声音导引系统论文.docx

《声音导引系统论文.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《声音导引系统论文.docx（15页珍藏版）》请在第一文库网上搜索。

1、2009全国大学生电子设计竞赛设计报告题目：声音导引系统二OO九年九月六日1 系统方案11.1 系统整体方案11.2 移动声源控制方案21.3 系统控制器方案21.4 无线收发方案321.5 音频收发定位方案31.6 移动声源选择方案31.6.1 车体选择31.6.2 电机控制方案选择31.6.3 电源选择方案432 设计与论证装2.1 音频信号的发射和接收设计专2.2 PID算法设计652.3 无线发送设计763 系统软件设计873.1 移动声源端软件设计873.2 音频接收处理端软件设计974 系统测试IOM5 总结IOK参考文献108附录119声音导引系统摘要：本设计是基于1M3S113

2、8为主控制器的声音导引系统。设计采用两片EasyARM1138单片机作为核心器件，辅以移动声源、音频收发定位、无线收发模块、液晶显示、键盘控制、电源等单元模块，以实现对可移动声源的运动控制。移动声源产生音频信号，音频接收模块接收音频信号后，对所接收的音频信号进行处理，并通过另外一片EaSyARMI138单片机得到移动声源的坐标。应用无线收发模块将处理后的坐标数据发送到移动声源上的EasyARM1138控制器。EasyARM1138控制器通过PID算法控制改变移动声源的前进速度以及转角方向，从而控制移动声源的行进。移动声源将整个行程的平均速度和移动位移通过显示模块显示出来。关键词：移动声源，声音

3、定位，无线射频通信，PID算法Abstract:Thisdesignisbasedonthe1M3S1138contro11er-basedvoiceguidancesystem.DesignusesEasyARM1138microcontro11erasthecoredevice,supp1ementedbymovingsoundsource(App1iedMotorContro1ASSPchip(Mode1MMC-1)-con1ro11edcar),audiotransceiverpositioning,wire1esstransceiver,1CD,keyboardcontro1,pow

4、erandotherunitstoachievepairsofmovab1esoundsourcemotioncontro1.Movingsoundsourceaudiosigna1occurs,audiotransceiverpositioningunitreceivestheaudiosigna1,processingandgetthecoordinatesofmovingsoundsource.App1icationofwire1esstransceivermodu1eswi11beprocessedthedatasenttothemobi1esoundsourcecontro11ers

5、ide,movingthesoundsourcecontro11erPIDa1gorithmforcontro1oftheroadmovingsoundsource,andtheaveragespeedthroughoutthetripandmobi1edisp1acementthroughthedisp1ayunitdisp1ay.Inaddition,thesystemcandetectthespecificenvironmentoftemperature,humidityand1ightintensity,sothatthewho1esystemmu1ti-functiona1ity.B

6、asedonsystemstabi1ity,inte11igence,thesystemcanworkinwithoutanyworkingenvironment.Keywords:1M3S1138ASSPchip(Mode1MMC-1)AudioPIDa1gorithmforsendingandreceiving1ocation1系统方案1.1 系统整体方案本系统采用电动小车作为移动的声源，以单片机作为声音导引系统的检测和控制核心。通过控制小车上的两个直流电机的转速来控制移动声源的行进速度和转角方向，单片机采集到声源的位置数据，通过无线射频方式传送给声源单片机，根据反馈的信息对直流电机的转速

7、和转向进行PID反馈调节。使移动声源能够快速准确地到达目标处。系统方案整体框图如图1所示。图1系统整体框图1.2 移动声源控制方案方案一：应用开环控制方法。将移动声源的行进与转向单独进行操作。通过无反馈调节，实现行进与转向。但是移动声源在行进的过程中的进行速度和方向并不能实现自动控制，只是通过移动声源在初始位置对坐标的检测进行测得距离或角度控制运动,并且此方案不能在移动声源运动过程中对其速度和方向进行调整。方案二：采取双闭环控制算法。移动声源实时检测其自身位置坐标，坐标计算出其角度和运动速度，通过角度PID控制器控制移动声源的方向，同时通过位移P1D控制器控制移动声源的速度。闭环控制算法可以使

8、移动声源在整个坐标平面内的任意一点（任何放置方向），以最快的速度到达目标点。而且在小车运动的过程中，对小车的方位进行实时的调整。实现了移动声源的自动控制。1.3 系统控制器方案方案一：采用通俗的51单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手快。但是本系统程序量比较大，需要的10口比较多，若为了预存信息，必须外加具有掉电储存功能的EEPROM,增加了系统的复杂程度，而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。内存空间小，端口资源和功能相对不够丰富，难以满足我们的设计要求。同时，51单片机的运算速度不能满足本设计中大运算、高速响应的设计要求。方案二：采用32位的1M3

9、S1138作为声音导引系统的核心控制器。1M3S1138具有32位的RSIC性能，可以工作在50MHz的频率下，64K单周期F1ash,多路中断，并设有内部优先级。4组8个通用计时器可以实现定时计数和PWM输出。两个同步串行端口（SSI）s三个完全可编程的串口（UART）、ADC,模拟比较器、I2C、以及多个GPIO。同时这款单片机的功耗比较低。综合上述两个方案，我们选择方案二。利用1M3S1138更能高要求的完成题目要求。同时也大大降低了外围电路的复杂程度，整个系统的性价比也提高了。1.4 无线收发方案采用SRWF-1108通用透明无线射频传输模块，能适应任何标准或非标准的用户协议。抗干扰能

10、力强，传输距离远，手持、视距可达250Om（1200bps,AT-I天线）。低功耗，发射电流450600mA,接收电流3238mA,休眠电流8uA（使用232或485接口方式时睡眠电流2mA）。其长距离的无线通讯可以大大增加移动声源的运动范围，同时串口发送接收数据稳定性好，数据不易丢失，加强了系统运行可靠性。由于移动声源模块的电源为移动电源，电量存储限制，所以利用次无线射频模块可以增加系统的运行时间。1.5 音频收发定位方案利用全方位发声的喇叭，产生人耳能够听到的音频信号，同时通过改变音频的频率可以提高信噪比，很大程度减小环境噪音对设备的影响。用麦克对发生的音频信号进行接收，通过放大滤波处理可

11、以得到方波信号。便于根据得到的音频信号，产生较为精确的位置坐标。1.6 移动声源选择方案1.6.1 车体选择选用双轮驱动的履带小车作为声源的载体，可以通过控制两个电机的电压，控制小车自由的运动，并且可以原地旋转，使软件和硬件大大简化。1.6.2 电机控制方案选择采用于NEC公司的电机控制芯片MMC-IoMMC-I为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，具有UART或SP1串行接口，可方便单片机的控制。具有过电流检测功能和睡眠模式。基于控制两路电机和低功耗的要求，最终我们选择电机控制芯片MMC-Io1.6.3 电源选择方案本系统要求6V和5V两种电压供电，故选用7.2V大功率隔镇电池组作电

12、源，经由三端稳压器1M7805及1M7806稳压后输出标准5V和6V电压。电池组经稳压后分别为电机和单片机供电，实现了控制电路电源和电动机电源隔离,避免了由单电源供电时电机起停产生的大电流对单片机和其它模块的影响。2设计与论证2.1音频信号的发射和接收设计利用单片机产生周期性的固定频率脉冲信号，经过1M386功率放大，通过高音喇叭发射出去,产生声波信号。在较远距离采用麦克对音频信号进行接收，经过放大滤波，通过一路比较器产生高电平送给单片机的外部中断，单片机对外部中断产生的时间进行捕获，记录外部中断产生时间。三个中断的产生时间3t2,匕得到后，对他们做差得到t2,t31通过计算得到小车的当前坐标

13、(XJ)O图2坐标计算图由图可知：12-1i=vf113-12=vr21y-11=vr3上式中，v=340ms,为声音的速度。通过点(0,0),(0,100),(100,0),(x,y)可以得到1,12,13关于(x,y)的等式，由此可以得到A3t2,t3o求时间差是因为移动声源的发送时间，在音频接收器上是无法得知的。因此也就不能测得声波在1112,13的时间的具体值，所以就不能得到(x,y)的值。但是采用求时间差技术就可以得到(x,y)的具体值。音频信号发射波形如图3所示。-1*1-图3音频信号发射波形(1)根据实验测得发生音频频率位IOkHzo比较低的音频频率容易与外界噪音区分开来，受外界

14、影响较大。过高的音频频率发送时。当经过整流滤波的时候容易丢失信号，这样麦克得不到音频信息，从而导致无法得距离差。(2)有实际距离与声速的计算(如下)，得到脉冲产生的周期为25ms时候，比较理想的周期。当在坐标(100.100)时，1=141cmsV=340msT=IV=4.15mso因此周期对于5mso由于小车的速度大于V1=IOCms,定位误差11不大于ICm,所以必须在行走Icm之内得到新的信号以便校正移动声源运动。T1=11V1=100mso当周期大于IOOmS时，定位误差会大于Icmo2.2 P1D算法设计图4控制系统框图设起始位置(XoJ)，当前位置(,y),目标位置(Xdjd)，则

15、距离误差为：=(-)2+(yrf-)2设当前运动的方向与水平方向夹角。，当前位置和目标位置的夹角则=arctg本设计采用的PID控制算法:+arctg/、M-Xkxk-本设计采用采用增量式PID控制算法，辅以限幅和积分算法增量式PID控制算法:w()=Ae(k)-Be(JC-1)+Ce(k-2)KkKKKK其中A=Ke+K,K/+-,B=K,+2-,。=-7WIICC/UTUTT积分分离算法：K=,0,e(k)EmaxK1others在系统误差大于某一值的时候，为防止积分饱和，对积分环节进行积分分离。限幅算法:uk)=u(k-1)+Au(k)u(k)=u,(k),u,k)u“max，othersmax对于控制系统的输出量进行限幅，防止输出量过大对电机转速产生影响。控制系统参数说明变量含义说明KC比例系数K1积分系数KD微分系数采样周期50msEmaX积分误差限对于距离控制可以设置为IOCmmax最大控制量由电机允许最大电压决定另外如果波动较大，可以考虑对(2)进行