声音导航智能车系统设计毕业设计.docx
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声音导航智能车系统设计毕业设计
声音导航智能车系统设计吉林工程技术师范学院
吉林大学
吉林工程技术师范学院
毕业设计(论文)
2012年5月
声音导航智能车系统设计
Voicenavigateintelligentautobilesystemdesign
姓名:
学号:
学院:
电气工程学院
专业:
指导教师:
职称:
副教授
摘要
本文主要研究了基于单片机的声音导航定位系统的设计过程,该系统是以智能小车为运动体的声音定位测控系统。
控制器由主从结构的两片STC89C52单片机构成,主芯片同时对三个处于不同位置的声音接收模块的音频信号进行处理和时间差测量,从芯片控制小车上的声源发出音频信号,根据主芯片用无线信号传送过来的误差信号,引导小车往目的地运动,也可实现路线选择及较精确定位,使该声音导航定位小车具有智能化。
采用STC12C32S2单片机作为声音引导系统的核心,使用STC单片机作为可移动声源的控制器。
以1W小喇叭作为声源在发出10-10kHz连续可调、10mS-10S连续可调的周期性声频脉冲信号。
该声源由MMC-1型ASSP芯片驱动下的直流电机可以在赛场内任意运动。
声音由麦克风接收,并根据智能滤波和声频脉冲信号辨识算法从环境噪声中提取声频脉冲信号,由此计算出可移动声源在赛场中的位置。
采用饱和PD控制算法控制可移动声源接近中线OX和中点W,并用无线通讯模块将运动命令传送给可移动声源的位移量。
关键词:
声音导引;STC12C32S2单片机;MMC-1型ASSP芯片;智能滤波;声频脉冲信号辨识
.Abstract
UsingasinglechipSTC12C32S2asthecoreofthesoundguidancesystemandanothersinglechipxxxasthecontrollerofmovablesoundsource.DrivenbySpeaker,TakingSTCasthesoundsourcetogivea10-10kHzand10mS-10Scontinuoustunableperiodicaudiopulsesignal.TheD.CmachineisdrivenbytheASSPMMC-1chip.Andthesoundsourcecanberandommovementintheracingfield.Thesoundisreceivedbythemicrophone.Accordingtotheintelligentfilteringandaudiopulsesignalidentificationalgorithm,theaudiopulsesignalcanbecollectedfromtheenvironmentnoise.Andthenfiguringoutthelocationofthemovablesoundsourceintheracingfield.AdoptingthesaturationPDcontrolalgorithmwhichcanmovethemovablesoundsourceclosetothemidlineandthemid-point.Moreover,usingthewirelesscommunicationmoduletosendthemovementcommondstothedisplacementofthemovablesoundsource.Testingshowsthatthesystemcanachievetherequirementsofthebasicandcreativepartsinthecontest.
Keywords:
soundguidance,singlechipSTC12C32S2,ASSPMMC-1,intelligentfiltering,audiopulsesignalidentification
第1章绪论
1.1研究目的和意义
对单调工作的替代,在危险环境中的操作等都需借助于智能化的行走、运动机构。
智能小车作为最常用的行走机构在工业生产与生活工业生产、生活的自动化都离不开智能化的机器,譬如:
人们对太空的探索中得到了广泛的应用。
本文结合开发实例,阐述了基于单片机的声音导航定位系统小车的设计理念。
随着经济和科技的高速发展,时间变得越来越宝贵,在这个越发忙碌的生活里,交通问题变得让人越来越头疼,人类迫切的希望找到这样一种掌握自己的时间的工具,于是,声音导航仪便应用而生。
人们通过GPS卫星信号来确定位置来于此相匹配,为此来确定汽车在电子地图中的位置。
这就是平常说的定位功能。
人类信息的发展离不开声音和导航,所以声音智能车在工业发展是一项重要的科技与创新和发展,不断的进取和开拓最终研制新的产品。
声音导航智能车是一项智能化的武器,研究基于声音导航的智能车能很好的解决现代交通中所存在的大量问题。
1.2设计的内容与要求
基于单片机的声音导航定位系统结构简单,制作方便,小车试验结果表明能够完成对既定目标的定位,并能根据声音导航往指定的位置靠近,且对无线信号响应灵敏,但由于声音频率的局限性,目前它只能有声音干扰较小的环境下完成对特定位置的定位及导航,自主行走也仅限于给定的路线,且当声源与接收模块距离较远时误差会加大。
如若使用超声波的发射和接收来代替声音模块,就可以减少干扰和加大测试距离。
第2章总体方案设计
本章详细阐述了基于单片机的声音导航定位系统的设计过程,并给出了主要电路图。
该系统是以智能小车为运动体的声音定位测控系统。
控制器由主从结构的两片STC89C52单片机构成,主芯片时对三个处于不同位置的声音接收模块的音频信号进行处理和时间差测量,从芯片控削小车上的声源发出音频信号,根据主芯片用无线信号传送过来的误差信号,引导小车往目的地运动,也可实现路线选择及较精确定位,使该声音导航定位小车具有智能化。
2.1声波在智能导航中的应用
所谓声音导航智能车的研究,主要利用的是超声波传感技术,超声波是一种只有少数生物才能感觉到的机械波,它具有纵波、横波、表面波三种波形,超声波是一种频率为20KHz以上的声波,具有直线传播的能力,频率越高,绕射能力越弱,但反射能力越强,其指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,利用超声波技术于导航研究中,往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制,利用超声波传感技术在空气中的定向传播和固体中的反射特性,通过接受自身反射的超声波反射信号计算传播距离等,从而实现声音智能导航的这一目的。
2.2总体设计方案
整个系统由2片STC89C52单片机组成,可分为以下这几个模块:
周期性音频脉冲信号产生模块,声音接受、处理电路,无线电收发模块,NEC电机驱动及声光指示模块。
系统方框如图2-1所示:
图2-1系统架构图
对各部分功能加以说明:
1.启动MCUl、音频接收装置及无线电发送装置。
MCUl通过音频接收装置对音频信号进行实时控。
2.启动MCU2、音频发生装置,由音频发生发出一串间歇的脉冲音频信号。
3.MCU1通过音频接收装置接收音频信号,进行算法处理,将结果由无线电发送装置发送出去。
4.MCU2接收MCUl的无线电引导信号,对电机进行控置,接近目标。
当小车行驶到指定的位置时停止,并发出信号使声光指示装置响应。
2.3声音导航智能车系统原理
声音导航智能车系统,无论是软件还是硬件方面,其总体设计原理和GPS导航是一样的,只是基于成本和准确性、及时性的考虑,在开发的过程中,已接收到的声音命令为主,借助于GPS这一平台,及时准确的实现导航定位。
2.4声音导航智能车主要可实现以下几大功能
1.声音导航智能车具有速度快、智能高、定位准确的特点,可以实现智能化、数控化和互动化。
快速、职能本来就是导航系统的基本要求,只有这样才能更好的服务于使用者。
声音导航系统一改一般导航系统单纯依靠卫星定位的特点(因为有个信息传递的时间间隔,所以误差较大),即收即处理,在速度方面更上一个台阶。
2.可移动声源位置检测。
移动声源位置检测是声音导航智能车的主要特点之一。
3.声音智能车结构简单。
将声音导航系统内置到汽车结构里面,一改往常重新安装导航仪的特点,加之本系统本来结构简单,故可实现车的结构简单化。
4.音频可采用单片机的频率。
软件硬件部分大量的依靠单片机职能处理,可实现音频采用单片机频率这一技术。
5.智能以运动体的位置来进行检测。
声音导航智能车在实现考声音导航的同时,也全部接受了一般智能导航系统的功能,可实现以运动体的位置来进行检测。
第3章硬件设计
在智能化仪器仪表中,控制核心均为微处理器,而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用,是设计智能化仪器仪表的首选微控制器,单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统,它是智能化仪器仪表的基础,也是测控、监控的重要组成部分。
本次设计最小系统采用AT89S51为主要控制器。
3.1单片机最小系统设计介绍
3.1.1单片机主要特点
(1)小巧灵活、成本低、易于产品化。
能利用它方便地组装成各种智能式测控设备及各种智能仪器仪表,很容易满足仪器设备既智能又微型化的要求。
(2)可靠性高、适用的温度范围宽。
单片机芯片一般是按工业测控要求设计的,能适应各种恶劣的环境。
这一点是其他机种无法比拟的。
(3)易扩展、控制能力强。
通过单片机本身或扩展可以方便地构成各种规模地应用系统及多机和分布式计算机控制系统。
(4)指令系统相对简单,较易掌握,且指令中有较丰富的逻辑控制功能指令,能较方便地直接操作外部输入输出设备。
由于单片机具有功能强、体积小、可靠性好和价格便宜等独特优点,已成为传统工业技术改造和新产品更新换代的理想机种,具有广泛的发展前景。
单片机技术的应用,使得许多领域的技术水平和自动化程度大大提高,可以说,当今世界正面临着一场以单片机(微电脑)技术为标志的新技术革命。
3.1.2单片机主要应用和发展趋势
主要表现在以下几个方面:
1.单片机在智能仪表中的应用。
2.单片机在机电一体化中的应用。
3.单片机在实时控制中的应用。
4.单片机在分布式多机系统中的应用。
5.单片机在人类生活中的应用。
目前,单片机正朝着高性能和多品种方向发展,今后单片机的发展趋势将是进一步向着CMOS化、低功耗化、低电压化、低噪声与高可靠性、大容量化、高性能化、小容量、低价格化、外围电路内装化和串行扩展技术。
随着半导体集成工艺的不断发展,单片机的集成度将更高、体积将更小和功能将更强。
在智能化仪器仪表中,控制核心均为微处理器,而单片机以高性能、高速度、体积小、价格低廉、稳定可靠而得到广泛应用,是设计智能化仪器仪表的首选微控制器,单片机结合简单的接口电路即可构成单片机最小系统,它是智能化仪器仪表的基础,也是测控、监控的重要组成部分。
现对单片机的主要特性做一介绍:
与AT89C51兼容
4K字节可编程闪烁存储器
寿命:
1000写/擦循环
数据保留时间:
10年
全静态工作:
0Hz-24Hz
三级程序存储器锁定
128*8位内部RAM
32可编程I/O线
两个16位定时器/计数器
5个中断源
可编程串行通道
片内振荡器和时钟电路
3.1.3STC89C52介绍
STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器FPEROM-FlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压,高性能COMOS8的微处理器,俗称单片机。
该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造,与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼单片机总控制电路如下图3-1、图3-2所示:
图3-1总控制电路
图3-2电路图
STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
内部方式的时钟电路如图4—2(a)所示,在RXD和TXD引脚上外接时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
晶体振荡频率可以在1.2~12MHz之间选择,电容值在5~30pF之间选择,电容值的大小可对频率起微调的作用。
复位是单片机的初始化操作。
其主要功能是把PC初始化为0000H,使单片机从0000H单元开始执行程序。
除了进入系统的正常初始化之外,当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时,为摆脱困境,也需按复位键重新启动。
除PC之外,复位操作还对其他一些寄存器有影响,它们的复位状态如表一所示。
表3-1复位状态表
寄存器
复位状态
寄存器
复位状态
PC
0000H
TCON
00H
ACC
00H
TL0
00H
PSW
00H
TH0
00H
SP
07H
TL1
00H
DPTR
0000H
TH1
00H
P0-P3
FFH
SCON
00H
IP
XX000000B
SBUF
不定
IE
0X000000B
PCON
0XXX0000B
TMOD
00H
RST引脚是复位信号的输入端。
复位信号是高电平有效,其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。
若使用颇率为6MHz的晶振,则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。
产生复位信号的电路逻辑如图3-3所示:
图3-3复位信号的电路逻辑图
整个复位电路包括芯片内、外两部分。
外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器,再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样,然后才得到内部复位操作所需要的信号。
复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。
上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的,其电路如图3-4所示。
这佯,只要电源Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位,即接通电源就成了系统的复位初始化。
按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。
其中,按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的,其电路如图3-4所示;而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的,
其电路如图3-4所示:
图3-4电路图
上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振,能保证复位信号高电平持续时间大于2个机器周期。
本系统的复位电路采用图4—4(b)上电复位方式。
STC89C52具体介绍如下:
①主电源引脚(2根)
VCC(Pin40):
电源输入,接+5V电源;GND(Pin20):
接地线
②外接晶振引脚(2根)
XTAL1(Pin19):
片内振荡电路的输入端;XTAL2(Pin20):
片内振荡电路的输出端
③控制引脚(4根)
RST/VPP(Pin9):
复位引脚,引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位;ALE/PROG(Pin30):
地址锁存允许信号;PSEN(Pin29):
外部存储器读选通信号
EA/VPP(Pin31):
程序存储器的内外部选通,接低电平从外部程序存储器读指令,如果接高电平则从内部程序存储器读指令。
④可编程输入/输出引脚(32根)
STC89C52单片机有4组8位的可编程I/O口,分别位P0、P1、P2、P3口,每个口有8位(8根引脚),共32根。
PO口(Pin39~Pin32):
8位双向I/O口线,名称为P0.0~P0.7
P1口(Pin1~Pin8):
8位准双向I/O口线,名称为P1.0~P1.7
P2口(Pin21~Pin28):
8位准双向I/O口线,名称为P2.0~P2.7
P3口(Pin10~Pin17):
8位准双向I/O口线,名称为P3.0~P3.7
STC89C52主要功能如表二所示。
表3-2STC89C52主要功能
主要功能特性
兼容MCS51指令系统
8K可反复擦写FlashROM
32个双向I/O口
256x8bit内部RAM
3个16位可编程定时/计数器中断
时钟频率0-24MHz
2个串行中断
可编程UART串行通道
2个外部中断源
共6个中断源
2个读写中断口线
3级加密位
低功耗空闲和掉电模式
软件设置睡眠和唤醒功能
3.2各模块方案选择与论证
电动机选择及驱动方案:
方案一:
采用直流电机作为小车的动力来源。
优点在于直流电机调速方式多,力矩大;缺点是开环情况,误差较大。
方案二:
采用步进电机,其精度高,同时功耗也大根据比较,直流电机加上闭环反馈以后也能有较好的精度,同时整个系统的性价比和功耗都得到很大的提高。
源与声音传感器的选择:
方案一:
使用蜂鸣器作为声源,麦克风作为声音传感器。
蜂鸣器功耗小,使用单片机能方便的控制,同时蜂鸣器音量小,声音传感器在要滤掉外界杂声的前提下,很难做到这样的灵敏度。
方案二:
使用喇叭作为声源,麦克风作为传感器。
音量大,能在题目要求的范围内,保证音量变化不明显,其功耗较蜂鸣器而言稍显逊色。
拟选择选用方案二:
根据题目要求,为了保证后续关键环节能顺利完成,此处采用喇叭作为声源,保证声音传感器能探测到声音,让主机分析计算出小车的距离。
声音信号调理电路及辨识方案
方案一:
采用LM324放大和滤波电路对声源信号进行处理,然后使用LM393获得有效的采样信号。
方案二:
采用LM386音频运算放大器和滤波电路对声源信号进行处理,然后使用LM393获得有效的采样信号。
选择方案二:
电路结构简单明了,方便调试,较方案一而言性价比高。
声源运动控制方案
方案一:
距离偏差饱和比例控制,声源S的位移量与S和目标垂直距离成正比,不过为防止位移超调(即超过中线OX左侧5cm),设有位移饱和上限。
方案二:
预测控制+变结构控制。
由于声音引导系统中大约300mS纯滞环节后的存在会给控制位移带来较大的偏差,需要使用预测控制克服该环节。
同时在不同的偏差带,应采用不同的控制量,才会得到较好的动、静态控制性能。
采用方案二。
无线通讯模块方案
方案一:
使用NRF2401全双工无线通信模块。
优点:
该模块可以进行数据的连续传输,并且内部集成数据传输协议,可确保数据传输的正确性。
缺点:
驱动程序相对复杂,占用单片机系统时间较多,且传输距离较近。
方案二:
使用SC2262与SC2272单工无线通信模块。
优点:
驱动程序简单,占用单片机资源较少,并且传输距离远,可达100米以上。
缺点:
只能传输开关量,无法进行大量数据的传输。
拟选方案二:
根据题目分析,只需要传输开关量对可移动光源下达运动指令即可,无需大量数据的传输。
SC2262与SC2272的组合完全可以满足题目要求,并且可以节省相当的单片机系统资源,故拟选用方案二。
3.3系统的工作流程
1)启动MCUl、音频接收装置及无线电发送装置。
MCUl通过音频接收装置对音频信号进行实时监控。
2)启动MCU2、音频发生装置,由音频发生装置。
发出一串间歇的脉冲音频信号。
3)MCU1通过音频接收装置接收音频信号,进行算法处理,将结果由无线电发送装置发送出去。
4)MCU2接收MCUl的无线电引导信号,对电机进行控置,接近目标。
当小车行驶到指定的位置时停止,并发出信号使声光指示装置响应。
3.3.1声音的发射与接收
为了实现导航功能,必须进行可移动声源(智能小车)的位置检测。
当然,目前比较先进的办法就是加装摄像头,进行图像处理寻找路线,或直接用卫星定位系统。
但是这些方法投资较大、技术复杂,对于实现简单定位导航功能的系统显然并不适用。
为此,作者设计了由声音发射、接收模块构成的模拟雷达定位系统。
该定位系统结构简单、价格低廉,能实现对指定目标的定位和跟踪。
3.3.2无线电收发模块
DF接收模块的工作电压为5伏,静态电流4毫安,它为超再生接收电路,接收灵敏度为一105dbm,接收天线最好为25—30厘米的导线。
接收模块本身不带解码集成电路,它可以和各种解码电路或者单片机配合。
天线输入端有选频电路,而不依赖1/4波长天线的选频作用,控制距离较近时可以剪短甚至去掉外接天线。
输出端的波形相对比较干净,干扰信号为短暂的针状脉冲,所以抗干扰能力较强。
自身辐射极小,加上电路模块背面网状接地铜箔的屏蔽作用,可以减少自身振荡的泄漏和外界干扰信号的侵入。
无线编码DF无线收发模专块接收灵敏度高,用示波器观察输出波形干净,抗干扰能力强。
DF数据模块的最大传输速率为9.6KB/s,传输的信息码格式为:
前导码+同步码+数据帧。
前导码长度应大于10ms,同步码用来区分前导码和数据,数据帧不宜用非归零码,更不能长0和长1。
前导码格式如图3-5所示:
3
图3-5前导码
3.3.3开关调速
由于采用了单片机作为系统的中央控制处理器,可方便地实现直流减速电机的开关调速。
单片机通过对无线反馈信号的处理来控制电机正转、反转或不转,从而控制小车做各种动作:
前进、左转、右转、停止、原地转等。
即通过软件的方法来达到调速电机的功能,而无需增加其它硬件资源,从而简化了电路设计过程。
3.4声音接收调理电路
这个硬件系统分为主控板和移动声源板两部分,其中主要电路如下图所示:
图3-6电路图
使用音频放大器LM386对声音信号放大200倍,使声音信号在2.5v左右震荡。
调节比较器的阈值电压能改变声音接收装置对声音的敏感度。
根据试验,阈值电压一般设在3.0v左右较合适。
3.5电机驱动电路
电机驱动电路图如下所示:
图3-7电机驱动电路图
使用NEC公司提供的MMC-1型ASSP芯片驱动直路电机,并以自制的码盘测速。
3.6系统总程序流程框图
图3-8主控单片机和移动声源单片机主程序流程图
2.检测和控制算法
(1)声音信号辨识和声源位置测量算法
采用1KHz的脉冲声源,声源周期100mS。
声音信号占空比1:
99。
以接收到的一个声音传感器的第一个信号上沿作为定时器计时触发信号,以另一个声音传感器的第一个信号的上升沿作为计时结束信号,计时器的时间直就是声音到达2个声音传感器的时间差,即声源与两个声音传感器的距离差。
这就是声源位置测量原理。
声音屏蔽技术:
为了屏蔽外界环境噪声对声音信号辨识的影响,仅在声音发出的5mS内测量声音信号,即每100mS内仅有5mS在接收和处理声音信号,其它时间处于声音屏蔽状态,大大减少了噪声的干扰。
(2)声源位置控制算法
针对于系统中大约300mS纯滞环节,控制周期采用300mS。
采用预测控制+变结构控制。
在测出速度偏差后采用,根据当前的位置和车速预测出下一个控制周期(即300mS后),声源位置,提前给出控制量。
同时,使用高、中、低和微速4个速度档,不同的距离偏差采用不同的移动速度,即使用便结构控制方法。
第4章系统软件设计
4.1软件调试方法
软件调试所使用的方法有:
计算程序的调试方法、I/O处理程序的调试法、综合调试法。
4.1.1算法分析
根据双曲线的定义,一运动的点到达两个定点的距离差一定,可移动声源(小车)先利用A、C两点作为基点,通过两点收到音频信号的时间差为定
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