單片機(jī)實(shí)現(xiàn)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)方案
1 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
1.1 系統(tǒng)組成
系統(tǒng)組成如圖1所示，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用兩塊單片機(jī)(AT89S52)分別作為可移動(dòng)的聲源的檢測(cè)和控制核心。通過(guò)單片機(jī)(MCUl)對(duì)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間做處理，檢測(cè)出當(dāng)前小車(chē)的位置，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(lái)時(shí)給出相應(yīng)的聲光提示。
1.2 具體算法實(shí)現(xiàn)
1.2.1 設(shè)計(jì)與計(jì)算
該設(shè)計(jì)主要是根據(jù)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間間隔來(lái)確定當(dāng)前小車(chē)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(cè)得接收器A、接收器B和接收器C接收到信號(hào)的時(shí)間間隔計(jì)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(cè)量的距離差△d=|c2-c1|求得相應(yīng)的小車(chē)的位置(l，h)。
1.2.2 誤差信號(hào)產(chǎn)生
該設(shè)計(jì)的誤差信號(hào)產(chǎn)生主要有三個(gè)方面：
檢波誤差 由聲源信號(hào)產(chǎn)生的半波損失，其誤差的大小與聲源信號(hào)發(fā)射的頻率有關(guān)。當(dāng)頻率越小時(shí)，△d=|c2-c1|則越小。如頻率為5 kHz的聲源信號(hào)，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(cè)量時(shí)間產(chǎn)生的誤差 單片機(jī)晶振為24 MHz，內(nèi)部時(shí)鐘經(jīng)12分頻后，時(shí)鐘周期為O.5μs，測(cè)量時(shí)間誤差為±0.5μs，則會(huì)產(chǎn)生一定的誤差信號(hào)。
計(jì)算誤差 在計(jì)算聲源位置的過(guò)程中，數(shù)據(jù)有一定的取舍，則會(huì)產(chǎn)生一定的誤差。
1.2.3 控制理論簡(jiǎn)單算法
該設(shè)計(jì)的控制理論簡(jiǎn)單算法主要考慮三種方案：
方案一：根據(jù)計(jì)算出的△d=|c2-c1|的值來(lái)確定小車(chē)是否移動(dòng)，當(dāng)移動(dòng)到△d=O時(shí)，控制小車(chē)停止。
方案二：根據(jù)測(cè)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(chē)的速度。
方案三：PID控制算法
在連續(xù)運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)中，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過(guò)線(xiàn)性組合構(gòu)成控制量。控制系統(tǒng)中以驅(qū)動(dòng)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(guò)輸出PWM信號(hào)對(duì)電機(jī)實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。計(jì)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(cè)試、分析，最終確定理想數(shù)值。考慮到算法的簡(jiǎn)單可行和實(shí)際應(yīng)用，采用方案一最簡(jiǎn)單，且能夠?qū)崿F(xiàn)小車(chē)速度的控制。
2 單元硬件電路設(shè)計(jì)
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(duì)各電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，分別有以下不同的設(shè)計(jì)方案。
2.1 可移動(dòng)聲源調(diào)制電路設(shè)計(jì)
可移動(dòng)聲源產(chǎn)生的信號(hào)為周期性音頻脈沖信號(hào)。利用RC振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的周期性音頻脈沖信號(hào)，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(hào)高次諧波信號(hào)較大，經(jīng)過(guò)電路的改進(jìn)使高次諧波大大減小，可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。電路圖如圖3所示。
2.2 接收器電路設(shè)計(jì)
接收器電路主要用于接收可移動(dòng)聲源發(fā)出的音頻脈沖信號(hào)，然后傳送給單片機(jī)(MCUl)，由單片機(jī)1(MCUl)對(duì)接收器接收到聲源信號(hào)的時(shí)間做處理，檢測(cè)出當(dāng)前小車(chē)的位置，然后通過(guò)無(wú)線(xiàn)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(hào)是整過(guò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。設(shè)計(jì)考慮接收器的信號(hào)采集傳感器采用 MIC，將采集信號(hào)放大、濾波、整形，產(chǎn)生方波信號(hào)，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(duì)聲源信號(hào)的接收。電路圖如圖4所示。
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