基于AT89S52的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計

關(guān)鍵詞： ASSP芯片 , AT89S52 , 測試 , 聲音

1 引言

2009年全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽的B題是“聲音導(dǎo)引系統(tǒng)”；題目要求設(shè)計并制作一聲音導(dǎo)引系統(tǒng)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)有一個可移動聲源S，三個聲音接收器A，B，C，聲音接收器之間可以有線連接。聲音接收器能利用可移動聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個可移動聲源離指定位置的誤差信號，并用無線方式將此誤差信號傳輸至可移動聲源，引導(dǎo)其運(yùn)動。

2 系統(tǒng)的具體設(shè)計與實(shí)現(xiàn)

2．1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成如圖1所示，在系統(tǒng)設(shè)計中采用兩塊單片機(jī)(AT89S52)分別作為可移動的聲源的檢測和控制核心。通過單片機(jī)(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當(dāng)前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給MCU2。MCU2根據(jù)當(dāng)前的位置控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，當(dāng)停止下來時給出相應(yīng)的聲光提示。

2．2 具體算法實(shí)現(xiàn)

2．2．1 設(shè)計與計算

該設(shè)計主要是根據(jù)接收器接收到聲源信號的時間間隔來確定當(dāng)前小車的位置S，如圖2所示。設(shè)S點(diǎn)到C點(diǎn)的距離為a。S點(diǎn)到A點(diǎn)的距離為b；S點(diǎn)到B點(diǎn)的距離為c。設(shè)S點(diǎn)的坐標(biāo)設(shè)為l，h)，假設(shè)由單片機(jī)測得接收器A、接收器B和接收器C接收到信號的時間間隔計算出b與a的距離差為c1；b與c的距離差為c2。由圖2中關(guān)系可得到如下方程：

則可根據(jù)測量的距離差△d=|c2-c1|求得相應(yīng)的小車的位置(l，h)。

2．2．2 誤差信號產(chǎn)生

該設(shè)計的誤差信號產(chǎn)生主要有三個方面：

檢波誤差 由聲源信號產(chǎn)生的半波損失，其誤差的大小與聲源信號發(fā)射的頻率有關(guān)。當(dāng)頻率越小時，△d=|c2-c1|則越小。如頻率為5 kHz的聲源信號，其周期為O．2 ms，則半波損失導(dǎo)致△d=0．1 ms×340 m／s=3．4 cm，所以頻率越大，半波損失越小。

單片機(jī)的測量時間產(chǎn)生的誤差 單片機(jī)晶振為24 MHz，內(nèi)部時鐘經(jīng)12分頻后，時鐘周期為O．5μs，測量時間誤差為±0．5μs，則會產(chǎn)生一定的誤差信號。

計算誤差 在計算聲源位置的過程中，數(shù)據(jù)有一定的取舍，則會產(chǎn)生一定的誤差。

2．2．3 控制理論簡單算法

該設(shè)計的控制理論簡單算法主要考慮三種方案：

方案一：根據(jù)計算出的△d=|c2-c1|的值來確定小車是否移動，當(dāng)移動到△d=O時，控制小車停止。

方案二：根據(jù)測得△d=|c2-c1|的具體值控制字PWM，PWM=K△d，其中k為比例調(diào)節(jié)，△d越大，K越大，從而控制小車的速度。

方案三：PID控制算法

在連續(xù)運(yùn)動控制系統(tǒng)中，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量?？刂葡到y(tǒng)中以驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)速采樣信息為反饋量，采用增量式數(shù)字PID控制算法，通過輸出PWM信號對電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。計算公式為：

式中：△un為第n次輸出增量；en為第n次偏差；en-1為第n-1次偏差；en-2為第n-2次偏差。增量式PID控制系統(tǒng)中的KP，KI，KD參數(shù)，一般經(jīng)反復(fù)測試、分析，最終確定理想數(shù)值?？紤]到算法的簡單可行和實(shí)際應(yīng)用，采用方案一最簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)小車速度的控制。

3 單元硬件電路設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)組成框圖，系統(tǒng)只要由以下幾部分電路組成．對各電路的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)，分別有以下不同的設(shè)計方案。

3．1 可移動聲源調(diào)制電路設(shè)計

可移動聲源產(chǎn)生的信號為周期性音頻脈沖信號。利用RC振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的周期性音頻脈沖信號，經(jīng)功率放大再由揚(yáng)聲器向外發(fā)送，該方案產(chǎn)生的音頻信號高次諧波信號較大，經(jīng)過電路的改進(jìn)使高次諧波大大減小，可以滿足設(shè)計要求。電路圖如圖3所示。

3．2 接收器電路設(shè)計

接收器電路主要用于接收可移動聲源發(fā)出的音頻脈沖信號，然后傳送給單片機(jī)(MCUl)，由單片機(jī)1(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當(dāng)前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給單片機(jī)2(MCU2)。所以能不能很好地接收到音頻信號是整過設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計考慮接收器的信號采集傳感器采用MIC，將采集信號放大、濾波、整形，產(chǎn)生方波信號，傳送給單片機(jī)，由于MIC靈敏度較高，受外界噪聲干擾較大，中間加高通濾波電路，可實(shí)現(xiàn)對聲源信號的接收。電路圖如圖4所示。