反重力智能懸浮音箱的設計與實現(xiàn)*

俞陽 趙金龍 黨珂 黎耀膛 李佳新 朱凌

(西安思源學院電子信息工程學院,陜西西安 710038)

在社會日益發(fā)展的同時,人的生活水平和對生活質(zhì)量的要求也不斷提高。藍牙音箱目前成了人們的必需品,藍牙音箱由于體積小、攜帶方便,在居家和旅行中受眾很廣。藍牙音箱出現(xiàn)的幾十年來,也在不斷發(fā)展。當前市面上有各式各樣的藍牙音箱,主要在造型方面進行了各種新穎設計,增加其美感。

1 磁懸浮控制原理

在電磁線圈被導通后,磁場會在聲音周邊形成,聲音在磁場中會被電磁力吸引。在聲音重力與電磁力相同時,作用于聲音上,同時平衡聲音狀態(tài)[1]。使用閉環(huán)反饋電路后,電流會通過電磁線圈并形成電磁力控制電流,從而維持電磁力和聲音的平衡,使聲音在空中懸浮并保持平衡[2]。聲音位置被位置傳感器實時采集,并將位置信號放大,利用控制電路對信號處理。處理結(jié)果用于控制電磁線圈中的電流,從而控制聲音接收到的電磁力的大小[3]。當聲學位置低于設定的平衡位置時,傳感器會接收到的位置信號極為明顯,同時利用控制電路增加電磁線圈中的電流,用于提高電磁吸引力以使得鋼球達到原始平衡中;磁懸浮音響閉環(huán)控制系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖1所示[4]。

2 無線充電模塊設計

圖1 磁懸浮音箱控制原理結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Control principle structure diagram of magnetic suspension speaker

圖2 無線充電原理Fig.2 Wireless charging principle

圖3 AD 模塊的程序流程圖Fig.3 Program flow chart of AD module

無線充電采用當下極為廣泛的NFC技術(shù),此技術(shù)中的交流電輸入直流電是通過交直流模塊,通過無線充電協(xié)議的高頻振蕩之后[5],直流電會直流到高頻磁場的能量會在放大器中產(chǎn)生,同時磁場會將線圈發(fā)送,其中一個線圈位于接收端。在接收磁場能量的同時,將其轉(zhuǎn)化為直流電,充電即可進行,類似于手機信號。最常用的Qi/PMA標準的無線充電電路原理圖如圖2 所示。

3 數(shù)據(jù)采集及濾波模塊

本設計采用平均值濾波和數(shù)據(jù)采集模塊。以A D 模塊來采集音響位置與音響實際位置等信息。測量信號中存在的干擾信號消除問題,可有效使用平均值濾波模塊,系統(tǒng)整體可維持平衡穩(wěn)定。A D 模塊的流程圖如圖3 所示。

4 控制算法運算模塊

圖4 系統(tǒng)整體軟件流程圖Fig.4 Overall software flow chart of the system

控制算法運算模塊是軟件設計中最為核心的設計,本設計采用增量式PID控制算法,通過AD采集的信號,獲得增量的值,以便控制輸出方波的占空比。PID控制算法都是數(shù)字PID控制器,將采樣周期概念添加到模擬的PID控制算法中,以便可以實施離散化。采用線性控制器作為本模塊控制器,其可以按照給定制和實際輸出值來構(gòu)成控制偏差。與此同時可以將偏差進行比例、積分或微分運算,通過一定規(guī)律的線性組合構(gòu)成控制量對被控制量進行控制,通過使用增量式PID的計算方式,得到出下一個采樣周期,得到需要調(diào)整的增量,輸入該增量后從而完成增量PID控制。

5 反重力軟件設計與調(diào)試

軟件系統(tǒng)的設計主要是針對如何實現(xiàn)磁懸浮的功能,此設計的藍牙連接和音樂播放功能與市面上的大眾智能音箱相同?；趩纹瑱CSTC89C52開發(fā)對軟件進行開發(fā),對其軟件系統(tǒng)進行設計,軟件系統(tǒng)的主要任務是從A D C采集到磁懸浮球位置信號,通過控制算法計算之后,獲取到控制量,吸引力的控制通過借助控制電流來實現(xiàn)。系統(tǒng)軟件設計計劃分成四大模塊:系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集和過濾、控制算法運算、P W M 輸出。整體軟件流程如圖4 所示。

本系統(tǒng)初始化工作狀態(tài)后,保證P W M 輸出、A D、定時、中斷及優(yōu)先級等設置模塊。系統(tǒng)調(diào)試則通過串口通訊完成測試設備與上位機的通信聯(lián)調(diào),上位機則由通訊層保證鏈路調(diào)試和通信,將數(shù)據(jù)信息提取并傳遞給應用層,應用層可將有效信息存儲在數(shù)據(jù)庫層,便于開發(fā)人員進行數(shù)據(jù)分析,如圖5串口上位機聯(lián)調(diào)所示,如圖6磁懸浮音箱測試設備調(diào)試框架所示。

圖5 串口上位機聯(lián)調(diào)Fig.5 Serial port upper computer joint debugging

圖6 磁懸浮音箱測試設備調(diào)試框架Fig.6 Debugging framework of magnetic suspension speaker test equipment

6 系統(tǒng)仿真

在科技的進步下,許多設計部門重要的測試方法使用的都是仿真。擁有靈敏,結(jié)果準確的特點。使用仿真技術(shù)可使設計時間大為縮短、成本大為減少,同時可以降低制造失敗的風險性。工具軟件采用Proteus,其具有模擬單片機原件的功能,也具有傳統(tǒng)EDA工具所具有的全部功能。Proteus可以在多種情境下的模擬仿真,不管是進行原理的設計還是單片機的協(xié)同工作,都能夠較好的進行模擬完成。

首先在Proteus工具軟件進行初始化測試,通過該軟件的示波器檢測單片機的I/O 口輸出,檢測初始化是否有效,在出現(xiàn)錯誤之后,通過校正來滿足所需的參數(shù)設置。并且在無線充電模塊中,測試該軟件,調(diào)試輸出程序,觀察電流的輸出狀態(tài),以及輸出值是否合理來推斷出該模塊軟件的編寫的準確性。

7 結(jié)語

反重力智能懸浮音箱則兼具了外觀設計和技術(shù)創(chuàng)新,采用磁懸浮技術(shù)將產(chǎn)品更加藝術(shù)化、科技化。本設計優(yōu)勢在于更加便捷的同時,讓人們在享受科技的同時聆聽美妙的音樂。本設計的獨特性在于磁懸浮技術(shù)讓音箱更具觀賞性和可玩性,為用戶所在環(huán)境提供別樣的科技感,不僅可以作為音響來播放音樂,還可以作為工藝品展現(xiàn)現(xiàn)代科技之妙。另一方面磁懸浮技術(shù)與無線充電技術(shù)完美融合,是技術(shù)上的革新。本設計是一款反重力智能懸浮音箱,采用磁懸浮技術(shù),改變了傳統(tǒng)的大眾化音箱形象,是時代進步的產(chǎn)物,比較符合現(xiàn)代年輕人的審美,較普通音箱更能減低損耗,使聲音變得優(yōu)美動聽,擁有全新的視聽感受。