D题 声音定位系统

题目：声音定位系统（D题）

摘要:

为了满足声音定位系统的设计要求，进行了各单元模块电路方案的比较论证及确定，本设计系统采用低功耗16位单片机、MSP430F169、两块TI高速作为主控芯片，其中核心部分的三个主要功能模块是控制模块、声响模块和声音接收模块，四个500HZ声音的采集由一块单片机进行控制，速度快，计算结果精准；声响模块的发声由另一块单片机产生一个500HZ的声音信号，通过功放电路，驱动低音扬声器发声，功耗低，调节灵活；声音接收模块由LM358搭建的前级放大电路和LM567搭建500HZ鉴频电路组成。本设计数据处理主要用取差值查表的方法来定位，这种测算方法相对于其它算法具有速度快，编程简单的优点，而且经过测试实验精确度完全满足题目3cm的要求。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，完成题目的大部分的要求。

关键词：500HZ声音采集、鉴频、功率放大、查表算法

Abstract:

In order to satisfy the design requirements of the sound localization system, The program of each unit module circuit demonstration and determine,This design system uses low-power 16-bit MCU,MSP430F169 and TI high-speed as the main chip,The three main functional modules of core part is control module, sound modules and sound receiver module,The 500HZ sound collected by a MCU, fast, precise, accurate calculation;The sound of sound module to produce 500HZ sound signal by MCU.Through the power amplifier circuit driven bass speaker sound, low power consumption and flexible adjustment;the sound receiver module structures preamplifier circuit by LM358 and LM567 structures 500HZ frequency discriminator circuit.The sound receiver module preamplifier circuit built by LM358 and LM567 built 500HZ frequency discriminator circuit.

Data processing of the design is mainly used to take the difference between the look-up table method to locate,This calculation method has a fast and simple programming advantages compared to other algorithms,

Tested the accuracy of fully satisfy the subject requirements 3cm.

The final experiments show that the system fully meets the design requirements to complete the subject requirements.

Keywords: 500HZ sound acquisition, frequency, power zoom, look-up table algorithm

目录

1 方案的论证与讨论 (3)

1.1 设计任务与要求 (3)

1.1.1 设计任务 (3)

1.1.2 基本要求 (3)

1.1.3 发挥部分 (4)

1.2 设计分析 (4)

1.3 各模块方案论证与选择 (5)

1.3.1 声音信号发生模块 (5)

1.3.2 声音信号发射模块 (5)

1.3.3 声音信号接收模块 (5)

1.3.4 声音信号放大模块 (5)

1.3.5 声音信号鉴频模块 (6)

2 理论分析与计算 (6)

2.1 声响模块 (6)

2.2 声音接收发大器 (6)

2.3 数据处理原理 (7)

3 电路与系统设计 (7)

3.1 声响模块电路 (7)

3.2 声音接收放大器电路 (8)

3.2.1 声音接收电路 (8)

3.2.2 声音前级放大电路 (8)

3.2.3 声音后级鉴频电路 (9)

3.4 程序设计及流程图 (10)

4 测试方案与测试结果 (11)

4.1 测试检测所用仪器和设备 (11)

4.2 指标测试及其结果 (11)

4.3 测试结果分析 (11)

5 结论 (11)

参考文献 (11)

附录 (11)

1 方案的论证与讨论

1.1 设计任务与要求

1.1.1 设计任务

设计一套声音定位系统。在一块不大于1m2的平板上贴一张500mm×350mm 的坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模块，声音接收模块通过导线将声音信号传输到信息处理模块，声音定位系统根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音信号，判定声响模块所在的位置坐标。系统结构示意图如图1.1.1所示。

图1.1.1 声音定位系统结构示意图

1.1.2 基本要求

(1) 设计制作一个声响模块，含信号产生电路、放大电路和微型扬声器等，每按键一次发声一次，声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW。

(2) 设计制作四路声音接收模块，由麦克风、放大电路等组成，并分别与信息处理模块相连接，以便将频率为500Hz左右的信号传送至信息处理模块。

(3) 设计制作一个信息处理模块，要求该模块能根据从声音接收模块传来的信号判断声响模块所在位置的x、y坐标，并以数字形式显示x、y坐标值，位置坐标值误差的绝对值不大于30mm。

1.1.3 发挥部分

(1) 改善接收信号的放大电路性能，改进算法，进一步提高定位精度。

(2) 控制声响模块以不间断的连续周期波的形式发出声音信号，其基波频率为500Hz左右。当声响模块在坐标纸上移动时，声音定位系统能连续跟踪显示声响模块的x、y坐标值，随机停止声响模块的移动，能立即稳定地显示声响模块的x、y坐标值，误差的绝对值不大于10mm。

(3) 具有显示声响模块移动轨迹的功能。当声响模块在坐标纸上按指定路径移动时，液晶显示屏能动态显示声响模块移动的轨迹，显示的轨迹与声响模块移动的路径一致。

(4) 其它。

1.2 设计分析

成功实现本设计的要求，系统必具备以下功能：500Hz声源发声、接收声音、信号放大滤波、声源定位等功能。其主要的系统可划分为：电源、控制、发声、声音接收和滤波鉴频等基本模块。

在整体的方案上，发声模块的主控芯片上本设计使用一款超高速、低功耗TI单片机MSP430，在发声模块使用单片机可以通过编程的方式灵活的改变控制发声的频率和波形，并且不用另外设计555震荡电路来获得500HZ基准发声频率，由于MSP430芯片具有很低的功耗，可以适应发生模块的功率低于200MW 的要求。在总体电路设计思路上上，由于声响模块产生的信号在由声响接收模块接收到的是十分微弱的信号，要捕获这个微弱的500HZ的声音信号，就必须要对接收模块的信号进行放大，采用了两级比例放大电路，经过实际测量，大约可以将信号放大100倍左右。由于环境中还有着各种不同频率的噪声，在经过放大电路的放大后同样被放大了，所以必须要把相应的频率过滤出来，即要有一个中心频率为500Hz的抗干扰滤波电路，本设计选用了LM567作为滤波鉴频芯片。此系统结构框图如下所示：

图1.2.1 系统框图

1.3 各模块方案论证与选择

根据题目的要求，系统主要可分为控制器模块、声音信号发生模块、声音信号发射模块、声音信号接收模块、电源模块、显示模块。

1.3.1 声音信号发生模块

方案一：采用单片机产生频率为500HZ的方波声音信号，通过功放电路，驱动低音扬声器发声，功耗低，调节灵活。该程序比较容易实现，且不会占用单片机太多资源。

方案二：采用555定时器来实现，声音信号采用NE555产生频率为500Hz 的方波。它的作用是用内部的定时器来构成时基电路。外部通过简单的电路可获得所得的信号。从而实现固定频率的声音输出，但是不是很精准。

综上所述，方案二不是很成熟而且不稳定，经过讨论采取方案一。

1.3.2 声音信号发射模块

方案一：用喇叭进行声源发射，即采用低音扬声器作为声源，将电信号转变为声信号。将单片机产生的频率为500Hz的信号接在扬声器的接收端，扬声器能发出强度比较大的声音信号。

方案二：采用无源蜂鸣器进行声源发射。无源蜂鸣器通过外接输入任意频率方波从而发声，声音清晰，消耗功率较少。

综上所述，决定用低声扬声器，其性价比较高，经过讨论采取方案一。

1.3.3 声音信号接收模块

方案一：用压电式声敏传感器。压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成一种能实现声-电转换器件。但压电声敏传感器不是常用器件，价格较贵。

方案二：采用电容式驻极体话筒（咪头）。该元件能将一般的声音信号转化为电信号。价格便宜，便于设计，之后再自行设计滤波与放大电路，一起构成声音信号接收模块。

综上所诉，压电式声敏传感器不是很适合本设计，经过讨论采取方案二。

1.3.4 声音信号放大模块

方案一：采用单管放大电路，使用NPN型三极管9018组成单管放大电路，通过电阻值的配合设置合适的静态工作点，并且后级设计一个电压比较器，将放大后的信号和滑动变阻器分得的电压比较，设置合适的电压比较器的值，就可以把一定响度的环境信号过滤掉，同时将环境声音信号转换成占空比不同的方波信号，便于单片机的后期处理。电路结构简单，成本很低，而且电路的灵敏度是可调的。但是单个三极管的放大倍数不高，所接收的声音响度受三极管静态工作点

的影响很大，而且静态工作点的确定需要反复调节，过程非常繁杂。

方案二：采用运算放大器组成多级放大电路。利用运算放大器组成放大电路的方案比较成熟，而且放大电路组成的比例放大电路其放大的倍数是可调的，通过改变电阻的比值就可以自由的调节放大倍数，因而就可以自由改变电路的灵敏度。此方案的优点是比例放大电路方案比较成熟，而且放大倍数可调。缺点是电路的干扰比较大。

综上所诉，比较优缺点还是多级运算放大器更加成熟稳定，经过讨论采取方案二。

1.3.5 声音信号鉴频模块

方案一：使用鉴频芯片LM567作为音频处理芯片，再进行频率的比较，若频率中存在500HZ频率的声音，从而进行滤波鉴频。

2 理论分析与计算

2.1 声响模块

声响模块是由低声扬声器（喇叭）产生生源信号。该单独的声源模块供电电压为5V，经过测量后电路中的电流在35mA左右。功率计算公式：

P=U*I；

经计算声源模块的功耗约为175mW左右，该系统要求的声响模块功率低于200mW，所以经过该计算本设计符合设计标准。

2.2 声音接收发大器

声音接收放大器中的数据计算主要有两个部分，即滤波计算部分和放大计算部分。

滤波部分的主要功能是滤去500Hz以外的噪声干扰，采用带通滤波的原理，通过RC电路产生500Hz的波形和声源进行比较，达成滤波鉴频的效果。

放大部分的主要功能是将小信号放大，由于由咪头直接接收到的声音信号比较微弱难以处理，所以要将其放大，才有二级放大电路，一共放大大约100倍左右。

2.3 数据处理原理

数据的处理主要在于通过声响模块的500Hz频率声波的传播到达声音接收模块经过滤波放大，精确的计算出去除噪声后的真实时间，如图2.3.1所示，设坐标纸为图中的矩形ABCD。声源在点O，拾音器分别位于矩形四角A、B、C、D。声源到A点的距离为La，到B点的距离为Db，到C点的距离为Lc，到D点的距离为Ld。分别经过时间Ta，Tb，Tc，Td后，声音接收器A、B、C、D接收到信号，然后可以计算出三个时间差值t1，t2，t3，声音传播速度为v。通过下列算法后可计算出声源O的坐标值（x,y）：

图2.3.1 定位计算示意图

计算声响模块的计算公式如下：

3 电路与系统设计

3.1 声响模块电路

发声模块是由单片机控制的，通过单片机的控制，按下开关按钮后，单片机产生持续1s的500Hz频率的波形，再输入到本模块之中，通过LM386实现电压增益，从而使得波形的幅值增大，产生高强度低失真的声音信号，便于触发接收模块。

下图3.1.1为发声模块电路图

图3.1.1为发声模块电路图

3.2 声音接收放大器电路

声音接收放大器电路主要由三部分构成，为接收、滤波、放大这三部分，接收由发声模块所发出的500Hz信号，由于周围环境肯定会有其他声音的干扰，所以要准确的确定是声响模块发出的声音必须要进行滤波，并且由于直接接收的信号比较微弱，所以要进行信号的放大。

3.2.1 声音接收电路

本部分直接用咪头进行接收，不多做介绍。

3.2.2 声音前级放大电路

采用运算放大器组成多级放大电路。通过改变电阻的比值就可以自由的调节运算放大电路的放大倍数从而自由的调节电路的灵敏度。本设计采用两级比例放大器级联的形式，总放大倍数可以达到约100倍，后级放大的比例电阻设计成滑动变阻器的形式，这样，本设计就可以通过调节滑动变阻器来调节放大倍数，以适应当时检测环境，进行微调。在运放的选择上，本设计采用LM358。LM358由两个独立、高增益内部频率、宽电压范围运算放大器。此款芯片有100dB的大直流电压增益和0～1.5V的电压变率。这款芯片的工作电压比较宽，在3～32V 范围内都可以正常的工作。本小组用一块LM385组成两个级联的反向运算放大电路，信号经过两级反向放大之后，在整个电路来看就是正向实时放大的。同时在放大器级间耦合的时候使用了一个0.1uf的电容起到隔直通交的作用，其电路原理图如图所示：

图3.2.2 前级放大电路原理图

3.2.3 声音后级鉴频电路

使用鉴频芯片LM567作为音频处理芯片，将从麦克风接收的频率，经过放大器之后的所有经过放大的频率送入LM567的输入管脚，和RC振荡电路产生的500HZ 频率进行比较，若频率中存在500HZ频率的声音，则LM567 的OUT口就会输出一个低电平从而送入单片机进行识别，通过接收模块的所接收低电平的时间差来计算不同接收模块距离声源的距离差，由此通过后面的计算公式来给声源定位，其原理图如下所示：

图3.2.3 滤波鉴频电路原理图

3.4 程序设计及流程图

4 测试方案与测试结果4.1 测试检测所用仪器和设备4.2 指标测试及其结果

4.3 测试结果分析

5 结论

参考文献

附录