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声音引导系统论文

目录

摘要：

2

1设计任务与要求3

1.1设计任务:

3

1.1.1基本要求3

1.1.2发挥部分3

1.2题目评析3

2方案比较与论证3

2.1发声装置的选择3

2.2声音采集器件的选择4

2.3声音放大电路的选择4

2.4控制器模块5

2.5电机模块6

2.6电机驱动模块6

2.7声光报警模块7

2.8车体的选择7

2.9无线传输模块8

2.10显示模块8

2.11系统各模块的最终方案8

3系统硬件设计方案8

3.1系统的总体及单元电路设计方案（设计思想、设计步骤）8

3.2单元电路的功能以及工作原理的分析（单元具体电路图）。

9

3.5电路原理图（可列入附录）。

13

4系统软件设计13

6设计总结15

7参考文献15

摘要：

该声音引导系统是以AT89S52单片机为控制中心，车载可移动声源以及固定声音接受设备。

车载移动声源发出一定频率的声音，并可根据声音接收端接受声音并处理后发出的反馈信号处理后自动对运行姿态作出调整使之同时逐渐接近ox线。

同时接收端通过另一片AT89S52单片机连接接收设备的声音接受器，麦克风接收信号后将其处理再通过无线发射模块与移动声源进行通信。

其中我们选用电动小车作为移动生源的平台，以蜂鸣器作为声源。

通过AT89S52与电机控制ASSP芯片MMC-1之间进行SPI通信进而控制电机驱动L298n来制动小车并对小车的运动状态进行调节。

接受部分通过咪头、及芯片AN1358、LM324n及其外围电路组成声音的接收端，并以AT89S52作为生源接收部分的控制芯片。

同时该系统还分别利用发射与接受部分的单片机操控无线模块进行两个分系统之间的通信。

关键字：

AT89S52、MMC-1芯片、SPI通信、电动小车、蜂鸣器、咪头、AN1358、LM324n、L298n。

1设计任务与要求

1.1设计任务:

1.1.1基本要求

（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2所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。

（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，用下列公式计算出响应的平均速度，要求平均速度大于5cm/s。

（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。

1.1.2发挥部分

（1）移动声源速度。

（2）停止后的位置与Ox线之间的距离为定位误差。

（3）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。

1.2题目评析

该声音引导系统需要以声音信号来引导小车运动，故在该系统中声音的接收就是必不可少的，同时又由于音频信号在空气中衰减迅速以及接收器件的灵敏度的限制所以音频信号的接收也是一个很大的难点。

同时在该系统中无线信息的收发、AT89S52单片机与ASSP之间的通信以及可移动声源与ox线之间的误差信号的测量也是该系统制作过程中的重点和难点。

该声音引导系统在现实的生活中可用作智能的救险搜寻装置，可以根据声音判断并找到生还者的大体位置对抢险救援节约时间提高精度增加生还率有很大帮助。

2方案比较与论证

2.1发声装置的选择

方案一：

采用普通喇叭发声，可以发出较大的声音，但需电流较大普通电池难以满足要求，且发声频率难以控制，使发出的声音信号易衰减难以被接收到。

方案二：

采用蜂鸣器发声，控制简单，所驱动电流小，可以方便的控制其发声频率声音信号容易被接受到。

经过比较我们选择了方案二。

2.2声音采集器件的选择

方案一：

采用KTV中使用的话筒接收，比较常见控制简单，但其灵敏度不高，对供电的要求也较高，而且也比较大而笨重。

方案二：

采用咪头，同样比较常见控制简单，但与普通麦克风相比来说其灵敏度要高，同时对电源要求也低。

通过比较我们选择了方案二。

2.3声音放大电路的选择

方案一：

使用lm386芯片作为声音采集电路核心来采集声音信号。

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器,主要应用于低电压消费类产品。

为使外围元件最少,电压增益内置为20。

但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容,便可将电压增益调为任意值,直至200。

输入端以地位参考,同时输出端被自动偏置到电源电压的一半,在6V电源电压下,它的静态功耗仅为24mW,使得LM386特别适用于电池供电的场合。

LM386的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

其特性为静态功耗低,约为4mA,可用于电池供电。

工作电压范围宽,4-12Vor5-18V。

外围元件少。

电压增益可调,20-200。

低失真度。

但该电路可以接收到声音信号但其接收范围只有10cm左右故不能完成声音采集要求。

方案二：

使用lm358芯片作为接收电路的核心，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，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。

特性（Features）:

·内部频率补偿

·直流电压增益高（约100dB）

·单位增益频带宽（约1MHz）

·电源电压范围宽：

单电源（3—30V）；双电源（±1.5一±15V）

·低功耗电流，适合于电池供电

·低输入偏流

·低输入失调电压和失调电流

·共模输入电压范围宽，包括接地

·差模输入电压范围宽，等于电源电压范围

·输出电压摆幅大（0至Vcc-1.5V）

它接收声音范围仍然不满足要求也只有10cm左右故同样不能完成声音采集的要求。

方案三：

使用lm358、LM324进行两级放大。

LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。

与单电源应用场合的标准运算放大器相比，它们有一些显著优点。

该四放大器可以工作在低到3。

0伏或者高到32伏的电源下，静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。

共模输入范围包括负电源，因而消除了在许多应用场合中采用外部偏置元件的必要性。

每一组运算放大器可用图1所示的符号来表示，它有5个引出脚，其中“+”、“-”为两个信号输入端，“V+”、“V-”为正、负电源端，“Vo”为输出端。

两个信号输入端中，Vi-（-）为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反；Vi+（+）为同相输入端，表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。

　　LM324的特点：

　　1.短跑保护输出

　　2.真差动输入级

　　3.可单电源工作：

3V-32V

　　4.低偏置电流：

最大100nA

　　5.每封装含四个运算放大器。

　　6.具有内部补偿的功能。

　　7.共模范围扩展到负电源

　　8.行业标准的引脚排列

9.输入端具有静电保护功能

它可成功的的捕捉1m范围内蜂鸣器发出的5kHZ的声音信号。

并在电路的输出端产生明显的电位变化

故综上我们选择了方案三。

2.4控制器模块

方案1：

采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案2：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。

如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。

从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：

采用Atmel公司的8051单片机作为主控制器。

AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。

使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完

全兼容。

在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。

AT89S52具有以下标准功能：

8k字节Flash，256字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。

另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。

空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。

掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。

2.5电机模块

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。

由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：

采用步进电机作为该系统的驱动电机。

由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。

虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。

经综合比较考虑，我们放弃了此方案。

方案2：

采用直流电机作为系统的驱动电机。

直流电机运转平稳，精度有一定得保证。

直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。

能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。

2.6电机驱动模块

方案1：

使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大，对于小车的长时间运行不利。

方案2：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案3：

采用NEC公司的机电控制ASSP芯片MMC-1驱动L298N，通过L298N控制电机的转动MMC-1为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，基于NEC电子16位通用MCU（PD78F1203）固化专用程序实现。

通过UART或SPI串行接口，为主控MCU扩展专用电机控制功能，可同时控制三路步进电机或直流电机。

主要功能特点如下：

三通道步进电机或直流电机控制，电机类型可以自由配置

主控MCU通过UART或者SPI串型接口控制

步进电机可以通过速度或步进增量给定模式运行

步进电机的正反转功能

到位中断信号输出（步进增量给定模式）

步进电机1/2，1/4，1/8细分功能

直流电机的正反转控制

直流电机的速度控制256档

过电流检测功能

两通道、三通道同步功能

睡眠模式

在驱动L298N时，当睡眠引脚接高电平时，驱动L29