基于飛思卡爾單片機的聲音導引系統設計

張茂云　陳風龍　唐晨

【摘 要】聲音導引系統可以由聲音實現對機器的智能控制，在產業、民用等領域有著廣闊的應用空間。本文基于飛思卡爾單片機，設計了聲音引導系統，由主控系統和移動聲源系統兩部分組成。系統采用C語言集成開發環境編寫人性化的操作界面，利用高效簡潔的算法優化運動軌跡，實現了智能控制。系統低功耗，性價比高，經調試和測試，系統各項性能運行穩定，可以有效的實現聲音導引系統的精確控制。

【關鍵詞】聲音導引；無線收發；飛思卡爾；DG128 Atmega8

1 系統設計方案論證

1.1 設計方案簡介

AB與AC垂直，Ox是AB的中垂線，O'y是AC的中垂線，W是Ox和O'y的交點。若移動聲源與A、B、C的間距較小，會加大誤差。為保證數據有效，聲源可運動的范圍應保持在ox右側。當可移動聲源到達ox后，應該有燈光和聲音信號提示超過最有效的運動范圍。在其運動過程中如若進入ox左側區域，超出范圍應盡量保持在2cm以內，以保證數據有效。聲源向ox運動且到達ox停止停止后得到聲源與ox間距，ox與聲源的間距即為定位誤差。定位誤差范圍應保持在1cm以內。對于聲源，應該確保發出周期性音頻脈沖信號，音頻信號頻率、脈沖周期根據下文分析選定位正常聲波，頻率在20Hz-20000Hz之間，周期在5×10-5-5×10-2之間。

平均速度=■（1）

響應的平均速度計算方法由公式（1）明確給出，響應時間即為聲源發出音頻信號等待反饋信號，在接收到反饋信號后開始產生位移，在到達ox所在位置時停止運動，此次整體運動過程所花費的時間。將其得到的值利用公式（1）計算得出結果。

1.2 系統設計方案

聲源的聲波選擇可以選用超聲波、正常聲波、次聲波。超聲波易檢測，且處理簡單控制精度高，但由于是不符合要求的音頻信號，因此排除在外。正常聲源定位，聲波符合音頻信號范圍。但是由于其頻率低，易于受到外界干擾而不利于處理芯片采集，因此在電路設計時應先將音頻信號采集出來，然后經過選頻濾波電路處理，得到易于處理器分析的正確頻率信號。綜合以上內容及電路設計，最終本文介紹利用正常聲源定位。

2 系統模塊設計

該系統中有涵蓋了智能控制系統、發聲系統、動力與轉向控制系統、電源管理系統四大模塊的移動聲源系統模塊和包含接收器和主要智能控制系統的接收器主機系統模塊。這兩大模塊是整個系統的核心部分，基本涵蓋了所有的功能。

2.1 移動聲源部分

（1）智能控制系統

ATmega8是以增強的AVR RISC結構為基礎的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間， ATmega8 的數據吞吐率高達 1MIPS/MHz，可以減緩系統在功耗和處理速度之間的矛盾。將 8 位 RISC CPU 與系統內可編程的 Flash 集成在一個芯片內為核心的最小系統板為移動聲源發聲、無線通信提供了靈活而低成本的解決方案。另外， ATmega8具有三通道PWM，此工能可以方便地控制舵機、驅動電機。

需要注意的是，由于機器需要長時間工作，盡量避免頻繁更換電池，所以必須是低功耗、節能設計。Atmega8在4Mhz且工作電壓為3.3V（25°C）時的工作電流為3.6mA，空閑模式電流為1.0mA，最大程度上減少功耗。

（2）發聲系統

本設計采用直流供電電壓6V～24V的SFM-27連續型有源蜂鳴器，產生頻率為3KHZ的音頻信號，與聲源接收系統組成整個引導體系的發送與接收，從而使機器移動。

（3）動力與轉向控制系統

由上文中提到的響應的平均速度計算方式可以計算出響應速度的均值，在平均速度大于10cm/s的前提下，想要不影響數據的準確性，動力系統響應速度也是非常重要的環節。

本文中采用的是Lm298芯片作為驅動器，這是一款高壓、大電流雙全橋式的驅動器，它的可以接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載，且為使電子元件不受輸入信號影響該芯片應用兩抑制輸入來避免。Lm298芯片還能通過軟件開發得方式簡化和減輕主控芯片的負擔。另外通過光電耦合可極大地減小對主控芯片的干擾。通過ATmega8的I/O口驅動，能夠方便地操控步進電機實現精確移動和轉向。

（4）電源管理系統

系統硬件設計中不可或缺的管理單元即為電源管理單元，它在整個電源系統中扮演著重要的角色。系統采用12V電源供電。系統各個單元正常工作狀態下所需電壓不同，大致需要3.3V、5V、12V三種電壓，所以電源系統需將電壓值分為三個段位輸出。三個電壓檔的具體實現如下： LM1117是一個低壓差電壓調節器系列，LM1117-3.3可將輸出電壓固定在3.3V。本系統選用LM1117是因為它能夠為系統限制電流同時有熱保護功能并且具有1個齊納調節的帶隙參考電壓以達到為系統供給電壓的精度控制在±1%。

2.2 接收器主機部分

（1）接收器

系統設計由3個接收器實現定位，接收器由微音器與放大電路組成，并通過主機供電，接收器之間為有線連接。微音器的接收范圍為300～3400HZ，放大器采用LM386。

根據聲音傳輸時的衰減因數和接收端對信號的幅度要求，以及后續音頻處理芯片的處理能力，預計將音頻信號放大4000倍。放大器通過LC串聯諧振選頻電路得到中心頻率為3K的音頻信號，再經兩片LM386級聯的放大的級聯電路放大，其中一級放大倍數為200，二級放大倍數為20倍，這可以讓信號快速進入飽和區。

（2）接收主機智能芯片

接收主機采用飛思卡爾單片機。該系統的核心控制采用飛思卡爾半導體公司的16位HCSl2系列單片機MC9S12DGl28。其主要特點是高度的功能集成，易于擴展，低電壓檢測復位功能，看門狗計數器，低電壓低功耗，自帶輸入捕捉功能可以用來檢測聲音信號。

3 系統算法設計

3.1 誤差信號產生

誤差信號的產生是由于聲源發出的信號頻率很低，接收端受到外界音頻信號干擾較大，濾波網絡難以對聲音提純。其次音頻信號的放大器搭載了兩級lm386，對噪聲也進行了放大作用。同時在軟件編程上還存在一定的誤差。通過優化算法設計可以盡量減小誤差。

3.2 控制量設計計算

控制量是通過產生的誤差信號產生的，假設可移動聲源在允許范圍內任一點放置。將移動聲源與A的誤差信號設為Tas， 將移動聲源與B的誤差信號設為Tbs，將移動聲源與C的誤差信號設為Tcs。

首先使移動源到達Ox線，當Tas>Tbs時移動聲源位于Ox線右側；當Tas

其次使移動源到達W點，當Tas>Tcs時移動聲源位于W點上方；當Tas

4 測試結果分析

分別用計時器、米尺測量出移動聲源運動過程中的各項參數，確定起始位到OX線距離，確定定位誤差、響應時間、左偏移量并算出可移動聲源的平均速度。

測試結果分析可知在不同起始位置出發時，小車的平均速度均幾乎可達10cm/s，滿足指標要求，同時定位誤差及偏移誤差均達到題目要求標準。在聲源旋轉180度后仍可達到上述指標。本聲源引導系統是完全符合指標的聲源控制系統。

5 結論

根據多次測試結果顯示該聲音引導系統工作性能、穩定性良好，經過多次測試證明還系統具定位精度高，相應時間短，測量誤差低等特點。實驗的同時還發現算法還具有較大的改進空間，其一、可以在移動端增加反饋系統來實現變速運動、降低相應時間；其二可以在移動端增加轉動系統實現360度的定位。另外，該系統功耗低，性價比高，具有的潛在開發價值。