無線收發的聲音導引系統
來源：單片機與嵌入式系統應用
李小松，孫航
(太原科技大學，太原030024)
摘要： 設計以STC89C58單片機為核心的最小系統。采用L297與L298控制、驅動步進電機；音頻放大器采用CX20106芯片，信號頻率選擇、放大性能好；同時具有433 MHz無線接收發模塊等。音頻接收器接收小車發出的15 kHz音頻信號，通過采集、放大、濾波等環節傳送至接收端單片機；利用時間差作為變量，將對應的信息無線發送回小車處理器，控制小車移動到達預定位置。
Abstract：
Key words :
引言
聲音引導在工業、民用等領域有著廣闊的應用空間。本文基于主從兩塊單片機設計了聲音引導電動小車運動系統。該系統由可移動聲源（智能小車）和聲音接收控制電路等組成。其主要功能是由聲音接收控制電路接收并處理移動聲源發出的聲音信號，通過無線的方式向移動聲源控制電路發送方位、速度等信息，使移動聲源達到預期的目標。系統的移動聲源采用了步進電機驅動的小車，角度、位移控制較為精確。
1 系統硬件設計
系統硬件總體框圖如圖1所示。主控、從控單片機為宏晶科技的STC89C58。
圖1 系統硬件總體框圖
1.1 電機驅動模塊
電機驅動模塊電路如圖2所示。驅動模塊采用L298驅動芯片和L297電機控制芯片。L298驅動芯片是性能優越的小型直流電機驅動芯片，可用來驅動兩個直流電機或者是一個步進電機；在4～46 V的電壓下，可以提供2 A的驅動電流。L298還有過熱自動關斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電機驅動的需要。L297芯片為電機驅動的前級電路，主要用來產生格雷碼，避免了用單片機引腳直接控制所造成的資源浪費。
1.1 電機驅動模塊
電機驅動模塊電路如圖2所示。驅動模塊采用L298驅動芯片和L297電機控制芯片。L298驅動芯片是性能優越的小型直流電機驅動芯片，可用來驅動兩個直流電機或者是一個步進電機；在4～46 V的電壓下，可以提供2 A的驅動電流。L298還有過熱自動關斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電機驅動的需要。L297芯片為電機驅動的前級電路，主要用來產生格雷碼，避免了用單片機引腳直接控制所造成的資源浪費。
圖2 電機驅動模塊電路
本系統采用的是步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步進角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。采用步進電機作為電動車的電動機，可以通過脈沖控制實現速度與精度兼得。
1.2 聲音發生裝置
以揚聲器作為車載聲源加之多諧振蕩電路,可以向聲音接收器發送一定頻率的聲音脈沖。多諧振蕩電路的應用可節省寶貴的單片機資源。
555定時器是一種模擬電路和數字電路相結合的中規模集成器件。它性能優良，適用范圍很廣，外部接少量的阻容元件就可以很方便地組成多諧振蕩器，產生穩定的方波波形。由555定時器組成的多諧振蕩器如圖3所示。其中，R1、R2和電容C為外接元件。
本系統采用的是步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉變為角位移或線位移的開環控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步進角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變得非常簡單。采用步進電機作為電動車的電動機，可以通過脈沖控制實現速度與精度兼得。
1.2 聲音發生裝置
以揚聲器作為車載聲源加之多諧振蕩電路,可以向聲音接收器發送一定頻率的聲音脈沖。多諧振蕩電路的應用可節省寶貴的單片機資源。
555定時器是一種模擬電路和數字電路相結合的中規模集成器件。它性能優良，適用范圍很廣，外部接少量的阻容元件就可以很方便地組成多諧振蕩器，產生穩定的方波波形。由555定時器組成的多諧振蕩器如圖3所示。其中，R1、R2和電容C為外接元件。
圖3 555多諧振蕩器
多諧振蕩波形如圖4所示。
多諧振蕩波形如圖4所示。
圖4多諧振蕩波形
由圖4可知，矩形波的振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。
由圖4可知，矩形波的振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。
因此，改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。
這里，C=0.15 μF，R1=125 Ω，R2=256 Ω。代入上述公式，則有：T1=40.005 μs，T2=26.88
μs，T=T1+T2=66.885 μs，f=1/T=14.95 kHz。
1.3 聲音接收及處理模塊
采用具有帶通功能的集成芯片CX20106進行信號處理。CX20106的總放大增益約為80 dB，輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5～5 V范圍內。總增益具有可調性，雖然增益取值過大時將造成頻率響應變差，但仍能滿足系統要求。經過實驗，CX20106作為聲音信號處理芯片的抗干擾能力極強，且電路最為簡潔。其內部結構如圖5所示。
這里，C=0.15 μF，R1=125 Ω，R2=256 Ω。代入上述公式，則有：T1=40.005 μs，T2=26.88
μs，T=T1+T2=66.885 μs，f=1/T=14.95 kHz。
1.3 聲音接收及處理模塊
采用具有帶通功能的集成芯片CX20106進行信號處理。CX20106的總放大增益約為80 dB，輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5～5 V范圍內。總增益具有可調性，雖然增益取值過大時將造成頻率響應變差，但仍能滿足系統要求。經過實驗，CX20106作為聲音信號處理芯片的抗干擾能力極強，且電路最為簡潔。其內部結構如圖5所示。
圖5 CX20106內部結構
前置電路將接收到的信號轉換成CX20106可以接收的標準數字信號，送到CX20106的1腳。CX20106的總放大增益約為80 dB，其7腳輸出的控制脈沖序列信號幅度為3.5～5 V。總增益大小由2腳外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值過大時將造成頻率響應變差，C1為1.0 μF。采用峰值檢波方式，檢波電容C2為3.3 μF。R2為帶通濾波器中心頻率的外部電阻。積分電容C3取330 pF。經CX20106處理后的脈沖信號由7腳輸出。
1.4 無線收發模塊
1.4.1 無線發射模塊
無線發射模塊電路如圖6所示。編碼采用PT2262芯片，它將載波振蕩器、編碼器和發射單元集于一身，使發射電路變得非常簡潔。編碼輸入是4路獨立的二進制信號，把誤差信號轉換為4位數字信號通過433 MHz發射模塊進行發射。
前置電路將接收到的信號轉換成CX20106可以接收的標準數字信號，送到CX20106的1腳。CX20106的總放大增益約為80 dB，其7腳輸出的控制脈沖序列信號幅度為3.5～5 V。總增益大小由2腳外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值過大時將造成頻率響應變差，C1為1.0 μF。采用峰值檢波方式，檢波電容C2為3.3 μF。R2為帶通濾波器中心頻率的外部電阻。積分電容C3取330 pF。經CX20106處理后的脈沖信號由7腳輸出。
1.4 無線收發模塊
1.4.1 無線發射模塊
無線發射模塊電路如圖6所示。編碼采用PT2262芯片，它將載波振蕩器、編碼器和發射單元集于一身，使發射電路變得非常簡潔。編碼輸入是4路獨立的二進制信號，把誤差信號轉換為4位數字信號通過433 MHz發射模塊進行發射。
圖6 無線發射模塊電路
1.4.2 無線接收模塊
無線接收模塊電路如圖7所示。解碼芯片采用PT2272M4芯片，對433 MHz接收模塊接收到的信號進行解碼。433 MHz接收模塊上集成有超外差接收裝置，其具有較好的選擇性和頻率特性，且容易調整。PT2272M4的數據輸出位因其后綴而異，數據輸出具有暫存和鎖存兩種方式，方便用戶使用。后綴為M為暫存型，后綴為L為鎖存型，其數據輸出又分為0、2、4、6不同的輸出。
1.4.2 無線接收模塊
無線接收模塊電路如圖7所示。解碼芯片采用PT2272M4芯片，對433 MHz接收模塊接收到的信號進行解碼。433 MHz接收模塊上集成有超外差接收裝置，其具有較好的選擇性和頻率特性，且容易調整。PT2272M4的數據輸出位因其后綴而異，數據輸出具有暫存和鎖存兩種方式，方便用戶使用。后綴為M為暫存型，后綴為L為鎖存型，其數據輸出又分為0、2、4、6不同的輸出。
圖7 無線接收模塊電路
2 軟件設計
聲源引導示意圖如圖8所示。設S點為可移動聲源，Ox代表AB直線的中垂線，O′y代表AC直線的中垂線。如果AS距離大于BS距離，則小車向9點鐘方向前進；如果AS距離小于BS距離，則小車向3點鐘方向倒車；如果AS等于BS，則說明小車在AB的中垂線上。如果AS距離大于CS距離，則小車向6點方向前進；如果AS距離小于CS距離，則小車向12點鐘方向倒車；如果AS等于CS，則小車到達W點。
2 軟件設計
聲源引導示意圖如圖8所示。設S點為可移動聲源，Ox代表AB直線的中垂線，O′y代表AC直線的中垂線。如果AS距離大于BS距離，則小車向9點鐘方向前進；如果AS距離小于BS距離，則小車向3點鐘方向倒車；如果AS等于BS，則說明小車在AB的中垂線上。如果AS距離大于CS距離，則小車向6點方向前進；如果AS距離小于CS距離，則小車向12點鐘方向倒車；如果AS等于CS，則小車到達W點。
圖8 聲源引導示意圖
本系統在聲音接收器端設置主單片機，承擔運算工作并發射信號。在移動聲源上設置一塊從單片機，根據接收到的指令控制聲源運動。系統軟件流程如圖9所示。
本系統在聲音接收器端設置主單片機，承擔運算工作并發射信號。在移動聲源上設置一塊從單片機，根據接收到的指令控制聲源運動。系統軟件流程如圖9所示。
圖9 系統軟件流程
3 系統測試
測試儀器使用秒表、米尺等。通過改變小車的起始位置測量小車走完全程所需的時間，從而計算出平均速度。設小車離W點水平線的垂直距離為H（單位為cm）。由于車身完全為手工制作，重心位置存在誤差，導致兩個輪子承受壓力不同、阻力不同，對系統的精度有一定影響。共進行6次測試，在同一H值下，分別測量平均速度v1和v2。
3 系統測試
測試儀器使用秒表、米尺等。通過改變小車的起始位置測量小車走完全程所需的時間，從而計算出平均速度。設小車離W點水平線的垂直距離為H（單位為cm）。由于車身完全為手工制作，重心位置存在誤差，導致兩個輪子承受壓力不同、阻力不同，對系統的精度有一定影響。共進行6次測試，在同一H值下，分別測量平均速度v1和v2。
測試數據如表1所列。
表1 聲音引導系統測試數據
結語
本系統以單片機STC89C58芯片為核心部件，利用無線收發模塊、音頻收發模塊，并配合一套獨特的軟件算法實現聲音的收發、無線傳輸控制、小車的方向和運動控制，以及自動到達指定位置并有明顯的光和聲指示、時間顯示等功能。在系統設計過程中，力求硬件線路簡單，充分利用軟件編程方便、靈活的特點來滿足系統的設計要求。
參考文獻
[1] 全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[M].北京：北京理工大學出版社，2006.
[2] 閻石.數字電子技術基礎[M].北京：高等教育出版社，2006.
[3] 畢滿清，等.模擬電子技術[M].北京：電子工業出版社，2008.
[4] 夏路易.單片機技術基礎教程與實踐[M].北京：電子工業出版社，2007.
李小松（講師）、孫航（本科生），研究方向為控制理論與控制工程。
本系統以單片機STC89C58芯片為核心部件，利用無線收發模塊、音頻收發模塊，并配合一套獨特的軟件算法實現聲音的收發、無線傳輸控制、小車的方向和運動控制，以及自動到達指定位置并有明顯的光和聲指示、時間顯示等功能。在系統設計過程中，力求硬件線路簡單，充分利用軟件編程方便、靈活的特點來滿足系統的設計要求。
參考文獻
[1] 全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品匯編[M].北京：北京理工大學出版社，2006.
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[4] 夏路易.單片機技術基礎教程與實踐[M].北京：電子工業出版社，2007.
李小松（講師）、孫航（本科生），研究方向為控制理論與控制工程。
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