声音定位系统设计报告

参赛学生：王学庆宋辉尚翰指导教师：段英宏

学校：天津科技大学

院系：电信学院

声音定位系统设计与总结报告

摘要：

本文描述了声音定位系统的设计原理和实现方法。该系统由XS128单片机控制，利用555电路产生500HZ电平信号。主控制器利用不同声音接收器间产生的误差信号，并通过合适的算法定位其运动。系统最大特点在于软件设计采用层次化、模块化的设计方法，使得复杂数学模型和控制算法得以简化和快速开发。经调试和测试，系统各项性能参数已基本达到设计指标。且本系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节。

关键词：

声音定位 SX128单片机 555电路算法

Abstract

This paper describes the sound positioning system design principle and method of the system XS128 single-chip microcomputer control, use 555 HZ level signal circuitry 500 main controller using different voices in the generation between receiver the error signals, and through the appropriate algorithm positioning their movement system lies with the software design by the greatest feature hierarchical modular design method, make complex mathematical model and control algorithm to simplify and rapid development by commissioning and testing, the system has basically achieve their performance parameters and the system design index in the design process and low power consumption attention to details such as high performance.

目录

一、系统方案

（1）处理器的选择 (4)

（2）声源以及声音检测器的选择 (4)

（3）控制算法的选择 (5)

二、理论设计与论证

1．设计任务 (6)

2. 声响模块分析、计算.............. . (7)

4.数据处理原理分析、计算 (7)

3.声音接收放大器分析、计算 (7)

三、电路与程序设计

1．声响模块电路设计 (7)

3. 测量、数据处理电路设计及程序设计流程图 (7)

2．声音接收放大器电路设计 (9)

四、测试方案与测试结果 (10)

五、参考文献 (10)

六、结束语 (11)

七、附录 (11)

.

一、系统方案

1．方案比较与论证

（1）处理器的选择

方案一：采用51 单片机控制。其优点是价格便宜，应用广泛，资料比较容易搜集。但是功能较弱，不适于复杂的系统控制。

方案二：采用飞思卡尔公司的XS128 单片机。XS128是高性能、低功耗的16 位微处理器，功能强大，IO 端口数量多，有丰富的定时器计数器以及中断接口，集成有可工作于主机/从机模式的SPI 串行接口，并且支持JTAG 在线调试，使用方便。

考虑到XS128单片机功能强大和使用熟练程度比较高，并且数据计算要求较高，所以选用方案二，

（2）声源以及声音检测器的选择

方案一：采用蜂鸣器等发声器件作为声源，使用放大电路连接LM567 集成音频选频芯片所组成的具有选频功能的声音开关电路检测出蜂

鸣器的固有频率信号。由于加入了音频选频，抗干扰能力强，能很轻松地滤除杂声干扰，检测到给定频率的声音信号。

方案二：采用蜂鸣器等发声器件作为声源，用MIC、三极管放大电路和比较器等器件组成的简单声音开关电路检测声源的音频信号，由于比较器的滤除一大部分杂音干扰，可在环境干扰较少的情况下使用。优点：设计原理简单，可360°多方位检测。缺点：受环境杂声干扰较大，需要环境较为安静。若加入选频和滤波电路，会增加系统的复

杂程度。

通过实际测试，LM567 芯片选频性能优越，但是其信号输入到输出的响应时间不稳定，随机性给通过声波测距的算法带来很大随机误差，不适用，所以选取方案二

（3）控制算法的选择

方案一：从移动声源通过无线模块发送一个指令给主机，同时可移动声源发出一个音频信号。主机在接收到无线指令后开始计时，直到接收到移动声源发出的音频信号为止，通过计数值转化为时间参数，进而得到距离参数。A、B、C三个声音接收器与可移动声源的距离得到，即可准确定位出移动声源的位置，得到误差信号。优点：可以精确定位。缺点：需要温度补偿声速，需外加温度传感器，增加系统的复杂程度。

方案二：移动声源不断发出周期性音频脉冲信号，主机只检测AB 或

者AC两个声音接收器之间得到脉冲的时间差，然后通过时间差的正负判断可移动声源的具体位置。优点：算法简化了复杂的三角函数运算，使得计算简单，误差降低；过程类似闭环反馈，不断检测并修正位置，使得精度要求得到保障。缺点：只能实现简单要求的运动，不能作为复杂运动的算法。

考虑到竞赛对可移动声源要求的运动简单，并且方案二使得程序稳定。此外，由于竞赛要求不允许声响模块与其他电路有任何连接。

故选取方案二。

二、理论设计与论证

1．设计任务

本声音定位系统要求设计并制作一声音定位系统，示意图如图1 所示。

图中，声音定位系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B 和C，声音接收

器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，

产生一个可移动声源离各个接收器的误差信号。

可移动声源运动的起始点必须在坐标纸内，位置可以任意指定。

2. 声响模块分析、计算

声响模块由于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。由于功耗限制和电压，所以我们放弃了使用51单片机来作为信号发生装置，最终我们决定使用555电路来产生基波频率为500Hz的信号，并且因为要求声音持续时间为1s,所以需要采用延时电路。

3.声音接收放大器分析、计算

声音接收模块采用驻极体话筒作为声电转换原件。驻极体话筒输出端是内部场效应管的漏极D和源极S，此电路采用漏极输出的连接方式，故在漏极D与电源正极之间须接入电阻R3。通过单电源供电的同向交流放大电路，放大交流信号，再经过比较器输出矩形波信号。

4.数据处理原理分析、计算

当移动声源发出声音时，4个声音接收器接收到的时间先后有差别，根据时间上的差别，判断出可移动声源)方位。

三、电路与程序设计

1．声响模块电路设计

声响模块由于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。由于功耗限制和电压，所以我们放弃了使用51单片机来作为信号发生装置，最终我们决定使用555电路来产生基波频率为500Hz的信号，并且因为要求声音持续时间为1s,所以需要采用延时电路。

信号发生装置原理图及555延时电路如下：

555延时电路

555信号发生电路2．声音接收放大器电路设计

声音接收模块采用驻极体话筒作为声电转换原件。驻极体话筒输出端是内部场效应管的漏极D和源极S，此电路采用漏极输出的连接方式，故在漏极D与电源正极之间须接入电阻R3。通过单电源供电的同向

交流放大电路，放大交流信号，再经过比较器输出矩形波信号。

电路如下：

3. 测量、数据处理电路设计及程序设计流程图

当声源位于AF以下S点时，则声源距离A、B和C点距离假定为ZA、ZB 和ZC，则必定接收器B先接收到该声音，C次之，A最后接收到．当B 接收到声音后，启动单片机定时器，测出接收器C和A的接收时间差ArC 和AtA，声音在空气中的传播速度为c一(331．45+0．6lt)m·S～，式中t为环境温度，环境温度30℃时的速度约为350 m／s，则有：

ZC=ZB+△C;

ZA=ZB+△A; (1)

式中：

△C =△tC *350

△A =△以*350

以A为原点，则声源S坐标为(xs，ys)，利用式(1)如何求出xs、ys的值呢?这里根据各点位置关系列出方程，以mm为单位：

（ZB + △A)2=xs2+ ys2

ZB2=(xs-1000)2+ys2

(ZB+△C)2=xs2+(ys-1000)2 (2)

式(2)中，△A和△C为已知，ZB、xs和 ys为未知

数，解此方程组，得到以ZB为变量的一元二次方程：

a*ZB + b*ZB + c=0 (3)

式中：

a=4*(△A2+(△A-△C)2-106)

b=4*[△A2+ (△A —△C)*(△A2一△C2 +106)一△A×106 ]

c=(△A2+ 106) 2 + (△A2一△C2 + 106) 2一4*△A2 *106

则ZB =(- b-sqrt(b2-4*a*c))/(2*a) (4)

代人式(2)，则

Xs=(2*△A *ZB + △A2 + 106)/2000

Ys =((2×△A一2*△C)*ZB+△A2-△C2+106)/2000 (5)

这样就可根据接收器A和c的接收时间差，计算

出声源位置坐标(xs，ys)．当移动声源移动到位于AF

线以上位置时，计算时把上式中ZB作为ZC即可，求

出3：5、ys值后，则声源位置坐标为(ys， )．

四、测试方案与测试结果

赛场建立坐标系，A点作为坐标原点，AB为X轴、AC为Y轴，米为坐标单位。以随机的方式放置声源的初始位置。分别将基本部分和发挥部分的测试结果记录在表1和表2中。

表1 基本要求部分测试结果

次数放置位置测量位置

1 （126，175）（131，166）

2 （256，132）（251，115）

3 （326，89）（306，55）

五、参考文献

[1]全国大学生电子设计竞赛组委会. 全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编[M] ．北京理

工大学出版社,2007

[2]黄开胜. 学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M] ．北京航天航空大学出版社,2007

[3]万福君，潘松峰．单片微机原理系统设计及应用[M] ．合肥：中国科学技术大学出版社，

2001

[4] (日)森政弘，(日)铃木泰博．机器人竞赛指南[M] ．北京：科学出版社，2002

[5] 王灏，毛宗源．机器人的智能控制方法[M] ．北京：国际工业出版社，2002

六、结束语

本设计以XS128为核心部件，利用了声音检测与辨识技术,利用严密的数学方法实现和确定了声源的准确定位和运动定位。在系统设计过程中，力求硬件电路简单，降低硬件成本，节约功耗。

七、附录