2009年全国电子设计大赛国家奖声音引导系统（原理图+pcb）

西安测试2

2009年全国电子设计大赛国家奖声音引导系统（原理图+pcb）

声音导引系统

摘要：本设计是基于LM3S1138为主控制器的声音导引系统。设计采用两片EasyARM1138单片机作为核心器件，辅以移动声源、音频收发定位、无线收发模块、液晶显示、键盘控制、电源等单元模块，以实现对可移动声源的运动控制。移动声源产生音频信号，音频接收模块接收音频信号后，对所接收的音频信号进行处理，并通过另外一片EasyARM1138单片机得到移动声源的坐标。应用无线收发模块将处理后的坐标数据发送到移动声源上的EasyARM1138控制器。EasyARM1138控制器通过PID算法控制改变移动声源的前进速度以及转角方向，从而控制移动声源的行进。移动声源将整个行程的平均速度和移动位移通过显示模块显示出来。

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1.1 移动声源控制方案

方案一：应用开环控制方法。将移动声源的行进与转向单独进行操作。通过无反馈调节，实现行进与转向。但是移动声源在行进的过程中的进行速度和方向并不能实现自动控制，只是通过移动声源在初始位置对坐标的检测进行测得距离或角度控制运动，并且此方案不能在移动声源运动过程中对其速度和方向进行调整。

方案二：采取双闭环控制算法。移动声源实时检测其自身位置坐标，坐标计算出其角度和运动速度，通过角度PID控制器控制移动声源的方向，同时通过位移PID控制器控制移动声源的速度。闭环控制算法可以使移动声源在整个坐标平面内的任意一点（任何放置方向），以最快的速度到达目标点。而且在小车运动的过程中，对小车的方位进行实时的调整。实现了移动声源的自动控制。

1.2 系统控制器方案

方案一：采用通俗的51单片机，运用比较广泛，有良好的知识作为基础，上手快。但是本系统程序量比较大，需要的I\O口比较多，若为了预存信息，必须外加具有掉电储存功能的EEPROM，增加了系统的复杂程度，而且在执行动态刷新的时候读取EEPROM的速度慢，刷新频率受到限制。内存空间小，端口资源和功能相对不够丰富，难以满足我们的设计要求。同时，51单片机的运算速度不能满足本设计中大运算、高速响应的设计要求。

方案二：采用32位的LM3S1138作为声音导引系统的核心控制器。LM3S1138具有32位的RSIC性能，可以工作在50MHz的频率下，64K单周期Flash，多路中断，并设有内部优先级。4组8个通用计时器可以实现定时计数和PWM输出。两个同步串行端口（SSI）、三个完全可编程的串口（UART）、ADC、模拟比较器、I2C、以及多个GPIO。同时这款单片机的功耗比较低。

综合上述两个方案，我们选择方案二。利用LM3S1138更能高要求的完成题目要求。同时也大大降低了外围电路的复杂程度，整个系统的性价比也提高了。

1.3 无线收发方案

采用SRWF-1108通用透明无线射频传输模块，能适应任何标准或非标准的用户协议。抗干扰能力强，传输距离远，手持、视距可达2500m（1200bps，AT-1天线）。低功耗，发射电流450～600mA,接收电流32～38mA,休眠电流<8uA(使用232或485接口方式时睡眠电流2mA)。其长距离的无线通讯可以大大增加移动声源的运动范围，同时串口发送接收数据稳定性好，数据不易丢失，加强了系统运行可靠性。由于移动声源模块的电源为移动电源，电量存储限制，所以利用次无线射频模块可以增加系统的运行时间。

1.4 音频收发定位方案

利用全方位发声的喇叭，产生人耳能够听到的音频信号，同时通过改变音频的频率可以提高信噪比，很大程度减小环境噪音对设备的影响。用麦克对发生的音频信号进行接收，通过放大滤波处理可以得到方波信号。便于根据得到的音频信号，产生较为精确的位置坐标。

1.5 移动声源选择方案1.5.1 车体选择

选用双轮驱动的履带小车作为声源的载体，可以通过控制两个电机的电压，控制小车自由的运动，并且可以原地旋转，使软件和硬件大大简化。

1.5.2 电机控制方案选择

采用于NEC公司的电机控制芯片MMC-1。MMC-1为多通道两相四线式步进电机/直流电机控制芯片，具有UART或SPI串行接口，可方便单片机的控制。具有过电流检测功能和睡眠模式。基于控制两路电机和低功耗的要求，最终我们选择电机控制芯片MMC-1。

1.5.3 电源选择方案

本系统要求6V和5V两种电压供电，故选用7.2V大功率隔镍电池组作电源，经由三端稳压器LM7805及LM7806稳压后输出标准5V和6V电压。电池组经稳压后分别为电机和单片机供电，实现了控制电路电源和电动机电源隔离，避免了由单电源供电时电机起停产生的大电流对单片机和其它模块的影响。