声音导引系统【凌阳SPCE061A十六位单片机】.docx

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1、B甲133声音导引系统（B题）摘要：本系统以两片凌阳SPCEO61A十六位单片机为主控制器，辅以发声设备、声音接收器、声光提示电路，1CD显示模块和无线数据的传输以及可移动声源的载体-小车，构成了一个声音导引系统。其中，小车、一块SPCE061A单片机、无线接收模块、发声设备、声光提示电路以及电源构成了可移动声源系统，另一块SPCE061A.声音接收器、无线发射模块、电源构成了可移动声源的检测系统，两个系统结合构成了声音导引系统。关键词：声音导引音频采集与处理无线数据传输Abstract:ThissystemtakesSunp1usSPCE061AMCUasthemaincontro11er,

2、assistedwithaudib1edeviceunit,soundrecevierunit,wire1essdatacommunicationunit,andthecarrierofthemovab1eacousticsoundsource,thetoy-car,andsoon,toformasound-guidingsystem.Thetoy-car,Sunp1usSPEC061AMUC,wire1essreceverunit,audib1edeviceunit,acousto-optichintande1ectronicpowersourceformthemovab1eaudib1es

3、ystem,whi1etheSPCE061AMeU,soundreceiverunit,wire1esstransmitterdeviceande1ectronicpowersourceformthedetectingsystemwhichdetectsthemovab1eaudib1esystem.Onthewho1e,thetwosystemstogetherformthesound-guidingsystem.Keyword:Sound-guidingAudioSigna1Co11ectionandProcessingWire1esstransmitter1 .系统方案1.1 系统设计与

4、结构框图根据题目要求，本系统主要由电源模块，控制器模块，发声模块，1CD显示模块，声音接收器模块，无线数据传输模块，电机驱动模块，声光提示模块等构成。系统的结构框图如图1所示：声源检测系统可移动声源系统图1系统的结构框图1.2 方案论证1.1.1 移动声源选择:本设计中的可移动声源需要由声源和接收器构成定位系统精确定位，以小车为其运载平台。由于一般的玩具车的动力机构为小型直流电机，速度太快，不满足题目要求，若自制齿轮组。又考虑到四轮车控制的不灵活性，所以我们自己设计车体结构为三角形，灵活性大，速度易于控制，前轮采用一个万向轮，后轮为两个直流减速电机带动，很好地完成了设计任务。1.1.2 控制器

5、选择：方案一：采用Atme1公司的AT89S52单片机：AT89S52通用灵活、价格低廉，使用方便。但该系列单片机字长有限，处理速度慢，资源不够丰富，由于本系统要用到无线数据传输，且涉及到声音接收器的数据处理及相关算法，其相对于16位单片机较慢的处理速度限制了其功能的发挥。方案二采用凌阳公司的16位微处理器SPCEO61。SPCE061A具有丰富的内部硬件资源,RAM,F1ASH空间多，功能强大，指令周期短，运算速度快，低功耗、低电压，用户可用端口多。考虑到本设计中涉及到复杂的运算以及对F1ASH大小的要求，我们最终选择了方案二。1.1.3 电源模块：由于我们设计的可移动声源以小车为运载平台。

6、而小车作为活动性机器,故最好采用电池供电。电机工作需要2V电压，且要求较大的电流，其它模块需5V供电，电流要求不高。这样，体积小，容量大，重量轻的锂电池结合12V-5V的DC-DC芯片便成为我们的最佳选择。同时本电源模块的一个创新点是，我们自主设计了欠压保护电路，当电池电压低于设定阈值时，负载供电自动切断。124声源检测：方案一：采用普通的驻极体话筒：普通的驻极体话筒检测具有电路简单,价格便宜的优点，但缺点是检测声音的有效距离有限，同时为了减小外界干扰系统采用了18kHz（实际使用效果更好的15.6HZ）的亚超声（属于小于20kHz的人耳可分辨的声波范围内），普通的驻极体无法响应，故放弃此方案

7、。方案二：采用压电陶瓷片：压电陶瓷片的工作是，当电压作用于压电陶瓷时，就会随电压和频率的变化产生机械变形。另一方面，当振动压电陶瓷时，则会产生高低不同的电平。利用这一原理，当给由两片压电陶瓷或一片压电陶瓷和振膜构成的振动器，所谓叫双压电晶片元件，施加一个电信号时，就会因弯曲振动发射出一定频率的声波。相反，当向双压电晶片元件施加声波声振动时，就会产生一个电信号。我们所用的压电陶瓷片就是基于这种原理,通过选频电路后，压电陶瓷片能很好地15.6kHz的有用声音信号提取出来，交给单片机进行数据处理。充分比较了两个方案后，我们最终选择了方案二。1.2.5 电机选择：方案一：采用步进电机：步进电机可以准确

8、定位，精确控制角度和距离。一般步进电机的精度为步进角的35%,且不积累。但其输出力矩低，速度慢，体积大，重量大，由于该设计的基本要求中响应速度为5cms以上，步进电机速度慢难以达到要求速度，且价格较高。方案二：采用直流减速电机：直流减速电机运转平稳，精度有一定的保证。直流电机控制的精度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。利用NEC公司提供的MMC-I配合1298使用，可以实现直流电机的正反转控制，且速度控制可达256挡，因而成为我们的最终选择。考虑到我们的发挥部分，我们选用了转速为133rmin的超小型直流减速电机。故本系统最终电机选择了方案二。126电机驱动模块:按照题目要求

9、，我们采用NEC公司的电机控制ASSP专用芯片MMC-I和1298o由NEC公司提供的MMC-I芯片配合1298使用，可以非常方便地实现直流电机的正反转控制以及其速度控制256挡，同时具有过电检测和两通道，三通道同步功能,可以有效地保护系统电路。1.2.7 无线传输模块：方案一：无线发射、接收分别采用通用的遥控编码、解码ICPT2262/PT2272,缺点是焊接电路复杂，实际实验时发现干扰严重。方案二：采用无线收发一体的射频芯片A7105。A7105是一低成本且适用于2.4GISM频段的无线收发一体的射频芯片，内含高灵敏度的接收器。其使用FSK/GFSK调制，具有低接收电流，低发射电流，低睡眠

10、电流以及极高的灵敏度等特点，且价格低廉，基于以上分析，我们最终选择了方案二。1.2.8 显示模块：在本设计中，我们需要显示可移动声源开始运行时的坐标，距离Ox线的距离，响应的平均速度等等，采用1CD液晶显示，优点是显示的信息非常丰富，用1CD可以很好地完成此任务，故最终显示模块采用的方案是用1CD显示。1.2.9 声光提示模块：凌阳SPCEO61A61单片机自带语音模块，且具有语音处理函数库供用户调用，功能强大，应用方便，在加上一个发光二极管的电路，简单易行。所以我们选择此方法来实现声光提示功能。1.3实现方法可移动光源采用自制小车承载，小车采用MMC-I+1298驱动直流减速电机实现行进，可

11、移动声源检测系统利用无线发射发出信号，可移动声源上的无线接收接收到信号使可移动声源进入运行状态，控制发声设备开始发声，同时检测系统进入检测状态，分别检测声音信号到达声音接收器A,B,C的时间，由检测系统运算出光源的位置，产生一个可移动光源离OX线的误差信号，再次通过无线发射模块发送至可移动光源的MCU,引导其通过误差信号进行一系列的方向判断、校正、速度控制等，当光源到达OX后进行微调，微调结束后进行声光提示，同时控制显示模块显示响应时间，平均速度等参数。我们确定的最终方案为：1可移动光源载体：采用自制三角形车体结构2 .控制模块：采用凌阳公司的SPCE061A单片机3 .电源模块：采用锂电池结

12、合三端稳压器件7805及3.3V稳压器件AMS1117供电。4 .电机模块：采用直流减速电机，由MMC-I结合1298驱动5 .声源检测：采用基于15.6kHz的声波检测。6 .显示模块：采用1CDI2864显示其位置、垂直行程，各项时间及平均速度7 .无线模块：采用无线单片收发芯片A71058 .声光提示模块：凌阳自带语音模块+发光二极管2 .理论分析与计算2.1 可移动声源导航原理：可移动声源系统在进入响应状态的同时启动音频18kHz（实际使用15.6kHz）的音频发声，可移动声源系统定位的原理如图2所示：Sc图2可移动声源系统定位原理图如图2中所示，响应开始时，检测系统通过无线发射，给可

13、移动声源一个启动信号，可移动声源系统进入响应时，控制音频发声模块发声，可移动声源进行移动。由图示，假设接收器B先接收到声音信号。接收器B接收到信号时，计时函数开始计时，当接收器A在B之后接收到信号，此时计时函数停止计时。计时函数得到一个时间差，检测系统MCU判断时间差是否等于0,若等于0说明可移动声源已到达OX线，同时声源停止前进。若不等于0.则重复上面的过程。23时间差，系统误差判定、计算及调节控制方法：判定：系统中，我们采用判定时间差来判断可移动声源的运动状态。在可移动声源未达到OX线的过程中，检测系统测得的时间差大于零。若某次循环中所测量到的时间差在误差允许的范围内，则判定可移动声源已到

14、达OX线。计算：空气中声波传播速度与温度的关系式：V=331*J（1+r2737s其中，T是摄氏温度，V为在TC时的声波传播速度。设常温下T为253则此时声波为V=331*Ja+25/273）（加S）=345.82m/s当声波发送的最大距离为时（即D到A的距离），传播的时间是V2w345.82ms=40.89ms,1cm的误差所引起的时间误差ICm345.82ms=28.92us,此时若可移动声源的速度为10cms,产生的误差是2.89mm,故只要软件调试好，同时控制好可移动声源的行驶速度，既可以很好地控制好误差。控制：实际测试时，调试好小车行驶速度，通过调占空比等按要求调试好后车轮转速比,同

15、时写好无线数据传输的通信协议，调整音频发声功率以及声音接收器的接收精度，做到以上各部分，就可以很好地符合题目的要求。3 .电路与程序设计3.1 驱动电路设计电机驱动模块：一片NEC电机控制芯片MMC-I加一块1298N可控制两个直流电机，我们通过对MMCJ的控制，来达到可移动声源中电机的控制。为了防止电机模块对前级的干扰，我们加了光电耦合级。电路图见附录图1无线模块：A7105的供电由AMS1I17提供，其电路见附录图2o音频发声模块：本系统用到的声音发射器为18kHz（实际使用效果更好的15.6Hz）的亚超声（属于小于20KHZ的人耳可分辨的频率范围）。18kHz的发生频率由单片机产生，经过

16、音频放大后加载在压电陶瓷片两端。同时为了增大分辨率，减小误差，利用推挽输入，可以加大发射功率，原理图见附录图3。声音接收器模块：声音接收器也利用压电陶瓷片，其电路经过放大，选频后，最终得到有用信号，其电路原理图见附录图4。声光提示模块：电路原理图见附录图5o控制器模块：采用凌阳61十六位单片机，电路原理图见附录图6.显示模块：1CD12864用于显示响应时间，响应速度等。3.2 软件设计与工作流程图因为本系统中要求无线数据传输，音频发声，声音检测，中断精确计时，电机精确控制,所以对于程序的安排结构要求严格。在此，我们采用模块化设计方法，将整个程序分为以下几个模块：.主程序；电机驱动子程序；无线数据传输子程序；1CD显示子程序；音频发声子程序，外部中断精确计时子程序等。程序流程图见附录图7。4