1.1 系統(tǒng)組成

　　系統(tǒng)組成如圖1所示，在系統(tǒng)設(shè)計中采用兩塊單片機(AT89S52)分別作為可移動的聲源的檢測和控制核心。通過單片機(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給MCU2。MCU2根據(jù)當前的位置控制電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向，當停止下來時給出相應(yīng)的聲光提示。

　　1.2 具體算法實現(xiàn)

　　1.2.1 設(shè)計與計算

　　該設(shè)計主要是根據(jù)接收器接收到聲源信號的時間間隔來確定當前小車的位置S，如圖2所示。設(shè)S點到C點的距離為a。S點到A點的距離為b;S點到B點的距離為c。設(shè)S點的坐標設(shè)為l，h)，假設(shè)由單片機測得接收器A、接收器B和接收器C接收到信號的時間間隔計算出b與a的距離差為c1;b與c的距離差為 c2。由圖2中關(guān)系可得到如下方程：

　　則可根據(jù)測量的距離差△d=|c2-c1|求得相應(yīng)的小車的位置(l，h)。

　　1.2.2 誤差信號產(chǎn)生

　　該設(shè)計的誤差信號產(chǎn)生主要有三個方面：

　　檢波誤差　 由聲源信號產(chǎn)生的半波損失，其誤差的大小與聲源信號發(fā)射的頻率有關(guān)。當頻率越小時，△d=|c2-c1|則越小。如頻率為5 kHz的聲源信號，其周期為O.2 ms，則半波損失導致△d=0.1 ms×340 m/s=3.4 cm，所以頻率越大，半波損失越小。

　　單片機的測量時間產(chǎn)生的誤差　 單片機晶振為24 MHz，內(nèi)部時鐘經(jīng)12分頻后，時鐘周期為O.5μs，測量時間誤差為±0.5μs，則會產(chǎn)生一定的誤差信號。

　　計算誤差　 在計算聲源位置的過程中，數(shù)據(jù)有一定的取舍，則會產(chǎn)生一定的誤差。

　　1.2.3 控制理論簡單算法

　　該設(shè)計的控制理論簡單算法主要考慮三種方案：

　　方案一：根據(jù)計算出的△d=|c2-c1|的值來確定小車是否移動，當移動到△d=O時，控制小車停止。

　　方案二：根據(jù)測得△d=|c2-c1|的具體值控制字PWM，PWM=K△d，其中k為比例調(diào)節(jié)，△d越大，K越大，從而控制小車的速度。

　　方案三：PID控制算法

　　在連續(xù)運動控制系統(tǒng)中，將偏差的比例(P)，積分(I)和微分(D)通過線性組合構(gòu)成控制量。控制系統(tǒng)中以驅(qū)動電機轉(zhuǎn)速采樣信息為反饋量，采用增量式數(shù)字PID控制算法，通過輸出PWM信號對電機實現(xiàn)閉環(huán)控制。計算公式為：

　　式中：△un為第n次輸出增量;en為第n次偏差;en-1為第n-1次偏差;en-2為第n-2次偏差。增量式PID控制系統(tǒng)中的KP，KI，KD參數(shù)，一般經(jīng)反復測試、分析，最終確定理想數(shù)值。考慮到算法的簡單可行和實際應(yīng)用，采用方案一最簡單，且能夠?qū)崿F(xiàn)小車速度的控制。

　　2 單元硬件電路設(shè)計

　　根據(jù)系統(tǒng)組成框圖，系統(tǒng)只要由以下幾部分電路組成.對各電路的設(shè)計與實現(xiàn)，分別有以下不同的設(shè)計方案。

　　2.1 可移動聲源調(diào)制電路設(shè)計

　　可移動聲源產(chǎn)生的信號為周期性音頻脈沖信號。利用RC振蕩電路產(chǎn)生可調(diào)的周期性音頻脈沖信號，經(jīng)功率放大再由揚聲器向外發(fā)送，該方案產(chǎn)生的音頻信號高次諧波信號較大，經(jīng)過電路的改進使高次諧波大大減小，可以滿足設(shè)計要求。電路圖如圖3所示。

　　2.2 接收器電路設(shè)計

　　接收器電路主要用于接收可移動聲源發(fā)出的音頻脈沖信號，然后傳送給單片機(MCUl)，由單片機1(MCUl)對接收器接收到聲源信號的時間做處理，檢測出當前小車的位置，然后通過無線發(fā)送給單片機2(MCU2)。所以能不能很好地接收到音頻信號是整過設(shè)計的關(guān)鍵。設(shè)計考慮接收器的信號采集傳感器采用 MIC，將采集信號放大、濾波、整形，產(chǎn)生方波信號，傳送給單片機，由于MIC靈敏度較高，受外界噪聲干擾較大，中間加高通濾波電路，可實現(xiàn)對聲源信號的接收。電路圖如圖4所示。

2.3 小車控制電路設(shè)計

　　小車控制電路設(shè)計采用NEC的電機控制ASSP芯片(型號MMC-1)實現(xiàn)可移動聲源的運動，用UART模式和ASSP芯片進行通信使之提供控制信號，再用L298驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動。L298N芯片可以驅(qū)動兩個二相電機，也可以驅(qū)動一個四相電機，輸出電壓最高可達50 V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓;可以直接用ASSP芯片口提供信號;而且電路簡單，使用比較方便。通過控制L298的 INl，IN2，IN3，IN4輸入端控制電機的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)向。此方案接口簡單，不占用系統(tǒng)資源。

　　2.4 小車轉(zhuǎn)向精度控制及路程計算

　　小車轉(zhuǎn)向精度控制及路程計算的方案有多種，考慮到安裝的復雜和調(diào)試容易程度，設(shè)計采用反射式光電對管，對車輪上的黑白碼盤檢測，產(chǎn)生脈沖計數(shù)，從而計算小車行駛路程和轉(zhuǎn)向控制。

　　3 軟件設(shè)計

　　3.1 軟件設(shè)計說明

　　在小車程序中，一開始打開無線接收，在收到數(shù)據(jù)后進行判斷小車是否到達預定位置，如果沒有到達則繼續(xù)由算法控制計算PWM值，由PWM值控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向;如果收到數(shù)據(jù)后判斷到達了預定位置，則發(fā)出聲光信號指示到達了預定位置。

　　對于監(jiān)測端程序設(shè)計，首先對測量值通過濾波算法進行濾波，然后將上次的測量值發(fā)送，再將定時器清零，判斷INT3是否有下降沿到來，如果沒有監(jiān)測到下降沿，則繼續(xù)等待，如果有，則開定時器，開中斷，延時100μs后又繼續(xù)對測量值濾波。

　　3.2 程序流程圖

　　程序流程如圖7所示。

　　4 測試數(shù)據(jù)

　　4.1 基本要求

　　(1)可移動聲源發(fā)出聲音后開始運動，到達ox線并停止，這段運動時間為響應(yīng)時間，測量響應(yīng)時間，用下列公式計算出響應(yīng)的平均速度，要求平均速度大于5 cm/s。

　　(2)可移動聲源停止后的位置與ox線之間的距離即定位誤差，定位誤差小于3 cm。

　　(3)可移動聲源在運動過程中任意時刻超過ox線左側(cè)的距離，超過ox線左側(cè)的距離小于5 cm。

　　(4)可移動聲源到達ox線后，必須有明顯的光和聲指示。

　　(5)將可移動聲源轉(zhuǎn)向180°(可手動調(diào)整發(fā)聲器件方向)，能夠重復基本要求。

　　4.2 發(fā)揮部分

　　(1)平均速度大于10 cm/s;定位誤差小于1 cm;可移動聲源在運動過程中任意時刻超過ox線左側(cè)距離小于2 cm。

　　(2)在完成基本要求部分移動到ox線上后，可移動聲源在原地停止5～10 s，然后利用接收器A和C，使可移動聲源運動到W點，到達W點以后，必須有明顯的光和聲指示并停止，此時聲源距離W的直線距離小于1 cm。整個運動過程的平均速度大于10 cm/s。

　　4.3 基本要求測試

　　測試數(shù)據(jù)表如表l所示。將可移動聲源轉(zhuǎn)向180°(可手動調(diào)整發(fā)聲器件方向)，重復上述基本要求。測試數(shù)據(jù)表如表2所示。

　　4.4 發(fā)揮部分測試

　　測試數(shù)據(jù)如表3所示。

　　經(jīng)測試數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計能夠達到大賽的基本要求，對于發(fā)揮部分也基本能夠?qū)崿F(xiàn)。

　　5 結(jié)語

　　該設(shè)計基于完備可靠的硬件設(shè)計，采用NEC電子電機控制ASSP芯片和AT89S52的控制和運算優(yōu)勢，使用了一套獨特的軟件算法，實現(xiàn)了聲音導引系統(tǒng)的精確控制。