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2009电子电设b题声音引导系统设计报告
声音引导系统设计论文
摘 要
本作品(声音引导系统)采用飞思卡尔单片机MC9XS128作为核心处理芯片,使用NE555产生特定频率的音频信号,LM386对接收的音频信号进行放大处理,用音调译码芯片LM567对放大的音频信号进行鉴频处理,提取出所需的音频信号。MC9XS128对音频信号进行综合分析和判断,再利用无线传输模块GW200KB发送控制信号引导载有声源的小车运动。通过控制电机的正反方向调速,最终到达要求的位置。
本作品设计方案正确,测试过程合理,测试数据准确。不仅完成了基本部分,同时完成了发挥部分的设计要求。整个作品功耗低,性价比高。
关键词:MC9XS128单片机 NEC电机驱动 音频信号 无线模块
一 、系统实现方框图、方案论证与比较
1.系统总体框架图
整个系统分为电源模块、单片机系统模块、音频信号产生模块、电机驱动模块、无线传输模块等。参见图1。
2.系统方案论证与选择
该系统是一个典型的控制系统。对于控制系统而言,合适的控制算法、反馈信号的精度、系统模型的精确度等对系统的稳定性及控制精度起着重要的作用。
(1)单片机的选择
单片机主要用于数据信息的运算处理、音频信号的采集、电机的控制、无线传输的控制等。传统的51单片机使用简单,价格便宜,但器运算能力较低,速度较慢,功能相对单一,难以实现较复杂的任务要求。MC9XS128单片机稳定性高,可靠性高,控制能力强,运算速度快,开发、应用简单,具有很高的性价比。
本系统选择MC9XS128单片机。
(2)控制算法的选择
在自动控制系统中,系统性能的优劣性很大程度上取决于控制的策略,即控制算法的实现。控制算法的选择很大程度上直接关系到该系统的稳定性、准确性及响应时间,可以说控制算法是影响系统优劣的关键因素。
方案一:比较音频信号的幅值。
距离声源越远,接收到的音频信号的强度越弱;距离声源越近,接收到的音频信号强度越强。通过比较音频信号幅值的强弱,来判断小车是否到达要求位置。由于声波在空气中传播时存在衰减,很难通过音频信号的幅值强度的比较判断小车的位置,并且测量的精度也不高。
方案二:通过测定距离确定小车的位置
通过测定音频信号传播的时间,由公式S=V*T计算出载有声源小车距离音频接受器的距离,再计算出小车的具体位置,从而控制小车的运动状态。因为是对声音的鉴频所以能够很好的滤除其它噪音,去除干扰。
最终选择方案二。
(3)电机驱动电路
方案一:采用MOS管构成的H桥。
采用MOS管搭建的H桥电路,可以提高效率,功耗较低,但MOS管构成的H桥实现起来比较复杂,同时管子的参数不一样,很容易发生MOS管发热甚至烧掉。
方案二:采用L298驱动模块。
L298内含4个驱动通道,输出电流可达4A,并且此芯片专门为电机驱动设计使用,工作性能稳定。通过L298控制电机的正反转,实现履带小车的速度与转向,可以达到较好的控制效果,而且其成本低,使用简单。
综上所述,本系统采用L298电机驱动芯片。
(4)电源模块
本系统采用L7812、L7805 、LM7908分别为系统的各个模块提供电压。
(5)音频信号的提取方案
方案一:采用带通滤波器
带通滤波器能较好的滤波,电路、相应的参数值也比较的成熟,但模拟电路的调试很麻烦,很难取得理想的参数值,最终滤波效果不理想。
方案二:采用LM567音调译码芯片。
LM567语音鉴频芯片有良好的鉴频能力,通过外围简单电路的连接来控制LM567的鉴频带宽和中心频率,很容易实现,而且经LM567处理输出的信号是数字信号,不需AD转换,可以直接接入单片机,提高了效率。
综上所述,所述最终的LM567音调译码芯片。
(6)音频信号放大电路
方案一:采用LM324
LM324是四运放集成电路,内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。LM386是一种音频集成功放,功耗低、电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少和谐波失真小等优点对接收到的音频信号进过LM386放大处理,放大处理后音频信号的电压可达到4.5V。
(3)LM567鉴波电路的设计
响应频率可以通过LM567的5、6脚的电阻、电容调整。一定的音频信号加到LM567的3脚,经内部电路的放大处理与选频,其8脚输出低电平,无信号输入时输出高点平。LM567输出信号经7414整形后加到xs12单片机。此电路的主要功能是鉴别出发声系统发出的音频信号,参见图4。
(4)音频信号产生电路的设计
本系统的音频信号由NE555设计的多谐振荡电路产生的,产生的音频信号频率为17.3Hz。电路频率可由公式F=(R3+R2+R4)*C6*ln2计算得出。参见图5。
三、软件程序设计流程
程序设计的总体思路是:首先初始化各部分模块,主要包括锁相环初始化,串口初始化,定时器初始化等。利用定时器捕
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