就能達(dá)到較高的精度，對于負(fù)載較多的移動平臺而言，此方案最為實(shí)用。

2.4聲音接收方案

方案一

購買集成好的拾音器模塊，這種方法能有效采集到音頻信號，但是集成模塊價格較為昂貴，性價比不高，有大材小用之嫌，因此不用。

方案二

用駐極體話筒和晶體管制作簡單的音頻采集放大電路。此方法成本低，功耗小，外圍器件少，電路簡單，而音質(zhì)也較佳為。經(jīng)綜合考慮，我們決定采用此方案。

2.5顯示方案

方案一

LCD12864進(jìn)行背光顯示，此方案能夠?qū)崟r顯示能容豐富、清晰，顯示信息容量大，但是此液晶功耗大(開啟背光時12864接近500mA)，而且需要安裝面積大，占用I/O資源較多，價格較為昂貴，因此不采用。

方案二

用數(shù)碼管進(jìn)行顯示，控制簡單，亮度大，價格低廉，在較強(qiáng)的光線下也能顯示清晰的數(shù)據(jù)，所以選擇數(shù)碼管進(jìn)行顯示。[!--empirenews.page--]

2.6 無線方案

采用NRF905為主控芯片的無線通信模塊，通信頻率高，傳輸速度較快，能夠勝任本系統(tǒng)要求的任務(wù)。

第三章硬件電路設(shè)計(jì)

3.1音頻信號發(fā)生電路的設(shè)計(jì)

我們采用用TDA2822對音頻信號進(jìn)行功率放大，該芯片性價比很高。揚(yáng)聲器的頻率直接由單片機(jī)給出，單片機(jī)輸出的脈沖信號通過揚(yáng)聲器反映出來。具體電路圖見附圖1。

3.2電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)

本題必須采用組委會提供的電機(jī)控制ASSP芯片(型號MMC-1)實(shí)現(xiàn)可移動聲源的運(yùn)動。MMC-1為多通道兩相四線式步進(jìn)電機(jī)/直流電機(jī)控制芯片，基于十六位通用的MCU固化專用程序?qū)崿F(xiàn)。通過USAT或SPI串行接口，為主控CPU擴(kuò)展專用電機(jī)控制功能。在此次比賽中由于硬件資源有限，而整個系統(tǒng)對主控CPU的性能有要求很高，如電機(jī)驅(qū)動與音頻信號都會用到PWM，51單片機(jī)沒有PWM，而PIC單片機(jī)也只有兩路PWM，為了提高性價比，這款芯片很有必要!整個電機(jī)驅(qū)動電路請見附圖2、附圖3、附圖4、附圖5。

3.3音頻信號接收電路

為了降低小車的功耗，減少作品成本，以三極管為基本放大環(huán)節(jié)的話筒功放電路，外圍元件少，制作簡單，音質(zhì)卻出乎意料的好。其主要特點(diǎn)是效率高、耗電省，靜態(tài)工作電流典型值只有6mA左右，具體電路如圖所示。該電路輸出端的信號不能直接給單片機(jī)，由于環(huán)境中不確定的噪聲很多，所以必須濾波，我們選取帶通濾波，其中中心頻率為：F=1/2<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<π R C

由于環(huán)境中的干擾的頻率大多分布在2KHZ以下，于是便要求音頻信號頻率要在它之上，在測試中發(fā)現(xiàn)并不是頻率越高越好，隨著頻率升高，音頻信號的響度也隨著降低，響度太低也會使信號的檢測變困難，經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)聲音引導(dǎo)系統(tǒng)最佳頻率是4KHZ。由于采用相位比較算法，單片機(jī)得到的理想值是一個數(shù)字信號，通過電壓比較器將輸出的信號通過電壓比較，輸出方波信號。這樣可以使得干擾基本上消失，而且控制也相對比較簡單，更值得一提的是，通過比較器的可調(diào)比較電壓，可以在不同的環(huán)境下通過調(diào)節(jié)比較器的比較電壓，達(dá)到抗干擾的目的。具體的濾波比較電路請見附圖六、附圖七。

3.4測速電路設(shè)計(jì)

本聲源移動平臺采用雙電機(jī)差速控制，由于是差速控制，兩電機(jī)轉(zhuǎn)速不一定一樣，所以要通過測定兩個電機(jī)的轉(zhuǎn)速來確定，最簡單的算法是取平均值。性價比最高的一種方法是通過光電管配合自制的光電碼盤來實(shí)現(xiàn)。光電管通過電壓比較器使得當(dāng)光電管處于光電碼盤黑白上時輸出高低電平信號，再通過單片機(jī)計(jì)數(shù)、運(yùn)算的出速度值，還可以算出路程。

V=相鄰碼盤距離/通過相鄰碼盤所用的時間

S=V*T

第四章軟件設(shè)計(jì)

4.1 總體構(gòu)架分析：

所有數(shù)據(jù)采集、處理以及計(jì)算均在聲音接收部分完成，在處理完成后通過無線模塊發(fā)送給聲源，聲源根據(jù)接收到的命令采取不同的控制策略。此外聲源部分和聲音接收部分均采用AvrX操作系統(tǒng)，同時進(jìn)行多個操作，保證了系統(tǒng)系統(tǒng)運(yùn)行的實(shí)時性。

聲源部分：

Task1： 產(chǎn)生系統(tǒng)所需的聲音信號。

Task2：電機(jī)速度檢測，與MMC-1電機(jī)驅(qū)動芯片進(jìn)行通信，構(gòu)成電機(jī)速度的閉環(huán)控制。

Task3：記錄系統(tǒng)運(yùn)行時間，并時時顯示速度。

Task4：無線數(shù)據(jù)通信，時時接收控制指令。

聲音接收部分：

Task1：信號的接受和處理

Task2：對接受的信號進(jìn)行計(jì)算，產(chǎn)生不同的控制命令。

Task3：對更新的控制命令通過無線模塊發(fā)送到移動聲源。

4.2 PID電機(jī)調(diào)速的設(shè)計(jì)：

因?yàn)閷?shí)現(xiàn)本題必須實(shí)用精確控制，因此必須采用閉環(huán)的控制系統(tǒng)，對雙電機(jī)進(jìn)行精確控制以達(dá)到精度控制要求。而此系統(tǒng)中同時要求電機(jī)進(jìn)行前進(jìn)和后退，因此需采用位置式PID控制。

經(jīng)過不斷的測試，比例，積分，微分常數(shù)目前調(diào)出的最佳參數(shù)如下：

Kp: 1.6 Ki: 2.1 Kd:1.4 具體部分代碼參見附錄。[!--empirenews.page--]

第五章調(diào)試及結(jié)果分析

5.1音頻信號采集模塊調(diào)試

5.2路程測量測試

調(diào)試儀器：20MHz雙蹤示波器、信號發(fā)生器、數(shù)字萬用表、秒表、米尺等

5.3結(jié)果分析

經(jīng)測試，在外界干擾不是太強(qiáng)的情況下，可移動聲源能夠通過接收器方傳回的數(shù)據(jù)精確地定位，精度在1—3cm.

PID調(diào)試部分代碼：

// define difference : the difference between the latest data and the previous data

// define U0 : the PWM to send to the moto

int main (void)

{

······ // Omitted the previous code

int P = 0 , D = 0 ;

tcount++ ;

CarState.E0 = BitNum ;                                                         

if ( CarState.E0 == CarState.E1 ) if ( CarState.E0 == 0 ) FlagD = 0 ;

else if ( CarState.E0 < CarState.E1 ) FlagD = -1 ;

else if ( CarState.E0 > CarState.E1 ) FlagD = 1 ;

P = CarState.E0 * Kp ;

D = Kd * KdS * ( CarState.E0 + 3*CarState.E1 - 3*CarState.E2 - CarState.E3 ) ;

if ( D < - 30 * KdS ) D = -30*KdS ;

else if ( D > 30*KdS ) D = 30*KdS ;

if ( D != 0 ) D_old = D ;

if ( D_old < -10 ) D_old++ ;

else if ( D_old > 10 ) D_old-- ;

if ( (CarState.E0 > -3)&&(CarState.E0 < 3) ) S = 0 ;

else if ( ( FlagD == -1) && ( CarState.E0 <= -1 ) )

if ( S > ( BitNum * BitNum * 20 * KsS ) ) S-- ;

else if ( ( FlagD == -1) && ( CarState.E0 >= -1 ) ) S = 0 ; //

else if ( ( FlagD == 1 ) && ( CarState.E0 <= 1 ) ) S = 0 ; //

else if ( ( FlagD == 1 ) && ( CarState.E0 >= 1 ) )

if ( S < ( BitNum * BitNum * 20 * KsS) ) S++ ; //

u8_pwm_a = U0 + P + ( D_old / KdS )+ ( S / KsS ); // ;

······ // Omitted the following code

}