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。