單片機實現(xiàn)聲音導(dǎo)引系統(tǒng)方案
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1.1 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(AT89S52)分別作為可移動的聲源的檢測和控制核心。通過單片機(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給MCU2。MCU2根據(jù)當前的位置控制電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，當停止下來時給出相應(yīng)的聲光提示。
1.2 具體算法實現(xiàn)
1.2.1 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前小車的位置S，如圖2所示。設(shè)S點到C點的距離為a。S點到A點的距離為b;S點到B點的距離為c。設(shè)S點的坐標設(shè)為l，h)，假設(shè)由單片機測得接收器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)。
1.2.2 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。
單片機的測量時間產(chǎn)生的誤差 單片機晶振為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。
1.2.3 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信號對電機實現(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。
2 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)計與實現(xiàn)，分別有以下不同的設(shè)計方案。
2.1 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。
2.2 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(MCUl)，由單片機1(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給單片機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，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，可實現(xiàn)對聲源信號的接收。電路圖如圖4所示。
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