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声音引导系统毕业论文
声音导引系统
摘要:
该声音引导系统采用高性能、低功耗的AVR系列8位ATmega8单片机和ATmega16组成核心控制单元,可成功实现误差信号产生、可移动声源的定位及移动,并附有声光提示、LCD显示、语音播报等功能。
位于接收器上的声音接收模块接收声波,通过时差计算确定路径后通过无线模块将数据传至声源,利用电机控制芯片ASSP(型号MMC-1)实现可移动声源的运动。
该系统性能稳定,电源模块、主控模块等的设计使系统整体具有功耗低、性价比高的特点。
关键词:
声音引导系统;无线通信;性价比;声音接收
Abstract:
Thesound-guidedsystemisdesignedtohave8-bitATmega8andATmega16single-chipsasthecorecontrolunitswhicharehigh-poweredandhavelowpowerconsumption.Thissystemhastheabilityoferrorsignalgenerating、positioningandmovementofmobileSource,apartfromacoustic–opticalalert、LCDdisplayandTextToSpeech..Sonicwavesarereceivedbythesoundreceiver,aftercomputingdelta-T,thedatawillbetransmittedtosoundsourcebythewirelessmodule,andthepathcanbedecidednow.TheMobileSourcecanmoveunderthecontrolofElectricalMachineControlASSPchip(MMC-1chip).Thissystemhassteadyperformanceoverlife,itisalsocost-effectiveandhaslowpowerconsumption,owingtothedesignationofpowersupplymoduleandmaincontrolmodule.
KeyWords:
sound-guidedsystem、wirelesscommunications、cost-effective、soundreceiving
一方案设计与论证
1.1车体的选择
通常的运动方法有轮式和履带驱动式两种,其选择依赖于路面状况、机械复杂性和控制复杂性。
方案一:
采用普通三轮车或者四轮车
优点为体积小,摩擦力小,在相同牵引力下速度快,但不易控制,由于车体承载能力不强,在承受一定负重后会明显影响车速并且转向不稳。
方案二:
采用履带式结构
特点:
两个电机分别驱动两条履带。
优点是可以在原地转动,可负重较大时不会明显影响车的性能;在不平的路面上性能稳定,摩擦力很大,牵引力大。
缺点为只有在加大功率情况下才能保证车速不会太慢、能量损耗大,机械结构复杂。
在实际应用中,车体运动的范围小(不大于2m),且需要车行进缓慢以便定位。
三轮或普通的四轮车通常摩擦力小于履带车,综合考虑选择方案二。
1.2电源选择方案
方案一:
采用开关电源
开关电源是通过调节开关的导通时间来调节电压有效值,通过滤波电路来输出平稳的电压。
开关电源的输出功率大,效率高,都在65%以上,可以达到93%,功率体积有3-6。
方案二:
采用线性稳压电源
线性稳压电源一般小巧灵活,成本低,在小功率时输出稳定。
它的体积小,功率体积只有0.5-2。
但线性稳压的输出功率较低,电流或压差较大时一般低于35%。
考虑到电源的功率和整体的性价比,选择方案一。
1.3主控制器芯片的选择
方案一:
采用FPGA为系统的控制器,FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,模块大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减少了体积,提高了稳定性,并易于进行功能控制,适合作为大规模实时系统的控制核心。
由于其集成度高,使其成本高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二:
51系列单片机。
特点为价格低廉,技术成熟,应用广泛。
但相对于AVR等系列单片机,功耗较高,片内中断/flash等资源不足,运算速度较慢。
方案三:
AVR系列单片机。
其主要特点为高性能、低功耗,资源丰富,并且支持高级语言编程,在运行速度,内存容量,内部功能模块集成化等诸多方面比51系列优越,。
正常模式下(1MHz,3v),功耗为仅为1.1mA,掉电模式下甚至不足1uA,功耗远低于51系列单片机。
综合题目,考虑到功耗、性价比和运算能力,选用方案三,为进一步提高性价比,选择用ATmega16和ATmega8协同工作。
二理论分析与计算
将可移动声源放置于ox右侧任意点S,当声源发声时,A、B、C三点会根据S点的位置按一定先后顺序收到声音信号,设A接收器和B接收器接收的时间差为
,A和C之间接收的时间差为
设S的初始坐标为(x,y),则方程为:
带入OA,OB,OC得:
Matlab编程解得:
y=-1/2*(-b-a/(4*a^2-4+4*b^2)*(-4*a*b-4*a^2*b^2+4*a^3*b+4*a^2-4+4*b^2-4*(b^6
+4*b^4*a^2-2*a^3*b^3-2*a*b^5+a^4*b^2+2*b^2-3*a^2*b^2+2*a*b^3-3*b^4-a^4
*b^4-b^6*a^2+2*a^3*b^5)^(1/2))+a+a^2*b-b^2*a)/b
x=1/2/(4*a^2-4+4*b^2)*(-4*a*b-4*a^2*b^2+4*a^3*b+4*a^2-4+4*b^2-4*(b^6+4*b^
4*a^2-2*a^3*b^3-2*a*b^5+a^4*b^2+2*b^2-3*a^2*b^2+2*a*b^3-3*b^4-a^4*b^4-b^6*a^2+2*a^3*b^5)^(1/2))
三硬件电路设计及实现
该声音引导系统可分为核心控制模块、电源管理模块、电机驱动模块、LCD显示、键盘输入模块、语音播放模块、无线通信模块、声音接收模块、声波整形放大滤波模块等构成。
系统框图如图2所示。
3.1主控模块
考虑到系统整体的性价比和功耗,采用低功耗单片机ATmega8和ATmega16协同工作。
由于大部分的计算过程是在接收器的主控芯片上进行,而移动声源上主控芯片不参与定位运算,因此在移动声源上使用ATmega8,在接收器上使用ATmega16,尽最大可能提高性价比。
3.2电机驱动模块
采用电机控制ASSP芯片MMC-1控制直流电机,输出PWM波,传输到L298,驱动直流电机运动。
L298驱动电路如3。
图3L298驱动原理图
3.3声波整形放大滤波模块
采用LM358实现声波的放大。
LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。
该声音放大模块采用单向MIC。
具体电路图如图4。
3.4无线通信模块
系统中采用NRF2401无线通信模块来实现主控模块与键盘输入、液晶显示模块之间的无线通信。
将移动声源的坐标等数据传至主控模块,同时也将键盘输入的命令传至主控模块。
NRF2401模块与Atmeaga16和Atmeaga8之间为SPI总线连接。
图4声波放大整形原理图
四软件系统设计及实现
通过控制键盘输入来实现系统的不同功能,若选择不同的操作,则进行相应的指令。
首先声源发出音频信号,三个器根据所接收到信号的时差求出声源的信号,避免了两个系统间的同步时差,消除了系统的静态误差。
通过无线传输给声源,声源收到数据后沿x轴行驶至ox直线。
主程序流程图和误差信号记算流程图如图5、6所示。
五系统特点及创新功能
1、开关电源的使用。
相对于线性电源,开关电源的输出功率大,效率高,效率在65%以上,可以达到93%。
2、ATmega16和ATmega8的协同工作。
AVR系列单片机具有低功耗、高性能、高性价比的优点。
正常模式下(1Mhhz,3v),功耗仅为1.1mA,本系统在选择芯片时将资源相对较少的ATmega8用作移动声源部分的主控芯片,进一步提高了性价比。
3、语音播放功能的运用使系统更加人性化。
六测试结果分析与总结
测试仪器:
示波器,频率计,秒表,卷尺,数字万用表,我们也采用了蓝天工作室制作的示波器,具体材料驱动是在可以下载到。
测试数据如表1。
x为声源的实际横坐标,△x为测量值于实际值的误差值,m为声源运动后停止点的横坐标,如表一所示。
测试结果分析:
由于测试所得到的x坐标精确,y坐标精度不够,误差在1cm内,由于行至ox线的原理是使声源沿x轴行进,因此此部分在误差范围内实现。
次数
x
△x
t
m
1
60
0.6
1
50.3
2
70
0.9
2.3
51
3
80
1.0
3.5
50.6
4
90
3.0
5.9
51.4
表1测试数据
误差分析:
由于使用直流电机,而且是根据电机转动时间来确定所走路程,小车速度因电量和承载不同,因而产生一定误差。
总结:
我们在整个设计制作过程中,始终关注系统的性能指标和运行的稳定性,本着稳定性和精确性并重的原则,我们采取了诸多的有效措施,完成了设计题目所规定的要求,但在精度上还需改进。
参考文献
[1]谭永宏,张辉.智能寻迹小车的研究与设计[J].微计算机信息,2008(3-2):
310-312.
[2]韩东波,曹兵,葛良全等.基于SPCE061A的语音控制智能小车设计[J].计算机测量与控制,2007.15(9):
1183-1185.
附录一:
元件清单
元件
个数
ATmega16
1
ATmega8
1
L298
1
扬声器
2
NEC芯片
1
音频解码模块
1
12864液晶显示屏
1
74LS04
1
LED数码管
若干
电阻、电容、电感等
若干
附录二:
部分程序
//主函数部分
#include
#include
#include"electromotor.h"
#include"NRF2401.h"
#include
#include"delay.c"
volatileunsignedintLEFT,RIGHT;
unsignedcharSTOP;
voidInterrupt_Init(void)
{
MCUCR|=(0x01<<2)|(0x01<<0);
GICR|=(0x01<<7)|(0x01<<6);
}
voidmain(void)
{
unsignedchartemp;
unsignedinti;
unsignedinttime;
doublex,y;
RIGHT=0;
LEFT=0;
cli();
UART_Init();
Init_NRF2401();
x=85;
x=x-50;
x=x*10;
time=x*9;
Elec_On();
Run_Left(1,170);//250180164
Run_Right(1,172);//230190165
for(i=1;i
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