圖1  系統(tǒng)硬件總體框圖
      1.1  電機驅(qū)動模塊
      　　電機驅(qū)動模塊電路如圖2所示。驅(qū)動模塊采用L298驅(qū)動芯片和L297電機控制芯片。L298驅(qū)動芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機驅(qū)動芯片，可用來驅(qū)動兩個直流電機或者是一個步進電機；在4～46 V的電壓下，可以提供2 A的驅(qū)動電流。L298還有過熱自動關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能，符合電機驅(qū)動的需要。L297芯片為電機驅(qū)動的前級電路，主要用來產(chǎn)生格雷碼，避免了用單片機引腳直接控制所造成的資源浪費。

      圖2  電機驅(qū)動模塊電路
      　　本系統(tǒng)采用的是步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步進角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點，在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變得非常簡單。采用步進電機作為電動車的電動機，可以通過脈沖控制實現(xiàn)速度與精度兼得。
      1.2  聲音發(fā)生裝置
      　　以揚聲器作為車載聲源加之多諧振蕩電路,可以向聲音接收器發(fā)送一定頻率的聲音脈沖。多諧振蕩電路的應(yīng)用可節(jié)省寶貴的單片機資源。
      　　555定時器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成器件。它性能優(yōu)良，適用范圍很廣，外部接少量的阻容元件就可以很方便地組成多諧振蕩器，產(chǎn)生穩(wěn)定的方波波形。由555定時器組成的多諧振蕩器如圖3所示。其中，R1、R2和電容C為外接元件。

      圖3  555多諧振蕩器
      　　多諧振蕩波形如圖4所示。

      圖4多諧振蕩波形
      　　由圖4可知，矩形波的振蕩周期T=T1+T2。T1為電容充電時間，T2為電容放電時間。

      　　因此，改變R1、R2和電容C的值，便可改變矩形波的周期和頻率。
      　　這里，C=0.15 μF，R1=125 Ω，R2=256 Ω。代入上述公式，則有：T1=40.005 μs，T2=26.88
      μs，T=T1+T2=66.885 μs，f=1/T=14.95 kHz。
      1.3  聲音接收及處理模塊
      　　采用具有帶通功能的集成芯片CX20106進行信號處理。CX20106的總放大增益約為80 dB，輸出的控制脈沖序列信號幅度在3.5～5 V范圍內(nèi)?？傇鲆婢哂锌烧{(diào)性，雖然增益取值過大時將造成頻率響應(yīng)變差，但仍能滿足系統(tǒng)要求。經(jīng)過實驗，CX20106作為聲音信號處理芯片的抗干擾能力極強，且電路最為簡潔。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖5所示。

      圖5  CX20106內(nèi)部結(jié)構(gòu)
      　　前置電路將接收到的信號轉(zhuǎn)換成CX20106可以接收的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字信號，送到CX20106的1腳。CX20106的總放大增益約為80 dB，其7腳輸出的控制脈沖序列信號幅度為3.5～5 V?？傇鲆娲笮∮?腳外接的R1、C1決定，R1越小或C1越大，增益越高。但取值過大時將造成頻率響應(yīng)變差，C1為1.0 μF。采用峰值檢波方式，檢波電容C2為3.3 μF。R2為帶通濾波器中心頻率的外部電阻。積分電容C3取330 pF。經(jīng)CX20106處理后的脈沖信號由7腳輸出。
      1.4  無線收發(fā)模塊
      1.4.1  無線發(fā)射模塊
      　　無線發(fā)射模塊電路如圖6所示。編碼采用PT2262芯片，它將載波振蕩器、編碼器和發(fā)射單元集于一身，使發(fā)射電路變得非常簡潔。編碼輸入是4路獨立的二進制信號，把誤差信號轉(zhuǎn)換為4位數(shù)字信號通過433 MHz發(fā)射模塊進行發(fā)射。

      圖6  無線發(fā)射模塊電路
      1.4.2  無線接收模塊
      　　無線接收模塊電路如圖7所示。解碼芯片采用PT2272M4芯片，對433 MHz接收模塊接收到的信號進行解碼。433 MHz接收模塊上集成有超外差接收裝置，其具有較好的選擇性和頻率特性，且容易調(diào)整。PT2272M4的數(shù)據(jù)輸出位因其后綴而異，數(shù)據(jù)輸出具有暫存和鎖存兩種方式，方便用戶使用。后綴為M為暫存型，后綴為L為鎖存型，其數(shù)據(jù)輸出又分為0、2、4、6不同的輸出。

      圖7  無線接收模塊電路
      2  軟件設(shè)計
      　　聲源引導(dǎo)示意圖如圖8所示。設(shè)S點為可移動聲源，Ox代表AB直線的中垂線，O′y代表AC直線的中垂線。如果AS距離大于BS距離，則小車向9點鐘方向前進；如果AS距離小于BS距離，則小車向3點鐘方向倒車；如果AS等于BS，則說明小車在AB的中垂線上。如果AS距離大于CS距離，則小車向6點方向前進；如果AS距離小于CS距離，則小車向12點鐘方向倒車；如果AS等于CS，則小車到達W點。

      圖8  聲源引導(dǎo)示意圖
      　　本系統(tǒng)在聲音接收器端設(shè)置主單片機，承擔(dān)運算工作并發(fā)射信號。在移動聲源上設(shè)置一塊從單片機，根據(jù)接收到的指令控制聲源運動。系統(tǒng)軟件流程如圖9所示。

      圖9  系統(tǒng)軟件流程
      3  系統(tǒng)測試
      　　測試儀器使用秒表、米尺等。通過改變小車的起始位置測量小車走完全程所需的時間，從而計算出平均速度。設(shè)小車離W點水平線的垂直距離為H（單位為cm）。由于車身完全為手工制作，重心位置存在誤差，導(dǎo)致兩個輪子承受壓力不同、阻力不同，對系統(tǒng)的精度有一定影響。共進行6次測試，在同一H值下，分別測量平均速度v1和v2。

      　　測試數(shù)據(jù)如表1所列。

      表1  聲音引導(dǎo)系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)

      結(jié)語
      　　本系統(tǒng)以單片機STC89C58芯片為核心部件，利用無線收發(fā)模塊、音頻收發(fā)模塊，并配合一套獨特的軟件算法實現(xiàn)聲音的收發(fā)、無線傳輸控制、小車的方向和運動控制，以及自動到達指定位置并有明顯的光和聲指示、時間顯示等功能。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，力求硬件線路簡單，充分利用軟件編程方便、靈活的特點來滿足系統(tǒng)的設(shè)計要求。
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      李小松（講師）、孫航（本科生），研究方向為控制理論與控制工程。