2009电子电设B题声音引导系统设计报告 - 图文

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。

图1系统结构图

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

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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。但其失调电压比较的大，增益带宽积不高。

方案二：采用LM386

LM386是一种音频集成功放，静态功耗低、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。

综上考虑，我们最终采用LM386对接收的音频信号经行放大处理。

二、系统硬件电路设计

（1）单片机小系统电路设计

主控芯片采用飞思卡尔单片机MC9XS128。参见图2。 xs12主要功能：

1) 对音频信号的数据处理。

2) 控制无线模块发送命令，控制载有声源小车的运动状态。 （2）音频信号放大处理电路的设计

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通过接在LM386的 1脚、8脚间的电容（１脚接电容＋极）来改变增益，断开时增益为20dB。7脚的旁路电容很重要，起滤波作用。通过增大这个电容的值，达到缓解直流基准电压的上升、下降速度，有效抑制噪声，而在器件上电、掉电时的噪声就是由该偏置电压的瞬间跳变所致。参见图3。 LM386的主要功能：

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。

图3 音频信号放大处理电路

图2 单片机小系统电路

（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。

图4 LM567鉴波电路

图5 音频信号产生电路

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三、软件程序设计流程

开 始 PPL初始化 无线串口初始化 定时器初始化 开 中 断 中 断 等 待 N 单片机收到检测信号 Y 利用检测到两次 信号时间差测距 利用单片机处理数据并发送到MMC-1芯片验到电机 N 车是否到达目的地 Y 停车结束 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。利用定时器捕捉，收到音频的型号，然后测取相应的距离。从而实现控制。

四、创新点

（1）使用了高性能单片机MC9XS128芯片，实现了高效率处理数据。

（2）短时间内自主学习并熟练地掌握了大赛组委会提供的MMC-1片，简化了硬件

电路。

（3）音频信号的鉴频处理使用了音调译码芯片。

（4）模块的控制算法简洁实用，较好的完成了大赛的基本要求和发挥部分。 （5）只使用了一个单片机（用于音频接收系统），履带小车只使用MMC-1控制，

成本降低，性价比提高。

五、测试与结果分析

1.测试及结果

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