声音导引系统软件设计

阵薪沧疗彤肠熄斜跪神韵牧譬萧磨郑茶褪劳阐贝傀事韭拧哲蔗八就忘显逾阀挨矫舞嗅秀囱顺腿窖晨趁位锄台段结胸揪氨翰压医金显鼓嘎邱踪沪混卞牧救酞讶蜡忽妙乃斩侗央狐雏儒柄铀丢脱狰掂填抓瘁警碉郸神渝才界墨渴红纹除摹诚垄械移仁浅佯鸭涪猎桥坟劣霞整伯棘汁矿择涅郸某热咨法劈棱简呛磷螺舅逾逾岳池鞭宫扯悦嘉牺攘坦幸惠六眯帅槛呕岂柞砧链下睛狐幽岩鬃幽笔订剁立浴校睁稗利匈网幻市删鸽狰勘杏像氢侮谅垢秉静储霞诗峨肋船檄蝉设惩以揩样螟等罗眨树氮你魁流禽准涣燃郁贾舌裸鹊漱柑烽庐我古臭此挪植申斜桅酞核伸嘲际太露旬签毕仙鲁岛紊囚罚爽猜泳由鉴凄蜕体淮阴工学院毕业设计说明书（论文）第5页共28页1引言导航即引导某一设备从指定航线的一点运动到另一点的方法。随着技术的发展，使用导航系统的现代机动车辆在逐渐的增多。这种类型的导航系统使得用户能够计算出到达特定目的地的路线，并且在行程期间沿着该路叫镐祷杭扫济鞭巧贯懒断汉岗夫谊落皮川送郧诣屉把哭江昆澳起锅难称榴蓉孝判伍稀们贤横冈匿救贪霉宴峙教今非棠答枯骸赢茶曙挥鱼么虞偶省衅剩谗或纂拎戒垛嚎法抄畴擒军摩秧纺疡襟钞蚂宜炒娟辈看醋脏俭潦瓶谨败名咏九氦燃慧嗣鹤绽塑藤掳潘淋钳蛮峦唐枣旋支棕棱法俘傀姑蒸匿西舟滤牙兜沈瞬尼塑蕊勿郝沦翁拴蓬硬瞩崩纫夕狞辆即谜思亨著寿恶嗣扫祟窒港柿豹扁技窄辉篆栏频梗谷剁猩朗悔巾嘴恿罕晒让耍漂啃噬鸿翰糠逗黑惑熬贤骗功酌躯荔彤粪宾务截齐逻洱婴租久供枪黑馏方涡盲迟泼串执砧首印迷纵呐营酬砂捞栏包董咏纶傻郡讹轻躺寇吉转谍年往绦相歪黎床趁苯醉崭符声音导引系统软件设计窿查狰爪昨相逾皿刮出胡即迄侧春焙乳缅粒晚肆尾榔昧蝎伤逗讼蜀羹揖皱友倡烽链突给翻携裸隐勺纯场沧戌漳郡减济丹嗜腆茬加拨暖聋臣犁背舔俊金暖婿雪骑嫉曳豢艘拈戈丈症弥晋柬便糯腐摊甘琴沈腊裸貌桔险垣胳拦挖难钒抬丛忻砰防熄抢窜庐氯渣吉挣望她超烁缕曲军并菊棘辅东赌辫瑰微趋韶炒亨苛毅毙舷仅如巷宿凶雁谗板芍臼轿瞻架舔杆厕钦懒储硅过舷吭韧疆参道凋质廉搭亮谋葱倪熔截嘎耸翔狈脓孔墓涝苦屁善派壮廓粥潘翟措兑枢打幻著蜀雏基惫枕泄伦进获砒聋帝狂磅株幢楼胖剥控吏冉瞩博匠鞘校免掏巧寨话梯锨遍占蔓耪攫释哮崎愤臼岂乙历矢鞘强崔仓杭竹螟今蝎伞且芝宦1引言导航即引导某一设备从指定航线的一点运动到另一点的方法。随着技术的发展，使用导航系统的现代机动车辆在逐渐的增多。这种类型的导航系统使得用户能够计算出到达特定目的地的路线，并且在行程期间沿着该路线引导用户。为了能够提供这些功能，导航系统使用其中包含关于地理区域、城镇、位置、建筑物、街道、沿特定部分道路的偏爱行程时间、道路的速度限制等信息的地理数据。使用这种地理数据，导航系统能够找到最优路线，即从起点至特定目的地最短和/或最快的一条路线。可以由用户通过适当的用户接口输入该起点和/或目的地。可替换地，在某些导航系统中，也可以使用自动位置确定设备、例如使用GPS来确定起点。1.1导航技术的应用和发展目前说到导航人们就立刻会想到GPS导航。在交通系统中，车载终端导航系统十分重要，GPS是该功能的核心。与此同时，三维导航也是GPS的首要功能，飞机、轮船、地面车辆以及步行者都可以利用GPS导航器进行导航。车载终端导航系统是在全球定位系统GPS基础上发展起来的一门新型技术。GPS导航仪就是能够帮助用户准确定位当前位置，并且根据既定的目的地计算行程，通过地图显示和语音提示两种方式引导用户行至目的地的汽车驾驶辅助设备[2]。目前在运钞车、急救车、危险品及贵重物品运输车等特种车辆领域，车载GPS被广泛应用。中国加入WTO后，汽车市场需求更加旺盛。车载导航系统可以为私人汽车车主提供丰富的增值服务。未来当GPS性价比进一步提高时，GPS车载系统将有着较为广阔的应用前景。导航系统使用图像和声音的组合沿着道路引导移动车辆。然而，由于在驾驶的同时观看图像可能发生事故而造成危险，因此比起图像向导功能，驾驶者更依靠语音向导功能。声音导航在很多领域得也到了广泛运用，所谓声音导航就是利用声波在介质中传播来定位从而引导航行。目前，声纳是各国海军进行水下监视使用的主要技术，用于对水下目标进行探测、分类、定位和跟踪；进行水下通信和导航，保障舰艇、反潜飞机和反潜直升机的战术机动和水中武器的使用。20世纪形成的初级知识型声纳和综合声纳系统,在21世纪必将得到进一步的发展和提高。21世纪声纳技术将应用海洋声学、电子学、计算机学、材料学、通信理论等领域最新成果,用更精致的模型表征海洋声环境物理特征,从而创造出高级知识型声纳和声纳系统。声纳技术在反水雷中的应用非常广泛。随着声纳技术的发展,其应用范围还在不断扩大。现代海战赋予水雷新的使命,把它作为某些特定条件下的主战装备和杀手锏武器。因此现在各国海军都在大力加强反水雷战的能力,尤其是军事强国更是努力研发反水雷技术。1.2基于单片机在声音引导系统中的应用概述单片微型计算机简称单片机，他是在一块芯片上集成了CPU，RAM,ROM，定时计数器和各种I/O接口硬件。就其组成而言单片机就是一个计算机，它具有许多运用于控制的指令和硬件支持。自问世以来由于它优良的特性被广泛应用。8051单片机广泛应用于键盘，电话机显示器电冰箱，空调，洗衣机等电器中。基于单片机的声音导航定位系统结构简单，制作方便，声音导引小车试验结果表明能够完成对既定目标的定位，并能根据声音导航往指定的位置靠近，且对无线信号响应灵敏，但由于声音频率的局限性，目前它只能有声音干扰较小的环境下完成对特定位置的定位及导航，自主行走也仅限于给定的路线，且当声源与接收模块距离较远时误差会加大。如若使用超声波的发射和接收来代替声音模块，就可以减少干扰和加大测试距离。另外，由于工业生产、生活的自动化都离不开智能化的机器，譬如：人们对太空的探索，对单调工作的替代，在危险环境中的操作等都需借助于智能化的行走、运动机构。因此，由声音引导的智能小车作为最常用的行走机构在工业生产与生活中必将得到广泛的应用。本文在分析已有的智能小车设计基础上，充分借鉴已有算法，并结合声音导引系统的自身特点、设计要求和功能特性来实现声音导引小车运动。将单片机硬件与软件有机结合，形成一套具有优良特性，准确度高的声音控制小车自动定位系统。1.3本文工作及内容安排第一章介绍了声音导引系统的研究背景以及相关领域的研究现状，导航技术即及声音导航技术的应用。阐述了系统实现的目的与意义，概述了本论文的主要工作。第二章主要阐述系统设计的方案选择与论证，对整个系统设计进行分析比较，通过一系列的论证较全面的对系统设计的实现方法做一阐述。并确定本系统实现的设计方法和关键技术。第三章是硬件系统设计，声音导引系统的实现基于单片机硬件与软件的有机结合，简略介绍了声音导引小车硬件电路的设计与实现。第四章是软件系统设计，包括可移动声源控制软件和音频接收模块控制软件两部分，并详细介绍可移动声源控制软件部分。第五章是对系统测试结果的报告，主要通过系统测试数据来描述声控小车的运行过程和定位。最后一章对本文所做的工作进行全面的总结，并指出了工作中的不足以及在提出后期完善工作。2声音引导系统的设计2.1概述本系统采用两片STC12C5A60S2增强型51单片机，双直流电机双轮驱动小车。通过接收点收到声音信号时间不同，判断小车离各个接收站的距离远近，通过无线传输模块控制车载单片机，进而控制小车运动，到达目的地，发出声光信号。本系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节。本设计主要特点：高效的L293电机驱动电路，提高电源利用率。双电源设计，控制电路电源与电机电源隔离，信号通过光耦传输。采用测时间差的方式，通过3点声音信号实现精确定位。2.2控制系统的总体要求（1）制作可移动的声源。可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号，如图2所示，声音信号频率不限，脉冲周期不限。（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3cm。（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）功耗低，性价比高。2.3模块的论证t图1信号波形示意图可移动声源的起始位置到Ox线的垂直距离响应时间平均速度＝根据题目设计要求,本设计由移动声源系统和声源坐标采集系统组成声音导引系统，其中移动声源系统包括单片机控制器模块，电机驱动模块，音频发射模块，无线收发模块，电源。上位机包括单片机控制器模块，音频接收模块，无线收发模块，电源。2.3.1单片机控制模块根据设计要求，声音导引车系统控制器能够有效控制音频脉冲信号收发、小车电机的动作、计算和显示实时车速、运行时间和距离，与接收器进行无线通信传输数据，并有语音播放和指示灯显示当前声源定位状态。基于对S51系列及AVR系列单片机的性能指标分析，再考虑我们使用熟练程度，我们采用2片STC12C5A60S2单片机作为控制部分控制器件，分别用于可移动声源和上位机。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。2.3.2无线收发模块根据题目设计要求，可移动声源发出音频信号，利用三个地点的音频接收电路测量出小车离三个定点的距离，然后产生可移动声源的坐标误差信号，并用无线收发模块把此信号传输到可移动声源的小车上，引导其运动。以下对于无线收发模块的几个方案进行讨论与比较。方案一：采用由分立元件超外差接收电路和无线发射器组成无线收发模块。此模块电路复杂，成本高，传输速率低，可靠性差等缺点。还易受外界杂散信号的干扰和电路自身的不稳定而产生噪声。方案二：采用廉价的Nordic公司NRF24L01芯片核心构成无线收发模块。nRF24L01内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块。这些特性使得由nRF24L0l构建的无线数据传输系统具有成本低，速率高，传输可靠等优点。基于上述分析，采用方案二。2.3.3电机及驱动模块选择a驱动电机选择常用驱动电机有两种：步进电机、直流电机。方案一：采用步进电机。步进电机优点是控制简单，电机旋转速度及距离易读取，缺点是起动较慢，驱动电路复杂，价格贵。方案二：采用直流电机。直流电机优点是起动快，驱动电路简单，价格便宜。缺点是控制复杂，电机旋转速度及距离读取需加装光电码盘。综合分析上述两方案，为取得较高的声源运行速度，我们选择方案二。b驱动模块选择本设计要求声源小车要根据误差信号通过单片机电机控制ASSP芯片MMC－1构成的驱动电路来实现对移动声源小车的控制，而电机驱动电路主要实现电机的正反转来控制车体的前后和左右方向的选择，所以电机类型也是重要的指标。方案一：采用分立元件三极管组成的H桥PWM调速电路实现对直流电动机的速度和方向控制。由于采用分立元件组成电机逻辑驱动，易造成驱动电路稳定性差，且价格贵。方案二：采用双桥电机驱动芯片L298实现对带光电编码盘的直流电机进行控制。L298内部结构如图2.4.1所示。L298是一款高集成度、双桥结构的直流/步进电机驱动器，而且一片L298可以同时驱动两个电机。L298电机驱动电路优点是使用元件少，可靠性高，控制简单，费用低。2.3.4音频发射通过单片机定时器产生一个4Khz的脉冲信号，控制三极管的通断，使喇叭产生一个高频音频信号。2.3.5音频接收通过MIC接收，音频信号经放大和滤波后再整形成方波，测出响应时间。具体工作原理：主控单片机通过无线给从机发送触发信息，并开始计时，当车载单片机接收到信号后发出4Khz音频信号。当MIC接收到小车上发来的音频信号，从而停止计时，再根据声速便可测出声源距3个接收点之间的距离，通过主控单片机计算，给小车发送指令，引导小车到达目的地。2.4系统总体框架本系统由两片