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声音导引系统
高仕龙，贝磊，赵龙
辽宁工程技术大学电气与控制工程学院，辽宁 葫芦岛 （125105）
摘 要：本文介绍了基于 AVR mega16单片机的声音导引系统，系统实现对一定范围内的可
移动声源进行定位和引导其移向预定区域。以蜂鸣器作为可移动声源固定在可移动声源上，
地面固定三个声音接收装置，通过计算声源与接收器的时间确定声源位置并引导其向指定位
置运动。接收端通过无线传输方式与声源端实现数据的收发，实现声源的精确定位和控制。
关键词：单片机; 声音导引; 无线传输
中图分类号：：TP277
1. 引 言
本论文设计的声音引导系统，是基于无线通信技术的新型导引系统，可以应用在新型智
能机器人控制系统，这种声音控制机器人的运动方式将有着广阔的应用前景。
2．系统方案
系统整体组成
系统采用 AVR mega16 单片机作为控制核心。上位机系统主要完成声源信号采集、误差
信号的计算、控制命令的的无线发送和声源运行状态的显示。下位机系统主要完成声源信号
的产生、控制命令的无线接受、声源运动的控制和声光播报等功能。
图 1 系统控制方案一
声源导引系统
上位机 MCU
可移动声源
控制 MCU
无线收发模块 声音接受装置
无线收发模块 蜂鸣器
液晶显示
声音信号 无线数据
电机控制ASSP芯片
L298N
直流电机
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图 2 系统控制方案二
经过比较，系统方案一无线收发模块之间为双向通信，且上位机有液晶显示，提高了系
统无线通讯的准确性和可靠性，进而提高系统的控制精度。因此选择控制方案一。
3.系统设计与论证
系统的工作原理
图 3 系统示意图
根据要求，声源起始点必须在 OX 右侧，位置任意指定；声源发出声音后开始运动，
声源导引系统
上位机 MCU
可移动声源
控制 MCU
无线收发模块 声音接受装置
无线收发模块 蜂鸣器
声音信号 无线数据
电机控制ASSP芯片
L298N
直流电机
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到达 OX 线并停止。已知 OX 为线段 AB 的中垂线，得 OX 上的点到 A、B 两点的距离相等，
则当声源运动到 OX 线上后声音传到 A、B 两点的时间相等即 At = Bt ；当声源在 OX 线右侧
时即 At > Bt ；当声源超越 OX 线则 At < Bt 。因为声音在空气中的传播速度通常可认为是固定
不变的，所以当上位机系统接受的声音信号 At = Bt 时，即可认为声源到达 OX 线，而 BA tt −
反映声源距离 OX 轴的大小。通过 PID 算法产生声源前进、后退和运行速度大小的命令，并
将其通过无线收发模块发送给声源，声源接收到命令后，向电机控制 ASSP 芯片发出指令，
产生控制信号输出给电机驱动芯片 L298N，控制声源电机向 OX 线移动，声源在移动中不断
发出周期性音频信号，不断获取时间差值信号，修正声源运动状态。声源到达 OX 线后，原
地转向 90 度，向 w 点行驶。此时，上位机系统将根据声音传到 A、C 两点的时间 At 、 Ct 的
大小，产生相应的控制命令，控制声源到达 W 点。
4.系统的硬件设计
供电系统
可移动声源为车载蜂鸣器，车体采用市售玩具坦克，其特点为稳定性高，比较容易实现
精确转向控制。使用车载电池为车直流电机供电同时经过 LM7805 稳压后为单片机系统供
电。地面接收端为三个音频接收器，需要对信号进行放大滤波和比较，考虑到滤波可靠性，
使用双电源供电，声源接受端使用微机电源产生的正负 9V 供电，上位机系统采用 9V 直流
电源经过 7805 稳压后供电。
单片机芯片选择
AT89s52 单片机应用广泛，低功耗，但其内部资源较少，完成系统设计需要大量的外围
扩展，完成本系统功能较为困难。采用 AVR ATmega16 单片机，该单片机的特点是内部资
源丰富，运算速度快，性价比高[1]，方便实现本系统功能。从设计要求和性价比两方面比
较，本设计使用 ATMEL16 单片机。
电机驱动芯片
设计要求使用 NEC 提供的 ASSP MCC-1 芯片作为电机控制芯片，单片机系统通过串行
通讯方式给 ASSP MCC-1 芯片发送指令，进一步通过电机驱动芯片 L298N 驱动车体电机。
L298N 响应频率高、稳定性好、性能优良。
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I/O
TXD
RXD
AVR
主控MCU
VDD
UART/SPI
RESET
SLEEP
RXD/SI
TXD/SO
REGC
VSS
CH1DCPWM
CH1DCDIR
CH2DCPWM
CH2DCDIR
CH3DCDIR
CH3DCPWM
MMC-1
VCC
R?
RES2R?
RES2
VSS
C?
CAP
L298N
图 4 电机驱动电路图
音频发射与接收接收装置
音频发射端为蜂鸣器发生，由晶体三极管驱动，直接 I/O 控制其周期性发声。音频接收
器使用驻极体式传声器，其结构简单、体积小、价格低等特点使其应用非常广泛。因为空间
存在大量音频信号，都可能成为干扰信号，所以必须对信号进行滤波处理，防止接收端控制
器接收或发射错误指令。蜂鸣器发声频率为 ,空间环境人说话的音频一般不高
于 2kHz，所以本设计使用高通滤波器，下限截止频率为 2kHz[2]。
+12
R1
10k
R7
3k
R8
3k
C1
224
C2
224
R11
RES2
R12
RES2
R13
RES2
R14
RES2
3
2
1
8
4
U2A
LM358
-12
+12
GND
GNDGND
R15
140K
C7
472
R9
3K
3
2
1
8
4
U3A
LM358
R10
3K
GND
-12
+12
R16
100K
C3
103
C4
103
5
6
7
U2B
LM358
R2
10K
GND
R3
10K
+12
-12
R17
GND
R18
C5
103
C6
103
5
6
7
U3B
LM358
R4
10K
GND
R5
10K
+12
-12
R19
GND
R20
D1DIODE
R21
500
3
2
1
8
4
U4A
LM358
+12
GND
R22
POT2
R6
10K
D2
ZENER3
R23
5K
GND
OUT
U1
接收头
图 5 音频信号检测电路
无线模块的电路
无线收发模块 Newmsg-RF24L01B 具有 全球开放 ISM 频段，最高工作速率
2Mbps，高效 GFSR 调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合。内置硬件 CRC 检错和
点对多点通信地址控制。模块可软件设置地址，只有收到本机地址时才会有数据输出，可直
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接与各种单片机使用，软件编程非常方便[3]。
CE1
CSN2
SCK3
MOSI4
MISO5
IR
Q
6
V
D
D
7
V
SS
8
X
C
2
9
X
C
1
10
VDD_PA 11
ANT1 12
ANT2 13
VSS 14
VDD 15
IR
E
F
16
V
SS
17
V
D
D
18
D
V
D
D
19
V
SS
20
U1
NRF24L01
C8
1nF
C4
C9
10nF
C5
C7
33nF
C6
C3
C2
22pF
C1
22pF
R2
22K
R1
1M
L2
L3
L1
X1
16M
CE
CSN
SCK
MOSI
MISO
IRQ
VCC
50ohm,RFI/O
VCC
1
2
3
4
5
6
7
8
J1
VCCCE
CSN
SCK
MOSI
MISO
IRQ
1
2
J2
CON2
图 6 无线收发模块电路
4．系统的软件设计
系统流程图
图 7 上位机、可移动声源程序流程图
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5．测试结果及结果分析
表 1 ox 右侧任意位置，声源垂直向 ox 运行参数测试表
测量次数 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次
响应时间(s) 7 6 7 6
平均速度(cm/s) 8
定位误差(cm) 2 1 1 2
超过 0X 线左侧距离(cm) -2 1 1 -2
表 2 转向 180 度,声源从任意位置垂直向 ox 运行测试表
测量次数 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次
响应时间(s) 8 7 8 9
平均速度(cm/s)
定位误差(cm) 2 2 1 1
超过 0X 线左侧距离(cm) 2 -2 1 -1
表 3 可移动声源垂直 w 点运行运行测试表
测量次数 第 1 次 第 2 次 第 3 次 第 4 次
平均速度(cm/s) 11 12
距离 W 点直线距离(cm) 1 1 2 2
测试结果分析，系统总体上达到较好的性能。可移动声源能够顺利到达 OX 线和到达 W
点，运动误差在允许范围内，并有明显的声光指示。可移动声源的平均速度均在 5cm/s 以上，
功耗低，性价比较高。声源运动的误差主要来源于测试环境和程序算法中的有关参数的误差。
声音在不同的环境中传播速度是有一定的偏差的。测试环境的不同，造成声音传播速率有小
的误差。另外测试环境中可能存在干扰的声音信号，造成声源控制的偏差。电机脉冲与实际
声源移动速度等比例参数，在调试中测定，免不了引进误差，还可能在使用中被放大[4]。
6.致谢
本论文的撰写离不开张国军老师的指导，在此向张老师表达深深的谢意。
参考文献
[1] 马潮. AVR 单片机嵌入式系统原理与应用实践 北京：北京航空航天大学出版社
[2] 程华英，童诗白. 模拟电子技术基础. 北京. 高等教育出版社
[3] 射频收发芯片 nRF24L01 数据手册
[4] 张德江.计算机控制系统. 北京.机械工业出版社
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Voice guidance system
Gao Shi-Long , Pui Lei , ZHAO-Long
Liaoning Technical University, Institute of Electrical and Control Engineering,
Liaoning Huludao (125105)
Abstract
This article describes the microcontroller based on AVR mega16 the voice guidance system, the system
achieve the right within a certain range of movable sound source to locate and guide book of its move
to the region. To buzzer as the mobile sound source fixed to the electric sound source, the ground-fixed
three sound receiving device, by calculating the sound source and the receiver time to determine the
sound source location and to guide its movement to the designated location. Receiver through the
wireless transmission data with the sound source side of the transceiver to achieve the exact position of
sound source and control.
Keywords: Wireless transmission;voice-guided;SCM
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