声音导引实验系统
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摘要:本声音引导系统采用两处相互独立的32位MCU作为主控系统,通过NRF2401无线收发模块在两者之间建立联系。声源发声后,接受部分利用麦克进行声音采集,采集到的声音信号经过放大和过压比较后由接收处的单片机进行处理。计算出发声装置与声音接收器之间的距离后,通过无线收发系统将结果发送回声源处,由声源处MCU接收后,控制作为声源载体的瑞萨模型车移动到计算位置并校准。该系统能较为准确的完成设计要求,是一个较为理想的方案。
关键词:声音导引 可移动声源 音频放大 ASP芯片MMC-1
1 方案的论证与比较
1.1 发声装置的选择
方案一:将蜂鸣器作为发声装置产生声音信号。蜂鸣器具有体积小,工作电压小等特点。发声频率在1.5～2.5KHz的范围内,音量较小。
方案二:将扬声器作为发声装置产生声音信号。扬声器具有发声频率和音量大范围可调,低频发声效果较好等特点。但工作电压和体积相对较大。
经过反复实验比较,若周围声音环境良好,扬声器在发声频率750Hz左右时,声音接收系统在各个距离都具有最好的接收效果,且单片机在该情况下对数据采集的精度最高。因此选择扬声器作为声音发生装置。
1.2 声音信号处理电路的选择
方案一:利用LM324将声音信号进行多级放大后直接输出。该方式可在距离较远时获得较大的接收信号,但获取的信号波形杂乱且不够稳定。
方案二:利用LM324将声音信号进行两级放大并进行过压比较后输出。该方式可将接收信号整形为较为标准的方波。
由于扬声器在输出的声音正弦波在传输,接收和放大过程中产生大量的噪声信号,其中很多噪声超过MCU可识别信号的高电平值,影响MCU对有用声音信号的识别。方案二能对这些噪声信号起到有效的抑制作用。因此在这里选用方案二。
1.3 主控芯片的选择
方案一:选用ARM7芯片――LPC2136作为主控芯片。LPC2136 是Phlips公司生产的32 位ARM7 TDMI2S微处理器,自带6路PWM输出。但是由于系统中的指定的ASSP芯片MMC-1已经具备的该功能,且LPC2136价格较高,因此在这里选用LPC2136比较浪费。
方案二:选用STC89C51单片机作为主控芯片。STC89C51是51单片机系列的8位MCU。嵌入4KB高速Flash存储器,有32位I/O口,既可以方便控制MMC-1芯片工作,又可以快速处理收发信号。因此在此处选用方案二是比较合适的。
1.4 误差信号的产生与测量方法的比较与选择
方案一:通过分别测距以产生误差信号。当音源处于起始位置时,三个接受系统轮流启动,每次只启动一个。音源分别给每个接收器发送声音信号,从而分别确定三个接收器与音源间的距离,通过计算音源与Ox轴的相对位置产生误差信号。
方案二:通过测出各接收器的距离差以产生误差信号。当音源处于起始位置时,三个接收器同时启动并接收音源发出的声音信号。接收到的信号被单片机采集后,计算出音源与三个接收器之间的距离差,并返回误差信号。
经过实际实验比较,方案二相对节省时间,准确性高,容易实现,是一个较为理想的方案
2 系统设计
2.1 总体设计
声音信号从声源发出后,分别被三个声音接收装置同时接收。经单片机进行处理,比较出距离差后,通过NRF2401无线收发模块将比较结果发回给音源处的MCU。音源处的单片机在接收到信号后,根据距离情况对电机发出一组或几组PWM信号,使负载音源的瑞萨模型车直接移到计算位置。到达后系统会再次发出声音信号并重复上述过程,对位置进行微调。由于瑞萨模型车是由舵机控制转向,方向一旦调整确定就不会存在偏移,因此调整过程基本可以保证在整个过程中,LCD显示器12864会对相应步骤进行显示。
2.2 各单元电路设计
(1)声音信号接收放大电路
声音信号被接收后,通过LM324的两级放大,形成有大量杂波的峰峰值约为2V左右的正弦波。该信号再通过2V的过压比较器,杂波被滤掉,形成5V的方波信号。该信号相对较为稳定,有清晰平整的上升沿和下降沿,可作为单片机的输入信号。此时若将不同位置处接收的两处该信号波形在示波器上进行双踪显示,可以清晰的观察到,二者的相位差随着它们之间距离的变化出现明显的改变。即表明该信号可用于计算距离。
(2)无线收发电路
无线收发电路采用NRF2401模块进行收发信号。为了保证电路收发信号的能量供给,特别在电源转换芯片AM1117处的输入,输出电压与地之间各加接了一个较大的电容以蓄积能量。在传输数据时,采用半双工传输方式,每次传送20个字节。
(3)电机,舵机控制电路
该部分控制电路采用NEC的MMC-1提供PWM驱动瑞萨模型车的两个直流电机和一个舵机。PWM的发送频率由距Ox轴的远近决定。
(4)LCD显示电路
该部分控制电路将LCD显示器12864在5V的工作电压下采用串行总线方式驱动,与声音接受端单片机相连。在系统工作时,显示器会即时显示工作进度。
3 软件设计
3.1 软件设计层次
本设计采用C语言编程,其软件部分的实现可分为高、中、低三层。其中高层实现对采集的声音信号进行处理分析;中层控制无线收发信号及MMC-1产生PWM;低层实现对LCD显示的控制。
3.2 软件整体框架图
4 系统测试与结果分析
4.1 测试方法与仪器
测试仪器:秒表;米尺;
测试方法:根据要求将可移动音源放置在Ox轴右侧任意位置,测量移动前后音源与Ox轴的距离,并记录时间,算出速度。
音源移动前与Ox轴的距离(cm) 音源移动后与Ox轴的距离(cm) 所用时间(s)
4.2 结果分析:
经验证,基于瑞萨模型车的声源移动基本上可以达到设计要求的速度与精度,同时用示波器观察接收部分输出波形时也可观察到稳定的方波。使用单片机串口调试助手观察时,输出数值也可以较准确的反映出声源的位置。达到设计要求。
4.3 误差分析:
实验时房间中存在一些阻挡物导致音频传播的信号有所反射,因此会造成部分误差,从而导致音源移动的延迟和不准。再加上房间中会存在少量影响音频信号的噪音,而且测量仪器本身也存在误差,种种因素导致实验最终误差的产生。
5 结语
系统在实验条件下较为理想的达到了产品要求的指标,可在Ox轴右侧任意位置,在响应时间内到达Ox轴,平均速度大于10cm/s。所处位置的定位误差小于3cm。到达后有明显的声光指示,符合设计基本要求。
参考文献
[1] 康华光,陈大钦.《电子技术基础――模拟部分》第四版.北京:高等教育出版社.1998.
[2] 王君,凌振宝.《传感器原理及检测技术》.吉林:吉林大学出版社.2003.
[3] 谢维成,杨加国,董秀成.《单片机原理与应用及C51程序设计》.北京:清华大学出版社.2007.
注:本实验系统为2009年全国电子设计大赛参赛作品,获吉林省赛区一等奖。
作者简介:
王雪思(1988年7月生),女,吉林大学电子科学与工程学院,电子信息科学与技术专业本科生.
宋占伟(1962年9月生),男,博士,教授,主要从事数字信号处理及嵌入式系统研究,课题组指导教师。
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