声音导向小车的设计与仿真

时间:2022-10-15 12:02:31

声音导向小车的设计与仿真

摘 要: 声音导向系统在搜寻生命痕迹中具有重要的现实意义,可以通过声强传感器获知待救人员的地址位置。目前声音导向小车主要类型有:通过语音识别来控制小车,通过发射接收声波信号的时间间隔判断位置、控制小车。这些智能车硬件和软件设计较为复杂。这里以AT89C51单片机为核心,以驻级话筒作为声强传感器,用L298N作为电机驱动芯片,设计制作了一种声音导引系统,并使用软件进行仿真。单片机根据传感器接收到的声强信号判断声源位置,控制电机的运转,使小车运动到目标位置。使用Proteus 7.8软件给出了仿真方案和仿真结果,可以实现追踪声源目标的功能。该设计提出了新的方案,系统设计结构简单可靠,性能良好。

关键词: 声音导引; 智能小车; AT89C51; Proteus

中图分类号: TN911?34 文献标识码: A 文章编号: 1004?373X(2014)18?0101?04

Design and simulation of voise guidance car

CHEN Song1; WANG Wen?jie2; WANG Wei?wei2

(1. College of Mechanical and Electrical Engineering, Anhui Jianzhu University, Hefei 230601, China;

2. China No.15 Metallurgical Construction Group Co., Ltd. Wuhan 430075, China)

Abstract: Sound guidance system has important practical significance in search for life, which can get the address location of personnel waiting for rescue by means of sound intensity sensor. The sound guidance cars’ main types are as follows: the car which is controlled by voice recognition, and the car which determines the position and is controlled by the intervals of transceiving acoustic wave signals. The hardware design and software design of these two types smart cars are very complicated. In this paper, a sound guidance system with single chip processor as the core, a microphone as sound intensity sensor and L298N as a motor driver chip is designed. The car moves to the target location according to the sound intensity signal received by the sensor to determine the sound source position and control the motor running. The simulation verification was done. Simulation scheme and simulation result are given by software Proteus7.8, which can achieve the function of sound source tracking. A new scheme is put forward in this design. The system structure is simple, reliable, and its performance is perfect.

Keywords: sound guidance; smart car; AT89C51; Proteus

0 引 言

近年来,国内外地震、矿难、火灾等自然或非自然的灾害频频发生。声音导引系统的研究在搜寻生命痕迹中具有重要的现实意义,救助者可以通过声音传感器获知生命的地址位置,进而利用各种定位技术寻找被困人员。目前声音导向小车主要类型有两种:一种是通过语音芯片识别人的命令来控制小车[1];另一种是在小车周围放置多个声波接收与发射装置,通过小车发射接收声波信号的时间间隔判断位置,控制小车[2]。这些智能车的硬件与软件设计较为复杂。

本文提出了全新的方案,对声音导向小车进行设计,使得此声音导向系统具有以下功能:判断声音的来源方向,可通过LCD显示小车将要行驶的方向,对电动机进行控制使小车朝向声源行驶。实现对声源位置进行探测、并对目标进行跟踪的功能。最后通过proteus软件仿真运行。

通过运用嵌入式设计仿真与开发平台Proteus,用户可以将Keil,GNU以及IAR等编译器编译好的目标代码加载到芯片中。在Proteus软件包含大量元件库,可以查看多种调试信息,在仿真中还可以观察各元件的状态。先通过Proteus仿真和验证,再移植到相应的硬件电路,这种方式可以减小开发费用,缩短开发周期,值得推广[3]。

1 系统的总体方案设计

本系统设计的目的是应用传感器实现对声音信号的检测,从而对目标进行定位,并控制电机运行,使小车向着目标前进。

本系统的设计大致分为声强检测模块、单片机、显示模块、电机等部分,总体结构如图1所示。

图1 系统结构框图

声强检测模块:放置在小车左、右、后三个位置,接收指定通频带内声音信号,并进行比较。单片机控制模块:控制器选用AT89C51单片机,用于接收声音检测模块送来的电信号,对信号进行分析,控制电机和显示模块。电机驱动模块:控制两个电机的正转,反转,最终实现小车的左转,右转,前进,后退。LCD显示模块:显示小车的行进方向,便于观察仿真结果。

2 硬件设计

2.1 单片机控制模块设计

控制模块以AT89C51为核心,AT89C51是一种低功耗高性能的8位单片机,片内带有一个4 KB的FLASH在线可编擦除只读存储器,它采用了Atmel公司的高密度非易失性存储器技术。

在众多的51系列单片机中,选择Atmel公司的AT89C51,因为它不仅与MCU?51系列单片机指令与管脚完全兼容,而且它将通用CPU和在线可编程FLASH集成在一个芯片上。这种单片机对开发设备的要求很低,开发时间也大大缩短[4]。

设计中使用P0口作为LCD液晶显示信号口,P1.0, P1.1 和P1.2作为驻极体话筒传感器的信号输入口,使用P2.0~P2.3作为电动机控制信号输出口。

2.2 数据采集模块设计

数据采集模块以驻极体话筒为主要元件,驻极体薄膜上分布有自由电荷,在电容器的两极板之间就有了感应电荷。当声波引起驻极体薄膜振动而产生位移时,改变了电容器两极板之间的距离,从而引起电容器的容量发生变化,引起电容器两端电压U的变化,从而输出电信号,实现声电信号的转换[5]。驻极体话筒体积小,结构简单,电声性能好,价格低廉,应用非常广泛。

整个数据采集模块由三个驻极体话筒组成,如图2所示。当驻极体膜片遇到声波振动时,引起电容两端的电场发生变化,从而产生了随声波变化而变化的交变电压。在设计仿真中由于Proteus没有驻极话筒这个元件,所以使用滑动变阻器来代替。滑动变阻器的不同阻值代替声音的强弱。

用放大器组成的求和电路来求出这两个变阻器电压的平均值,然后再用平均值分别与两个变阻器的电压值比较,从而判断出哪一方向的声音强。用第三个滑动变阻器表示小车尾部声强传感器接收的信号,和平均值比较,来判断小车前面和后面哪个方向声音强。

图2 声强检测模块

2.3 LCD显示模块设计

选用LCD1602字符型液晶模块,显示小车运行状态。液晶模块内部的字符发生存储器存储了160个不同的点阵字符图形,包括数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等,可以同时显示32个字符。各引脚与单片机连接方式如图3所示。RS管脚用于数据/命令选择,R/W管脚用于读/写选择。E管脚用于输入使能命令。D0~D7为数字传输端口。

图3 液晶显示模块

2.4 电机驱动模块设计

L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机或一个两相步进电机。

L298可驱动两个直流电动机,OUT1,OUT2之间,OUT3,OUT4之间可分别接电动机。第5,7,10,12脚接输入控制电平,控制电机的正反转。EnA,EnB接控制使能端,控制电机的启停。

装置由AT89C51单片机通过P2口(P2.0,P2.1,P2.2, P2.3)输出控制信号,送到驱动芯片L298N,控制电机转动。电动机运行状态表如表所示。In1和In2为输入信号,EnA为使能信号。

电机驱动L298和电动机的连接电路图[6]见图4。

表1 电动机状态表

图4 电机驱动电路

3 软件设计

本系统应用软件功能实现功能如下:接收声音信号,分析处理;通过液晶显示电机工作状态;通过驱动芯片控制电机的转动。

程序流程图如图5所示。

根据系统设计要求,结合上述硬件设计,软件设计可以分为以下几个部分:主程序,LCD显示程序,数据采集程序,电动机驱动程序等几个部分。本设计使用软件KeilC编写程序。

对于LCD显示子程序,首先要设置其驱动程序,对显示的起始行,列地址,读取状态字和数据读/写等指令进行设置。

当有信号输入时,单片机对信号识别判断,对电动机驱动输出相应的控制信号,实现小车左转,右转,直行,后退等操作。

图5 程序流程图

判断P1.0,P1.1,P1.2的状态,如果为都为高电平,则液晶显示器显示直行,两个电机同时正转;如果P1.2为低,则液晶显示器显示后退,两个电机同时反转;如果P1.0,P1.2为高,P1.1为低,则液晶显示器显示左转,左边电机正转,右边电机停止;如果P1.0为低,P1.1、 P1.2为高,则液晶显示器显示右转,右边电机正转,左边电机停止。

4 声音导向系统的软件仿真

本设计用Proteus 7.8绘出仿真硬件电路图,用KeilC编写程序,生产Hex文件,输入单片机电路,然后进行仿真模拟。

由于仿真软件中没有驻极话筒,在仿真过程中通过滑动变阻器来提供仿真所需的电压信号。单击仿真的开始按钮,将进入仿真状态,如图6所示。调整滑动变阻器,即模仿声音从不同方向传来的情况,液晶显示器就会显示小车的运动情况。

5 总 结

本课题从一个全新的角度设计了一种声音导向系统,既不需要语音识别模块,也不需要声波发射模块,系统简单可靠。

设计方案是通过比较车首和车尾共3个声强探测器接收的声强信号,判断小车和目标的相对位置,确定小车的行进方向。使用Proteus 7.8软件给出了仿真方案和仿真结果,可以实现追踪声源目标的功能。

本文已申请专利;姓名:陈松;名称:一种声强导向小车;专利号:ZL201320438353.0,实用新型专利;授权公告日:2014年01月08日。

参考文献

[1] 高明.基于声音定位的自动循迹小车的控制算法研究[J].电脑知识与技术,2012(4):2329?2333.

[2] 李济川.嵌入式语音识别及声控小车设计[J].电子质量,2003(11):11?12.

[3] 杨宏.基于Proteus与单片机的步进电机控制设计[J].现代电子技术,2010,33(5):104?106.

[4] 葛笑寒,张倩.基于AT89C51单片机的智能节水控制[J].科技信息,2010(10):139?140.

[5] 赵洪.驻极体话筒的结构、原理与正确使用[J].电子制作,2003,(11):47?49.

[6] 孙绪才.L298N在直流电机PWM调速系统中的应用[J].潍坊学院学报,2009(4):19?22.

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