卞曉曉 王玉才

摘 要： 設(shè)計了由聲音導(dǎo)引小車運動的系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用聲音信號實現(xiàn)實時物體定位。系統(tǒng)由地面部分和移動小車部分構(gòu)成。地面裝置通過MSP430F449單片機控制nRF24L01無線模塊發(fā)出控制指令，小車接收到相應(yīng)控制指令后車上的揚聲器發(fā)聲。地面部分根據(jù)發(fā)送指令到接收聲音的延遲時間，計算小車的坐標(biāo)位置，導(dǎo)引小車運動。通過設(shè)計放大濾波電路，減少了環(huán)境噪聲對系統(tǒng)性能的影響，提高了定位精度。

關(guān)鍵詞： MSP430單片機； 聲音定位； 導(dǎo)引； 濾波器設(shè)計

中圖分類號：TP368.1 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）06-41-03

0 引言

目前國內(nèi)外在測距及定位技術(shù)方面常用到激光測距、超聲波測距、GPS定位、Wi-Fi定位、超寬帶定位等技術(shù)[1]。目前隨著聲音測距技術(shù)的發(fā)展，使得定位技術(shù)又有了快速發(fā)展，在視頻會議、語音識別、目標(biāo)定位和助聽裝置等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用[2-3]。本文給出一種基于MSP430F449單片機，利用音頻信號實現(xiàn)聲音定位，并精確導(dǎo)引小車（聲源在移動小車上）到達指定目的地的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)方法。對該系統(tǒng)的研究有利于智能產(chǎn)品在各領(lǐng)域的應(yīng)用推廣。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 設(shè)計目標(biāo)

設(shè)計一個由聲音導(dǎo)引系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以利用聲音信號實現(xiàn)即時物體定位，從而控制物體運動到指定位置。該系統(tǒng)由地面部分和移動小車部分構(gòu)成。其中地面部分包括單片機控制模塊、放大濾波模塊、無線收發(fā)模塊、顯示模塊。移動小車部分包括單片機控制模塊、發(fā)聲模塊、無線收發(fā)模塊、電機控制模塊等。地面裝置通過MSP430F449單片機控制nRF24L01無線模塊發(fā)出控制指令[4]，小車接收到相應(yīng)控制指令后使車上的揚聲器發(fā)聲。地面部分根據(jù)發(fā)送指令到接收聲音的延遲時間，計算小車的坐標(biāo)位置，導(dǎo)引小車的運動。實物布局與坐標(biāo)如圖1所示。

1.2 原理與計算

需要測量的數(shù)據(jù)為無線電信號與聲音信號之間的時間差，從而可得出小車距接收器a的直線距離La：

1.3 軟件控制原理

移動小車由電機控制芯片L298，無線接收模塊，發(fā)聲模塊構(gòu)成。地面系統(tǒng)發(fā)出使小車準(zhǔn)備運動的信號，發(fā)出信號的同時開始計時，到地面麥克風(fēng)接收到聲音信號時計時停止，通過兩者的時間差計算出小車距目標(biāo)的距離，進而發(fā)送指令控制小車運動。地面上的系統(tǒng)可以通過顯示屏實時顯示小車距地面接收器的距離La和Lb。小車控制部分流程圖和地面控制部分流程圖分別如圖2和圖3所示。

1.4 發(fā)聲部分電路設(shè)計

選擇高頻喇叭作為聲源。輸入信號接在函數(shù)信號發(fā)生器上，麥克的接收信號接在示波器上，調(diào)節(jié)信號發(fā)生器頻率，發(fā)現(xiàn)喇叭在輸入頻率為40KHz左右時，麥克能明顯接收到信號，而且受語音信號和電機聲音信號的干擾較小。由于在實際中單片機發(fā)出40KHz頻率信號時功率較小，在信號加到揚聲器之前，采用4069作為反向器構(gòu)成放大電路。電路中增加9013、9012實現(xiàn)放大功能，得到了更好的效果，其電路如圖4所示。

1.5 電機驅(qū)動部分

采用L298驅(qū)動兩個直流電機。雖然沒有使用步進電機，采用直流電機配上碼盤以后能夠達到理想的精確控制效果。實際設(shè)計中，小車走過1米，碼盤計數(shù)500下，精度可達2mm。

1.6 無線模塊部分

無線電通信部分采用nRF24L01無線模塊。該模塊采用2.4GHz全球開放ISM頻段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合；具有126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內(nèi)置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；體積小巧。模塊可軟件設(shè)地址，只有收到本機地址時才會輸出數(shù)據(jù)，可直接由各種單片機控制[5]。該無線模塊采用PCB天線，傳輸距離十米左右。由于聲波接收電路的有效距離在十米以內(nèi)，所以該無線模塊可以很好地滿足設(shè)計要求。

1.7 聲音接收部分電路設(shè)計

采用普通的麥克作接收端，經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，使選頻網(wǎng)絡(luò)的接收頻率在4.4KHz左右。喇叭的輸入頻率是喇叭的起振頻率，并不是發(fā)出的聲波頻率。聲音接收電路主要包括前置放大、選頻網(wǎng)絡(luò)、全波整流、直流放大及整形電路，電路圖如圖5所示。選用的頻率范圍避免了日光燈等環(huán)境噪聲對接收電路的干擾。在測試過程中這樣的頻率范圍也避免了小車運動中直流電機工作產(chǎn)生的干擾。

1.8 程序設(shè)計部分代碼

2 結(jié)束語

該系統(tǒng)能夠根據(jù)聲音信號的返回時間實現(xiàn)實時聲源定位，具有低功耗、響應(yīng)速度快、性價比高、定位精度較高的特點，因此在測距、定位方面具有一定的應(yīng)用前景。實際應(yīng)用中，可以通過改變聲音頻率改善聲音接收效果，使本系統(tǒng)具有更寬的定位范圍。

參考文獻：

[1] 胡勝，楊雷，宋躍等.基于ARM7的聲音導(dǎo)引系統(tǒng)的設(shè)計[J].自動化與儀表，2010.25（12）：46-49

[2] 崔燕南，劉永康，李開良等.基于聲音傳感器陣列的空間定位系統(tǒng)[J].科技導(dǎo)報，2010.28（19）：46-49

[3] 吳鋒，高下，李志宏等.聲音空間定位測聽系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].第四軍醫(yī)大學(xué)學(xué)報，2001.22（7）：656-658

[4] 秦龍.MSP430單片機C語言應(yīng)用程序設(shè)計實例精講[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[5] 劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數(shù)據(jù)傳輸[J].應(yīng)用科技，2008.35（3）：55-58