基于AVR单片机的声音引导系统设计.doc

1、摘 要 声音引导系统是全球卫星定位系统（ GPS）在实验室内的一个缩影。 GPS 是 20 世纪 70 年代由美国陆海空三军联合研制的新一代空间卫星导航定位系统 ,其主要目的 是用于 军事 。利用测时差法对地面辐射源（雷达站、通信站、广播站等）进行被动定位。 GPS 采用地心坐标系，其坐标原点设在地球的中心，利用三颗卫星对地面辐射源进行时差测量，可以得到两个独立的时差方程，再利用地球的球面方程，对三个方程联立求解，既可得辐射源的三维坐标数值。最后通过坐标转换，就可以得到辐射源的经度和纬度数值。后来 GPS 扩展到民用，例如用于汽车的导 航。在汽车上安装收发装置，利用三星测距法，可得到汽车的位置

2、参数，经过多次测量和数据处理方法（如最小二乘法、卡尔曼滤波等）可以进一步提高定位精度。另外在汽车引导器上安装有服务区的地理信息库，根据当时测得的地理位置，可以较准确地计算汽车离目的地的距离，并引导汽车前行。 本设计采用两块 ATMEGA16 单片机（以下以单片机 1、 2 区分），单片机 2 作为可移动声源 (小车作为载体 )的控制核心，控制小车的运动状态和无线收发模块。单片机 1 作为三路接收器收集到信息的处理核心，并与单片机2 进行无线通讯。喇叭通过单片机 2 控制产生 5KHZ 音频信号，三个驻极体话筒在不同位置接收音频信号，根据接收到音频信号的时间差判断出小车与A,B,C 三点的位置关

3、系，通过无线发送装置发送给单片机 2，控制小车的行驶。基于完备而可靠的硬件设计，使用一套稳定可靠的软件算法，实现了小车在规定速度内顺利完成任务。 【关键词】 时差测量 声音引导 无线收发 II Abstract Sound guide system is an epitome that the global positioning satellite (GPS) in the laboratory. GPS is in the 1970s by the American armed forces joint development of a new generation of space sa

4、tellite navigation and positioning system, its main purpose is used by the military. Use the method of measuring time from ground emitters (radar station, etc.), radio stations passive location. GPS employ a geocentric coordinate system, its origin in the center of the earth coordinate, Using 3 sate

5、llite to ground emitters for time measurement, can get two independent time equation, and then the earths surface equation, the solution, the three simultaneous equations can not only have to emitters of 3d coordinate values. Finally the coordinate transformation can get emitters of latitude and lon

6、gitude values. Later GPS expanded to civil, such as used in automobile navigation. In the car setup transceiver, using the Three-star ranging method, can get car position parameters, after many measurement and data processing methods (such as least squares, Kalman filter, etc) can be further improve

7、d positioning accuracy. This design uses the two ATMEGA16 taking single-chip microcontroller ( 1, 2 distinguish), microcontroller as mobile source (car as a carrier) control core, controlling trolley state of motion and wireless transceiver module. SCM 1 as three road receiver to collect information

8、 processing core, and for wireless communication with single-chip microcomputer By MCU control from 2 speakers 5KHZ audio signal in A body microphones, three in different locations receive audio signals, according to receive audio signal with A judge the car lag between the three, B, C, through the

9、position relations send wireless transmission device, controlling trolley microcontroller 2 driving. Based on mature and reliable hardware design, use a set of stable and reliable software algorithm, realized the car within the stipulated speed finish the task smoothly. 【 Key words】 Measurement of d

10、elta-T; Sound guide; Wireless transceiver III 目 录 1 引言 1.1 研究背景 . (1) 1.2 设计任务 . (2) 1.3 设计要求 . (2) 2 系统结构 3 系统方案设计 3.1 系统定位方案探讨与选择 . (5) 3.1.1 三站测时差被动定位法 . (5) 3.1.2 两站测距定位法 . (6) 3.1.3 到达到时间比较法 . (7) 3.2 系统主要部件方案论证与选择 . (8) 3.2.1 控制模块的选择 . (8) 3.2.2 无线数据通信方案选择 . (8) 3.2.3 电机与其控制系统的选择 . (9) 3.2.4 显

11、示模块的选择 . (9) 3.2.5 声源的选择 . (9) 3.2.6 声音信号处理方案选择 . (10) 4.1 控制模块设计 . (11) 4 系统硬件的设计 4.1.1 ATMEGA16 概述 . (11) 4.1.2 ATMEGA16 引脚说明 . (13) 4.1.3 控制器接口电路设计 . (14) 4.2 音频发射模块设计 . (15) 4.3 音频接收模块设计 . (16) 4.3.1 LM567 的内部结构和功能 . (16) 4.3.2 声音信号处理电路 . (18) 4.4 无线收发模块设计 . (18) 4.4.1 NRF24L01 概述 . (18) 4.4.2 引

12、脚功能及描述 . (19) 4.4.3 工作模式 . (20) 4.4.4 工作原理 . (20) 4.4.5 配置字 . (21) 4.4.6 NRF24L01 电路 . (22) 4.5 电机与其驱动模块 . (23) 4.5.1 PWM 调速原理： . (23) 4.5.2 L298 概述 . (24) 4.6 系统电源模块 . (24) 5 系统软件的设计 5.1 声音信号处理程序设计 . (26) 5.1.1 声音定位原理分析 . (26) 5.1.2 信号处理及转换 . (26) IV 5.1.3 程序具体流程 . (27) 5.2 电机控制程序设计 . (27) 6 系统测试 6

13、.1 测试仪器 . (30) 6.2 测试环境及方法 . (30) 6.3 测试数据及分析 . (30) 7 总结与展望 7.1 总结 . (31) 7.2 展望 . (31) 参考文献 . (31) 致谢 . (31) 附录 A . (33) 1 1 引言 1.1 研究背景 目前，由于计算机科学、人工智能、传感器技术及其它相关学科的长足进步，使得机器人的研究在高水平上进行，同时也为机器人控制系统的性能提出更高的要求。因此，提高机器人控制系统的开放性，建立开放式、模块化先进机器人控制平台，提出先进机器人的控制理论与方法，为长远的多机器人协调与控制的发展奠定基础，将会是今后机器人研究的一个重要课

14、题。 随着机器人技术的发展，一些供学生比赛和动手制作的机器人相继问世，为了让更多的学生 对机器人感兴趣，中央电视台、教育部、中国科协等都支持了一些机器人比赛，目前各种形式的机器人比赛己有几十种，参加的学生越来越多，机器人课 程 己列入学生的选修课程，事实上，一个新的素质教育平台正在形成。为了更好的普及现代科学知识，为我国的机器人事业培养更多的优秀人才，推动自动化与机器人技术的发展与创新，为我国的快速持续发展贡献力量，国内于 2001 年 6 月成立了机器人竞赛工作委员会，负责统一协调、组织全国的机器人竞赛活动包括机器人足球比赛、机器人舞蹈比赛等。该委员会的成立标志着我国机器人竞赛事业进入一个崭

15、新阶段。 2009 年全国大学生电子设计竞赛的 B 题是声音导引系统。该声音导引系统有一个可移动声源 S，三个声音接收器 A， B 和 C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox线 (或 Oy线 )的误差信号，并用无线传输方式将此误差信号传输至可移动声源，引导其运动。“听声辨位”，人的双耳就是个很好的例子。由于耳朵具有特殊的生理结构，能够捕获声源到达双耳的相位差和声压差信息，通过复杂的信息处理，使得我们能够准确地进行辨位，并估计出声源的距离。而在真实的声场中，声音除了通过空气媒 介直接到达接收器以外，还通过各种障碍物 (如墙壁、

16、地板、天花板、室内物品 )反射、衍射到达，这样接收器接收到的是原始直达声和经过延迟和衰减的声音的混介信号。这种导致信号变差的现象叫做多径效应。多径效应将使接收器获取的信号质量下降、声源定位的精度降低。另外环境存在的其他噪声对定位精度也有很大影响。所以本设计的重点是得到稳定的抗干扰能力强的误差信号，难点是准确 判断可移动声源的位置和控制可移动声源的运动。江西财经大学普通 本科毕业设计 2 本论文设计的声音引导系统，是基于无线通信技术的新型导引系统，可以应用在新型智能机器人控制系统，这种声音控制机器 人的运动方式将有着广阔的应用前景。在视频会议、语音识别和说话人识别、目标定位和助听装置等领域也有重

17、要的应用。 1.2 设计任务 设计并制作一声音导引系统，示意图如图 1-1 所示。 图 1-1 声音引导系统示意图 图中， AB 与 AC 垂直， Ox是 AB的中垂线， Oy 是 AC 的中垂线， W 是Ox和 Oy 的交点。声音导引系统有一个可移动声源 S，三个声音接收器 A、B 和 C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离 Ox 线（或 Oy 线）的误差信号，并用无线方式将此 误差信号传输至可移动声源，引导其运动。 可移动声源运动的起始点必须在 Ox线右侧，位置可以任意指定。 1.3 设计要求 （ 1） 制作可移动的声源。可移

18、动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号，如图 1-2 所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。 图 1-2 信号波形示意图 江西财经大学普通 本科毕业设计 3 （ 2）可移动声源发出声音后开始运动，到达 Ox线并停止，这段运动时间为响应时间，测量响应时间，用下列公式计算出响应的平均速度，要求平均速度大于 5cm/s。 （ 3）可移动声源停止后的位置与 Ox 线之间的距离为定位误差，定位误差小于 5cm。 （ 4） 可移动声源在运动过程中任意时刻超过 Ox 线左侧的距离小于 5cm。 （ 5）可移动声源到达 Ox 线后，必须有明显的光和声指示。 （ 6）将可移动声源转向 180 度（可手动调整发声器

19、件方向），能够重复基本要求。 （ 7）在完成移动到 Ox 线上后，可移动声源在原地停止 5s 10s，然后利用接收器 A和 C，使可移动声源运动到 W点，到达 W点以后，必须有明显的光和声指示并停止，此时声源距离 W的直线距离小于 1cm。整个运动过程的平均速度大于 10cm/s。 （ 8）功耗低，性价比高。 江西财经大学普通 本科毕业设计 4 2 系统结构 本系统由单片机 2 控制音频信号的产生，并控制小车运动，音频信号通过三路驻极体话筒接收后，经过放大、选频、比较器电路，输出幅度为 5V的方波信号，单片机通过测量三路信号的时间差，获取小车当前的运动状态，并通过无线发送模块发送信号让小车调整

20、状态，发送的信号由无线接收模块接收传给单片机做出相应判断，从而调 整小车状态，让声源顺利到达指定位置。通过握手机制，保证无线收发顺利进行。 图 2-1 总体框架设计图 喇叭产生音频信号 三路接收音频信号 LED 指示灯 单片机1# 控制小车运动 单片机2# 实时显示 nRF24l01无线收发 江西财经大学普通 本科毕业设计 5 3 系统方案设计 3.1 系统定位方案探讨与选择 要对行进中的小车进行实时定位，并引导它前进，必须建立数学模型和坐标系。本题可采用直角坐标系。原点可选在终点 W 处或者 A 点处。现选在W 处，其坐标系如图 3-1 所示。 根据题意和 GPS 定位原理，其定位方法有如下

21、三种： （ 1）三站测时差被动定位法 （ 2）二站测距定位法 （ 3）到达时间比较法 图 3-1 直角坐标系 3.1.1 三站测时差被动定位法 如图 3-1 所示。现设 A 站为主站， B， C 站为从站， S 为服务对象，简称目标。设目标在某一个时段发出了音频脉冲信号，如图 3-2 所示，三站 A、B、 C 接收此信号后，经放大、滤波、检波、整形后统一传输给主站 A，其时序关系如图 3-2 所示。列出测时差方程组： S(x,y)O ).,.C(- 5050cS O ).,-.A(- 5050).,.D( 5050x ).,-.B( 5050),W(00AS BSv yxyxv SSt BAA

22、B2222 )5.0()5.0()5.0()5.0( v yxyxv SSt CAAC2222 )5.0()5.0()5.0()5.0( （ 3.1.1） 江西财经大学普通 本科毕业设计 6 式中， v 为声音在空气中的传播速度， ABt 、 ACt 为测量值。式 （ 3.1.1）属于二元非线性方程组，可采用数值求解法（软件编程），求出 x， y 的值。B 站和 C 站只是一个接收器。拾音器将声波转换成电信号后，通过 1.1m 的电缆直接送入 A 站处理。这样 B、 C 两站设备变得非常简单，大大提高了性价比。 图 3-2 us、 uA 、 uB 、 uC的时序关系图 3.1.2 两站测距定位法 两站测距定位原理示意图如图 3-3 所示。 图 3-3 两站测距定位法坐标系 us(t) t t uA(t) uB(t) t t uC(t) tAB tAC ta1 ta2 ta1 tb1 tb2 tb3 tc1 tc2 tc3 S(x,y) O ).,.C(- 5050 cS ).,-.A(- 5050 ).,.D( 5050 x ).,-.B( 5050 ),W(00 AS BS E hy