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1、 毕 业 设 计声音导引系统系 别： 自动化工程 专 业： 自动化 班 级： 50606 姓 名： 曹静 指导教师： 顾德英教授 2021 年 6 月 9 日声音导引系统摘 要本文阐述了基于STC89C52单片机为控制核心的声音导引系统，给出了系统软硬件设计的关键技术。系统由声源小车和控制站两局部组成：声源小车由直流电机、喇叭、无线接收器、霍尔传感器等组成，用来发出特定频率的声音，并通过霍尔传感器获取当前速度，根据无线通信接收到的来自控制站的命令和当前速度信息用PID方式对直流电机速度进行闭环控制，从而控制小车的运动方向和速度；控制站由信号调理电路、CPLD、无线发送器等组成，采用三个相同的电
2、子麦克采集声源信号，用信号调制电路把信号放大滤波后，将声音信号转换成方波输入到CPLD中，CPLD那么根据三点到达的脉冲顺序计算出各点的时间差提供应主控单片机。单片机通过数据计算，捕获声源位置，并根据控制算法，通过无线通信来实现小车运动状态的控制，最终引导小车到达指定位置。关键词：单片机， CPLD， 声源检测， 无线通讯 Sound Guidance System Author: Cao Jing Tutor: Gu DeyingAbstractThe paper describes a MCU-based control center STC89C52 the voice guidance
3、 system, given the key technology hardware and software design. System consists of a sound source car and control station: the DC motor, speakers, wireless receiver, Hall sensors etc, composed of the sound source car and it used to send a specific frequency sound. Through the Hall sensor to get the
4、current peed, then according to commands from the control station in the way of wireless communication and the current speed control the DC motor speed with PID manner through the way of closed-loop, in order to control the moving direction and speed of car; Control station are made up of the signal
5、 processing circuit, CPLD, wireless transmitter devices etc., using three same e-Mike to acquire the source signals, with signal modulation circuit to filter and amplify the signal. Then import the square-wave to the CPLD. According to the order of arrival of the pulse, CPLD import the calculated ti
6、me difference to the MCU. Through the data calculation, MCU capture the sound source location and according to the control algorithm, through wireless communication to realize the control of the state of car movement, which ultimately leads to car designated spot.Key Words: Microcontroller, CPLD, So
7、und source detecting, Wireless communication 目 录1 绪论11.1研究背景和研究意义11.2所要解决的主要问题21.3主要研究内容22 系统方案分析62.1系统分析62.2系统方案制定与选择7定位方案7计时方案83 硬件系统设计103.1总体结构103.2 主要模块选择与设计11移动声源载体11单片机最小系统12电源模块13声音发生模块14声音采样模块15信号处理模块17电机驱动模块19调速模块19测速模块21无线通信模块223.3 主要模块的调试23电源模块的调试23声源发生模块的调试23声源采样模块的调试24电机驱动L298以及PWM输出模块的
8、调试24无线通信模块的调试264 控制算法与软件编程294.1控制算法29小车行驶速度控制算法30小车移位控制算法324.2软件设计34直流电机控制程序设计36无线通信程序设计385 系统测试415.1系统调试实现的功能415.2系统调试结果41结 论42致 谢43参考文献44附 录46附录A46附录B691 绪论1.1研究背景和研究意义随着电子技术在计算机、通信、控制以及人工智能领域的迅速开展，各种电子产品逐渐融入了人们的日常生活当中。冲动人心的是大规模集成电路的开展，使得芯片功能不断飞跃，满足了各个方面的工程开发需求。以体积小功能强的微控制器为核心控制器，可以随意地扩展外围功能部件，实现不
9、同的工程任务要求。单片机，也就是微控制器，它的应用正在不断地走向深入，同时带动传统控制检测日新月异地更新。在实时检测和自动控制的单片机应用系统中，单片机往往是作为一个核心部件来使用，根据具体硬件结构以及具体应用对象的特点，与软件相结合，加以完善。智能小车，也就是轮式机器人，作为最常用的运输载体，得到了迅速的开展。在许多不便于人进行的探测任务中，智能小车能代替人执行任务，发挥它重要的作用。它们能比人类工作得更出色，并且本钱更低廉。在智能小车的应用中，精确的位置知识是一个根本问题。有关位置的测量，可分为两大类：相对和绝对位置测量。使用的方法可分为7种：里程计、惯性导航、磁罗盘、主动灯塔、全球定位系
10、统，路标导航和地图模型匹配。其中前两种属于相对位置测量，也称为航迹推算。在导航与定位方面，两个重要的开展方向值得注意：一个是关于如何构造高完整性的导航系统；另一个是关于主动环境问题，也称之为智能小车与环境的交互或融合问题，小车通过与环境中存在的主动装置相当于人类社会中的其他人，通过自己的询问和他人的帮助，进行导航和定位的交互，完成导航和定位任务。新出现的基于声音导引技术，就是基于这一原理。声音导引，在现实生活中有着重要意义。例如，在救援抢险中，可以利用声音传感器接受某一特定幅度或者频率的声音，通过对声音源的分析处理来获知其地理位置，配合 GPS 卫星定位技术来搜救目标源。该技术在视频会议、语音
11、识别和说话人识别、目标定位和助听装置等领域也有重要的应用。本文不仅仅止于研究声音导引技术，而是给出整个系统的设计方案和控制方法，希望能给读者以启发。1.2所要解决的主要问题1声音导引系统需要准确的获取指定声音，排除干扰噪声。同时配合其他技术如无线传输技术、电机控制技术和控制算法滤波算法、统计原理等，以实现复杂系统的有效控制。2为了准确地控制声源行驶到指定地点，需要高精度地测出各探测点捕获得的声音的时间差，以准确计算出声源位置，为控制提供精准的反响信息。3需要优良的控制算法控制声源小车上电机的转速，以控制小车行驶速度和行驶方向，使小车稳定运行到达指定位置，不出现较大偏差。1.3主要研究内容为了更
12、好的描述声音引导系统的实现过程及构造结构和实际价值，我们特采用了09年全国大学生电子设计竞赛控制类的B题所提出的任务作为具体研究工程。设计任务如下：设计并制作一个声音导引系统，示意图如图1.1所示。图1.1 系统示意图图中，AB与AC垂直，Ox是AB的中垂线，Oy是AC的中垂线，W是Ox和Oy的交点。声音导引系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离Ox线或Oy线的误差信号，并用无线方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。可移动声源运动的起始点必须在Ox线右侧，位置可以任意指定。本系
13、统的根本要求如下：1制作可移动的声源。可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号，如图1.2所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。t图1.2 信号波形示意图2可移动声源发出声音后开始运动，到达Ox线并停止，这段运动时间为响应时间，测量响应时间，用以下公式计算出响应的平均速度，要求平均速度大于 5cm/s。可移动声源的起始位置到Ox线的垂直距离响应时间平均速度3可移动声源停止后的位置与Ox线之间的距离为定位误差，定位误差小于3cm。4可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧的距离小于5cm。5可移动声源到达Ox线后，必须有明显的光和声指示。6功耗低，性价比高。本系统的扩展要求如下：1将可移动声
14、源转向180度可手动调整发声器件方向，能够重复根本要求。2平均速度大于10cm/s。3定位误差小于1cm。4可移动声源在运动过程中任意时刻超过Ox线左侧距离小于2cm。5在完成根本要求局部移动到Ox线上后，可移动声源在原地停止5s10s，然后利用接收器A和C，使可移动声源运动到W点，到达W点以后，必须有明显的光和声指示并停止，此时声源距离W的直线距离小于1cm。整个运动过程的平均速度大于10cm/s。可移动声源在Ox线上重新启动位置到移动停止点的直线距离再次运动时间平均速度对于此系统的设计，我们采用了自顶向下的开发方法，将复杂的大问题分解为相对简单的小问题，找出每个问题的关键、重点所在，然后用精确的思维定性、定量地去描述问题。我们先把系统“分解为几局部，再把整个系统细分成多个功能模块，分别进行研究开发。经过分析论证，制定出各个模块的可行方案，选定开发用的器件开始制作调试。通过查阅器件手册，制作与调试各个功能模块。各功能模块测试成功后，开始
