嵌入式系统与单片机综合实验.pptVIP

嵌入式系统与单片机 北京科技大学电子信息系 综合实验 声音定位实验 超声波测距实验 电子密码锁实验 一、声音定位实验 1 基于TDOA声源定位的理论基础 现有的声源定位技术基本上可以分为3类，首先是基于最大输出功率的可控波束形成技术；其次是高分辨率谱估计技术；最后是基于声达时间差（TDOA）的定位技术。 TDOA方法一般分两个步骤进行：第一步，先进行时延估计（Time Delay Estimation TDE）并从中获得传感器阵列中相应阵元对之间的TDOA；第二步，利用TDOA进行定位估计。 基于TDOA 的定位方法的计算量小，有利于实时处理。这类方法可以适用于非平稳宽带信源，在只有单个信源时能较好地工作，定位的精度与TDOA 的估计精度有关。目前，在语音的声源定位中有许多采用这类方法。 声源位于水平面上的方向角为α ,与声音接收器中心的距离为r，到达左右声音接收器的距离分别为SL 和SR。若声源位于系统的右侧，则SL SR，声音首先到达右边接收器，从而在到达双接收器的时间先后上形成时间差TD。它与声源的方位角α有对应关系。当α 0°时, TD 0；当α ±90°时, TD 达到最大值。且满足公式： SR SL TD （SL-SR）/V 从而得到时间差和角度的关系。 2 声源信号的接收及处理 2.1自然声源信号特点 自然声源信号为模拟信号，为典型的连续信号，不仅在时间上是连续的，而且在幅度上也是连续的。而且自然声源往往有许多频率不同的信号组成，并存在音头效应。这些因素对确定接受声音信号起点，及确定引起中断的条件造成了一定的困难。因此对自然声源信号的恰当处理成为系统准确性的重要因素。 2.2信号的接收及处理 ?使用麦克进行信号接收 ?使用调整模块改善不同麦克对信号接收造成的幅度差异 调整模块由0.1uF电容和50K可调电阻组成，可调电阻可调节已接收信号的幅度，减少两路接收信号幅度的差异，提高系统两路信号起点确定的一致性，从而使得系统定位准确性增强。 ?使用放大模块增强系统的灵敏性 放大模块对使用LM386音频功率放大器对已接收信号进行放大，从而降低对声源幅值的要求，实现对小幅值声源的识别。 ?使用单稳态触发器对信号进行脉冲整形。 系统可使用555单脉冲触发器，将一次信号输入的波形转化为固定幅度固定时间宽度的脉冲信号，从而对每一路而言都可实现一次输入信号的波形只存在一个上升沿，可只引发一次中断。 3 转向的控制原理 以声源距左边较近为例。声源信号发出，首先左边的麦克接收到信号，触发单片机中断，使单片机中的TIME1开始计数，并设置标志位，标记为左路信号先到。一段时间后右路也接受到信号，也触发单片机中断，终止计数。 根据公式计算出时间差和声源方向角的关系，由TIME1中的数值和标志位确定其对应的方向角，并依据方向角控制发给舵机信号高电平时间，从而控制舵机转向。 4、舵机控制 舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。 5系统的组成及框图 6 硬件系统 （1）放大电路 （2）单稳态触发器 （3）电源模块 （4）晶振 （5）单片机 7 程序软件 说明： 实际制作时，考虑到单片机计算能力有限的问题，由时间差控制舵机转角的一系列计算省略，而用现场调试的方式得到数据表。 二、超声波测距实验 1 简介 超声测距是一种非接触式的检测方式。与其它方法相比，如电磁的或光学的方法，它不受光线、被测对象颜色等影响。对于被测物处于黑暗、有灰尘、烟雾、电磁干扰、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、机械手控制、车辆自动导航、物体识别等方面有广泛应用。特别是应用于空气测距，由于空气中波速较慢，其回波信号中包含的沿传播方向上的结构信息很容易检测出来，具有很高的分辨力，因而其准确度也较其它方法为高；而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。 超声波传感器的工作原理是陶瓷的压电效应。超声波传感器在测量过程中，声波信号由传感器发出，经液体或固体物体表面反射后折回由另一传感器接收，可以测量声波的整个运行时间，从而实现物位的测量。测距仪系统所用传感器是ZR40-16、ZT40-16, 超声波传感器采用声波反射原理，从而避免传感器直接与介质接触，实现非接触测量物位，这一点对固体散料、粘稠介质，固体、液体混合介质的物位测量非常重要。其最佳工作频率40KH