声音引导系统报告.docx
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声音引导系统报告
声音引导系统
作者:
马兴鹏李世兴蔡一栋指导老师:
王金矿巩文科
摘要:
为了满足声音导引系统的设计要求,进行了各单元电路方案的比较论证及确定,系统以AT89S51单片机作为移动声源的控制核心,通过超声波探头和CD40690BE作为声源,发出40kHz的超声波,ULTRASONICV2.0模块为声音接收器,因为是以高频特定的超声波为信号,所以能准确地接收到信号,避免很多环境的干扰;选用24L01无线模块来控制两个控制器的通信;对于小车驱动部分,采用步进电机和L298N,能精确的控制小车的运动,达到题目的要求;系统显示采用12684M-1液晶来显示,清晰显示,性能优良;最后实验表明,系统完全达到设计要求.
一.系统方案
1.整体方案比较
根据题目的要求,系统主要可分为运动控制部分、声音信号检测部分和无线数据传送部分。
具体可划分为声音发送与采集模块、无线收发模块、电机驱动模块、电源模块、显示和电机模块.如下图A-1-1所示:
方案一:
声音从小车传到不同接收器的时间不同,针对不同接收时间进行定时计数,得出定时器的值,可以算出小车距离不同接收器的位置,进而对小车位置行进精确控制,但因为环境有太多干扰信号,对声音检测干扰很大,定时器的值也不会很精确,所以不能达到理想状态。
方案二:
根据超声波传输时间差来对小车定位,超声波从声源传到不同接收器的时间不同,单片机测量两个声音接收模块收到超声波的时间差,可以判断小车所处的位置,进而对小车位置行进控制,使用40kHz的超声波来作为信号,周围环境一般没有这么高频特定的信号,就能较好的检测信号,没有干扰.
结论:
有以上种种分析,我们选择方案二
2.控制方案
1)系统各模块组成
系统组成如图A-1-1所示。
2)系统核心算法流程
系统核心算法流程如下图所以。
(判断语句,向下表Y,向边表N)
(主机流程图)
(控制台流程图)
(从机流程图)
二.设计与论证
1各模块设计,计算
1).电源模块
本题中,小车作为移动声源的载体,其本身的动作要求难度不高,因此有对电源的要求不高,所以我们在选择电源的时候,在满足要求的时候下选择节能环保的电源模块。
方案一:
电池组供电,可提供5V电压,但是会造成电压不稳、有毛刺等干扰,对单片机系统造成严重的干扰,缺点十分明显。
方案二:
蓄电池供电,电流大,电压稳定。
由于电源为9V锂电池,再采用7805稳压芯片提供5V工作电压。
结论:
基于以上分析拟订方案二。
2).电机模块
方案一:
采用步进电机,步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力,能够达到我们所要求的标准。
如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即是步进电机启动或反转。
其转换灵敏度比较高。
正转、反转控制灵活。
方案二:
采用直流减速电机。
直流减速电机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,而且制动能力好,调整范围广;过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无极快速启动、制动和反转,但不能满足精确控制的要求。
结论:
基于以上分析拟订方案一。
3).电机驱动模块
用L298N(用于输入标准TTL逻辑电平、输出电压、电流要求比较高的驱动电路,诸如继电器、电磁阀、DC或步进电动机等设备中)作为双桥驱动器件。
每次绕组受到激励,电动机轴就旋转一圈的几分之一。
为使其正确的旋转,绕组必须按正确的顺序受到激励。
若励磁信号正向传送,则步进电机正转;励磁信号反向传送,则步进电机反转。
由脉冲信号控制电动机,故调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速,符合我们的要求。
4). 显示模块
使用液晶屏,液晶屏具有显示质量高,数字式接口,体积小,质量轻,功耗功率小的特点,可以显示各种相关数据文字信息。
。
5).声音发送与采集模块
声音发送模块:
在小车上安装超声波探头和CD40690BE作为声源,用设定好定时器2,在P1^0口发出40kHz的方波,在使用CD40690BE和超声波探头,发出40kHz的超声波。
声音采集模块:
使用现成模块ULTRASONICV2.0模块为声音接收器.
6).无线通信模块
由于题目要求生源与接收器之间不能进行有线的连接,考虑到数据传输的稳定性,决定采用无线模块实现无线通信。
经过查找资料反复对比决定使用nrf24l01模块来实现无线通信。
NRF24L01具有增强型ShockBurstTM模式、自动应答及自动重发功能、地址及CRC检验功能、数据传输率1或2Mbps、125个可选工作频道、很短的频道切换时间可用于跳频、工作电压1.9~3.6V、可接受5V电平的输入。
该模块使用简单,且工作相当稳定。
2.误差信号的产生与控制理论简单计算
由于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线的误差信号,本设计在声源发生的同时发出无线信号,因为无线信号的速度是光速,相对声速,几乎可以忽略,小车接收到无线信号,定时器开始计时,求出收到超声波与收到无线信号的时间差,比较两个接收器的时间,间接得出是否有误差信号产生,控制小车运动。
设t为误差信号,DB即小车与接收器B的时间,DA为小车与接收器A的时间,t=DA-DB;
三.系统调试
1.使用的仪器和设备
序号
名称
型号
数量
1
万用表
FLUKE
2
2
双路直流稳压电源
DF1731SB
2
3
示波器
DS5022M
1
4
米尺
100cm
1
2.测试的方法
使用米尺在地面上划出一米见方的正方形,将A,B,C3个接受投放在正方形的3个顶点上,如图可小车对着正方形的以A接收器作为原点,AB作为x轴,AC作为y轴,D放置声源,ox为中线,W为中点
W为中点对于不同位置进行测试得到下表
.
.
基本要求:
序号
小车的x坐标(cm)
小车y坐标(cm)
最大超过ox(cm)
平均速度(cm/s)
1
80
80
0.88
9.26
2
70
70
1.24
10.11
3
70
90
0.98
8.45
4
60
100
1.60
8.68
发挥要求:
序号
小车的x坐标(cm)
小车的y坐标(cm)
最大超W点(cm)
平均速度(cm/s)
1
80
80
3.26
10.36
2
70
70
2.23
10.11
3
70
90
1.56
9.53
4
60
100
2.60
9.01
3.测试结果分析
对基础部分的要求速度大于5cm/s,定位误差小于3cm且过OX的最大距离小于5cm,由实验结果可知完全达到要求也可将移动声源转向180度,但速度和精确度不够理想,其他要求基本都能达到,不过基于超声波的硬件问题,测试的过程会有一些盲区。
四.总结
经过一段时间的努力,终于完成了声音导引系统,使用的声音信号是高频的超声波。
一开始我们在声音检测部分采取的是检测蜂鸣器的声音,使用LM567芯片有很好的选频作用,电路几乎没有干扰。
但到软件测试时才发现原来LM567芯片存在延时,且延时不是固定的。
最后迫于无奈选择了超声波。
这令我们明白,每个项目在开始时电路方案的选择很重要,一个项目能否在规定时间内完成,很大程度上取决于方案的选择。
通过这个项目,我们更深刻地体会到团队合作的重要性。
三个人之间的配合程度也直接影响到我们能否高质量地完成项目。
附录各模块的电路图
1.电源模块
系统要用到5伏、9伏(电机驱动电压)和3伏(NRF24L01模块的电压)的电压,电路图如下:
图1.产生5V电压电路图1.产生9V电压电路
图3.产生3伏电压的电路
Vout=1.25*(1+R2/R1)+IadjR2,Iadj<100uA
所以通过调R2的大小可以调输出电压的大小。
2.电机驱动模块
图4.L297+L298
3.超声波模块
图5.超声波发射电路
图6.超声波接收电路
.
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