声音定位系统

2014年重庆理工大学电子设计竞赛

声音定位系统（C题）

摘要：本系统使用STM32产生频率为500Hz的正弦波信号，该信号用LM386进行功率放大及驱动后输入到蜂鸣器作为声源。接收部分使用拾音器进行接收，首先对接收的信号经过同相放大，使变化的电流信号转换为变化的电压信号。然后经过由OP07组成的有源带通滤波器，该滤波器的中心频率为

500Hz，带宽为100Hz，增益为1倍，去除周围环境的声波，滤波后的信号正好是蜂鸣器发出的声音信号。再对滤波后的两路信号经过相移检测电路，可以把滤波后的正弦波转换为方波，以便单片机STM32对相位差信号进行捕获。声源定位是通过对四个拾音器接收到相位差信号进行处理，经过一套比较完善的算法可得声源的坐标，即可进行声源定位。

关键词：500Hz 声音定位 STM32

一、系统方案

1.声音信号产生的选择

方案一：采用NE555产生频率为500Hz的方波用来作为声音信号。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。该电路搭建比较简单，原理易于理解，电路中元器件参数也比较好计算。

方案二：用单片机STM32来产生频率为500Hz的正弦波用来作为声音信号。该正弦波信号的产生实质上是将正弦波转换的到的数组存入单片机，经DA转换输出正弦波。

方案比较：方案一中，用NE555产生信源不是很稳定，波形不太规范且信号的频率不固定，这样的信号对本系统不太合适。方案二中，用软件来产生信号，该信号很稳定，是比较标准的频率为500Hz的正弦波信号，而且，产生波形比较灵活，从而为发挥部分做好准备。因此选择方案二。

2.声源的选择

方案一：采用低音扬声器作为声源。扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件。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：采用无源蜂鸣器作为声源。无源蜂鸣器在提供一定频率的正弦波震荡源时，能够发出声音。试验中用无源蜂鸣器发声时，声音比较清晰，但声音强度比扬声器稍弱。

方案比较：这里选择方案二。

3.滤波方案的选择

方案一：用RC无源滤波器。通过计算可以较方便的通过匹配电阻电容得出所需要的通频带。该滤波电路抗干扰性较强，有较好的低频特性，并且选用标准的阻容元件易得。

方案二：用有源滤波器。有源滤波器是利用可关断电力电子器件，产生与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反地电流来抵消谐波的滤波装置。

有源滤波器除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。

方案比较：方案一中，谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的，并且通频带比计算出的要宽，不太符合设计要求。方案二中，电路比较复杂，但通过匹配后能较好的完成带通滤波，能达到预期的要求。因此选择多路负反馈二阶有源带通滤波器，即方案二。

二、定位算法理论分析与计算

根据题目要求，A,B,C,D 为声音接收模块，现对元坐标系进行坐标变换，以A 点为坐标原点，建立笛卡尔坐标系，动点P(x,y)至点A,B,C,D 的距离之差为一常数，建立数学模型：

221122

2

=b C a C -?-令，得：

123112233

2211...............................=C cos C sin C (C sin )..............t v t v t v t v x R t v y R t v R b b C θθθ=?-=?-=?? = ?= = ?=+=- ①②③令原方程转化为： 2④

22222223322112

2

22

(C cos ).............(C cos +sin ).............C +sin =C cos R a a C R a b a b C b b C a a C θθθθθ +=- +=+--+-2⑤

2⑥④

得：⑤

122

11=arctan arccos

2(sin )

C C b

a b C R C b θθ?-+?-=

+

三、电路与程序设计

1. 声响模块电路设计

声响模块是由STM32单片机输出频率为500Hz 的正弦波，然后从单片机引脚输出，输出的信号经过功率放大电路放大后，再接入到蜂鸣器，驱动发声。

2. 声音接收放大器电路设计

接收部分是用拾音器接收声音信号。由于拾音器接收到的信号在不经过放大时信号很小，不易检测，故后级利用放大电路将接收的信号进行处理。

图 1 放大电路

3. 测量、数据处理电路设计

根据要求只有当接收到的信号为500Hz 时，我们才能保证接收到的信号是由声源发出的。而拾音器接收到的声音信号是任意频率的，故此 处要进行滤波处理。滤波采用的是带通滤波器，通过电容电阻的匹配，

最终滤波器的中心频率为500Hz，带宽为50Hz。拾音器接收到的信号经过带通滤波器后，能够将声源发出的信号滤出，正符合本题要求。

图 2 二阶有源滤波电路

滤波后的信号为正弦波，但该信号不便于用单片机进行处理，故在后级加入了相移检测电路。其基本功能是对两路正弦波信号进行比较，并根据比较结果输出一路方波信号。并由此来判断声音信号的位置差。能够用单片机然后用单片机进行捕获处理，效果比较满意。

图 3 相移检测电路

4.程序设计

4.1该系统程序设计主要分为四部分：

○1用STM32产生500hz正弦波；

○2利用STM32的输入捕获捕获相移检测电路后的方波信号；

○3利用定位算法，通过单片机对检测到的相位差信号进行处理，得到声源位置坐标；

○4将得到的声源位置坐标送TFT屏显示，并将位置坐标存入数组中，实现连续显示声源位置轨迹的功能

四、测试方案与测试结果

1.测试方法与仪器

声源定位测试方法：将声源放在坐标纸上的任意坐标，不让声源发声，

记下坐标值（x0,y0）。然后启动声源，让声源发出1s左右的声音信号，同时单片机接收信号后开始进行计算，计算出的坐标值（x1,y1）通过

TFTLCD屏显示出来。

2.测试结果与分析

该系统的软件部分设计经验证，实现了捕获、处理、定位功能，如图所示为当声源信号位于（200,100）mm位置时，通过单片机定位算法得到的位置坐标：

图 4 捕获的到的高电平及单片机处理得到的位置信息

该系统的缺陷为功率放大模块和滤波模块没有做好，滤波模块实际滤波中心频率约为460hz，带宽100hz。效果不够理想。

五、思考与总结

经过几天的努力，终于基本完成了声音定位系统的制作与程序设计，在此过程中，收益颇多，熟悉了功放、滤波、放大等模块的制作以及如何利用STM32单片机完成一个系统设计等。在此过程中也认识到了许多不足，为以后的学习指明了方向。

六、参考文献（略）

七、附录

1、主程序

#include "led.h"

#include "delay.h"

#include "key.h"

#include "sys.h"

#include "lcd.h"

#include "usart.h"

#include "timer.h"

#include "math.h"

//全局变量x，y为坐标，以坐标纸左下角为原点，单位mm s32 xx=0,yy=0;

u8 xp=0,yp=0;

u8 xp1=0,yp1=0;

u16 cap_num1=0,cap_num2=0;

u32 sum1=0,sum2=0;

s16 t1=0,t2=0;

u16 pointx[280];//定义点的位置数组

u16 pointy[280];

u8 DrawLine_flag=0;//定义画线标志位

extern u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA; //输入捕获状态

extern u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值

extern u8 TIM5CH2_CAPTURE_STA; //输入捕获状态

extern u16 TIM5CH2_CAPTURE_VAL; //输入捕获值

void Display_Change(void);

//对声源信号进行处理，得到声源位置

//当t1、t2情况为负值时，情况如何？

void pxf(int t1,int t2)

{

int a=500;

int b=350;

float v=340;

float c1=t1*v/1000;

float c2=t2*v/1000;

float delta=(b*b-c1*c1)/(a*a-c2*c2);

float

sita=atan2(b,delta*a)+acos((c2*delta-c1)/sqrt(delta*delta*a*a+b*b));

float R=(b*b-c1*c1)/2/(c1+b*sin(sita));

xx=-R*cos(sita);

yy=R*sin(sita);

}

int main(void)

{

u32 temp1=0,temp2=0;

u16 i=0,j=0;

Display_Change();//通过读取A3管脚IO口的状态选择打点还是画线

delay_init(); //延时函数初始化

NVIC_Configuration(); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级

uart_init(9600); //串口初始化为9600

LED_Init(); //LED端口初始化

LCD_Init();

TIM3_Int_Init(1999,719);//每5ms进一次定时器3中断，进行液晶屏显示

TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1); //以1Mhz的频率计数（每计数一次为1u 秒）

POINT_COLOR=RED;

LCD_Clear(YELLOW);//背景色为黄色

LCD_ShowChar(10,210,'(',16,0);

LCD_ShowChar(90,210,')',16,0);

LCD_ShowChar(50,210,',',16,0);

while(1)

{

for(i=0;i<400;i++) //进行400次输入捕获，理论应该执行800ms，待验证

{

if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功完成一次捕获

{

cap_num1++;

temp1=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;

temp1*=65536; //溢出时间总和

temp1+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间

sum1+=temp1;

TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获}

if(TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X80)//成功完成一次捕获

{

cap_num2++;

temp2=TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X3F;

temp2*=65536; //溢出时间总和

temp2+=TIM5CH2_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间

sum2+=temp2;

TIM5CH2_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获}

}

t1=sum1/cap_num1;//求平均值，提高捕获精度

printf("\r\n通道1High:%d us\r\n",t1);

sum1=0;

cap_num1=0;

t2=sum2/cap_num2;

printf("\r\n通道2High:%d us\r\n",t2);

sum2=0;

cap_num2=0;

pxf(t1,t2);

xp=xx/2.5;

yp=140-yy/2.5;

if(xp>10&&xp<210&&yp>10&&yp<150)//判断点的坐标是否在正常范围内

{

//把点存入数组

if(xp!=xp1 | yp!=yp1)

{

pointx[j]=xp;

pointy[j]=yp;

j++;

if(j==280)//只存280个点的位置

{

j=0;

}

xp1=xp;//将上一次的位置值进行保存，与下一次进行比较，看是否有变化

yp1=yp;

}

}

}

}

2、定时器部分程序

#include "timer.h"

#include "led.h"

#include "usart.h"

#include "lcd.h"

extern s32 xx,yy;

extern u8 xp,yp;//注意：对变量声明时不可以同时进行赋值

extern u8 xp1,yp1;

extern u8 DrawLine_flag;

//在定时器3中断中进行液晶显示

void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)

{

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //时钟使能

//定时器TIM3初始化

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM

向上计数模式

TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE ); //使能指定的TIM3中断,允许更新中断

//中断优先级NVIC设置

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化NVIC寄存器

TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIMx

}

//定时器3中断服务程序（声源位置显示）

void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中断

{

if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查TIM3更新中断发生与否

{

TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); //清除TIMx更新中断标志

LCD_ShowNum(20,210,xx,3,16);//显示数字

LCD_ShowNum(65,210,yy,3,16);

LCD_DrawRectangle(10, 10, 210, 150);//画矩形

LCD_DrawPoint(xp,yp);//画点

if((xp!=xp1 | yp!=yp1)&&DrawLine_flag==1)

{

LCD_DrawLine(xp1, yp1, xp, yp);

ShowChinese(10,170);//显示汉字

}

}

}

//定时器5通道1和通道2输入捕获配置

TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;

void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)

{

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE); //使能TIM5时钟

RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA时钟

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1; //PA0 清除

之前设置

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 下拉输入

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);

//初始化定时器时基参数 TIM5

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值

TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //预分频器

TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim

TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM 向上计数模式

TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

//初始化TIM5输入捕获1参数

TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TI1上

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器不滤波

TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

//初始化TIM5输入捕获2参数

TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2; //CC1S=01 选择输入端 IC1映射到TI1上

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频

TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器不滤波

TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);

//中断分组初始化

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; //TIM5中断

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级2级

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器

TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1|TIM_IT_CC2,ENABLE);//

允许更新中断 ,允许CC1IE捕获中断

//TIM_IT_CC1：TIM捕获/比较1中断源

TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定时器5

}

u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态

u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值

u8 TIM5CH2_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态

u16 TIM5CH2_CAPTURE_VAL; //输入捕获值

//定时器5中断服务程序

void TIM5_IRQHandler(void)

{

//通道1进行捕获

if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//表示还未成功完成捕获

{

if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET) //表示更新中断已经发生

{

if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//表示已经捕获到高电平了

{

if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//判断高电平太长了

{

TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//强制标记成功捕获了一次

TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;

}

else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;

}

}

if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)//表示捕获1发生捕获事件

{

if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) //表示捕获到一个下降沿

{

TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获了一次

TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5); //得到高电平的值

TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising);

//CC1P=0 设置为上升沿捕获

}

else //还未开始,第一次捕获上升沿

{

TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //清空

TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;

TIM_SetCounter(TIM5,0);

TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿

TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling);

//CC1P=1 设置为下降沿捕获

}

}

}

//通道2进行捕获

if((TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X80)==0)//表示还未成功完成捕获

{

if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET) //表示更新中断已经发生

{

if(TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X40)//表示已经捕获到高电平了

{

if((TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//判断高电平太长了