反重力智能悬浮音箱的设计与实现*

俞阳 赵金龙 党珂 黎耀膛 李佳新 朱凌

(西安思源学院电子信息工程学院,陕西西安 710038)

在社会日益发展的同时,人的生活水平和对生活质量的要求也不断提高。蓝牙音箱目前成了人们的必需品,蓝牙音箱由于体积小、携带方便,在居家和旅行中受众很广。蓝牙音箱出现的几十年来,也在不断发展。当前市面上有各式各样的蓝牙音箱,主要在造型方面进行了各种新颖设计,增加其美感。

1 磁悬浮控制原理

在电磁线圈被导通后,磁场会在声音周边形成,声音在磁场中会被电磁力吸引。在声音重力与电磁力相同时,作用于声音上,同时平衡声音状态[1]。使用闭环反馈电路后,电流会通过电磁线圈并形成电磁力控制电流,从而维持电磁力和声音的平衡,使声音在空中悬浮并保持平衡[2]。声音位置被位置传感器实时采集,并将位置信号放大,利用控制电路对信号处理。处理结果用于控制电磁线圈中的电流,从而控制声音接收到的电磁力的大小[3]。当声学位置低于设定的平衡位置时,传感器会接收到的位置信号极为明显,同时利用控制电路增加电磁线圈中的电流,用于提高电磁吸引力以使得钢球达到原始平衡中;磁悬浮音响闭环控制系统的一般结构如图1所示[4]。

2 无线充电模块设计

图1 磁悬浮音箱控制原理结构图Fig.1 Control principle structure diagram of magnetic suspension speaker

图2 无线充电原理Fig.2 Wireless charging principle

图3 AD 模块的程序流程图Fig.3 Program flow chart of AD module

无线充电采用当下极为广泛的NFC技术,此技术中的交流电输入直流电是通过交直流模块,通过无线充电协议的高频振荡之后[5],直流电会直流到高频磁场的能量会在放大器中产生,同时磁场会将线圈发送,其中一个线圈位于接收端。在接收磁场能量的同时,将其转化为直流电,充电即可进行,类似于手机信号。最常用的Qi/PMA标准的无线充电电路原理图如图2 所示。

3 数据采集及滤波模块

本设计采用平均值滤波和数据采集模块。以A D 模块来采集音响位置与音响实际位置等信息。测量信号中存在的干扰信号消除问题,可有效使用平均值滤波模块,系统整体可维持平衡稳定。A D 模块的流程图如图3 所示。

4 控制算法运算模块

图4 系统整体软件流程图Fig.4 Overall software flow chart of the system

控制算法运算模块是软件设计中最为核心的设计,本设计采用增量式PID控制算法,通过AD采集的信号,获得增量的值,以便控制输出方波的占空比。PID控制算法都是数字PID控制器,将采样周期概念添加到模拟的PID控制算法中,以便可以实施离散化。采用线性控制器作为本模块控制器,其可以按照给定制和实际输出值来构成控制偏差。与此同时可以将偏差进行比例、积分或微分运算,通过一定规律的线性组合构成控制量对被控制量进行控制,通过使用增量式PID的计算方式,得到出下一个采样周期,得到需要调整的增量,输入该增量后从而完成增量PID控制。

5 反重力软件设计与调试

软件系统的设计主要是针对如何实现磁悬浮的功能,此设计的蓝牙连接和音乐播放功能与市面上的大众智能音箱相同。基于单片机STC89C52开发对软件进行开发,对其软件系统进行设计,软件系统的主要任务是从A D C采集到磁悬浮球位置信号,通过控制算法计算之后,获取到控制量,吸引力的控制通过借助控制电流来实现。系统软件设计计划分成四大模块:系统初始化、数据采集和过滤、控制算法运算、P W M 输出。整体软件流程如图4 所示。

本系统初始化工作状态后,保证P W M 输出、A D、定时、中断及优先级等设置模块。系统调试则通过串口通讯完成测试设备与上位机的通信联调,上位机则由通讯层保证链路调试和通信,将数据信息提取并传递给应用层,应用层可将有效信息存储在数据库层,便于开发人员进行数据分析,如图5串口上位机联调所示,如图6磁悬浮音箱测试设备调试框架所示。

图5 串口上位机联调Fig.5 Serial port upper computer joint debugging

图6 磁悬浮音箱测试设备调试框架Fig.6 Debugging framework of magnetic suspension speaker test equipment

6 系统仿真

在科技的进步下,许多设计部门重要的测试方法使用的都是仿真。拥有灵敏,结果准确的特点。使用仿真技术可使设计时间大为缩短、成本大为减少,同时可以降低制造失败的风险性。工具软件采用Proteus,其具有模拟单片机原件的功能,也具有传统EDA工具所具有的全部功能。Proteus可以在多种情境下的模拟仿真,不管是进行原理的设计还是单片机的协同工作,都能够较好的进行模拟完成。

首先在Proteus工具软件进行初始化测试,通过该软件的示波器检测单片机的I/O 口输出,检测初始化是否有效,在出现错误之后,通过校正来满足所需的参数设置。并且在无线充电模块中,测试该软件,调试输出程序,观察电流的输出状态,以及输出值是否合理来推断出该模块软件的编写的准确性。

7 结语

反重力智能悬浮音箱则兼具了外观设计和技术创新,采用磁悬浮技术将产品更加艺术化、科技化。本设计优势在于更加便捷的同时,让人们在享受科技的同时聆听美妙的音乐。本设计的独特性在于磁悬浮技术让音箱更具观赏性和可玩性,为用户所在环境提供别样的科技感,不仅可以作为音响来播放音乐,还可以作为工艺品展现现代科技之妙。另一方面磁悬浮技术与无线充电技术完美融合,是技术上的革新。本设计是一款反重力智能悬浮音箱,采用磁悬浮技术,改变了传统的大众化音箱形象,是时代进步的产物,比较符合现代年轻人的审美,较普通音箱更能减低损耗,使声音变得优美动听,拥有全新的视听感受。