声源定位研究

本科毕业设计（论文）毕业设计说明书声音信息无线传输系统设计声源定位作 者 :学 号：学院 (系 ):专 业 :指导教师： 评 阅 人： 20*年 6 月本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书1毕业设计（论文）课题的任务和要求：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、查询 10 篇以上文献，其中至少 1-2 篇外文资料；2毕业设计（论文）课题的具体工作内容（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：1、学习相关原理知识；2、实验方案确定及实验3、完成论文撰写；4、外文资料翻译。本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计(论文) 、图纸、实物样品等)：1、毕业论文一份；2、英文文献一份，相应的中文译文一份。4毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期 工 作 内 容2005 年1 月 15 日 3 月 31 日4 月 1 日 5 月 31 日6 月 1 日 6 月 20 日6 月 21 日 6 月 25 日系统学习，查阅资料，作开题报告实验方案确定及实验撰写毕业论文论文答辩所在专业审查意见：负责人： 年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 年 月 日本科毕业设计（论文）毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：学 号：学 院（系）：专 业 ：设计 (论文 )题目 ： 声音信息无线传输系统设计声源定位指 导 教 师 :20*年 3 月 20 日本科毕业设计（论文）文 献 综 述随着传感器技术的迅猛发展，生活中的每个角落都可以发现传感器的存在，声信号的感知也成为了传感器技术的重要应用领域。无人职守概念的引进，使得声源定位在未来战场及民用安保任务中都起到极其重要的作用。基于声传感器技术的位置探测是声源定位的基本实现前提，对目标位置的被动探测，既不会暴露本身位置又容易实现，多传感器组网（列阵）能全面的覆盖目标区域，通过与无线收发技术的结合，能实现中、近距离的声源探测和定位。声源定位技术的研究意义及现状近十年来，我国在声发射技术的理论与实验研究、仪器研制及实际应用等方面都取得了可喜的进展。声源定位是在声发射技术研究基础上形成的新一门学科。声源定位技术及思想在地震研究、无损检测（NDT）和全球定位系统（GPS）等民用高端方面已产生重要应用，同时在安保系统、噪声控制、音场效果等低端方面也广泛应用。军用方面，声源定位技术的应用在各军种中都起到重要作用。潜艇及水面舰船的声纳系统、海底近岸的无线探测网络，地面战场的无人职守单元、声引爆雷管、火炮定位，空中的无人驾驶探测机等都运用到了声源定位技术，该技术在中、近距离的探测系统中的应用使得现代战争已无“短兵相接”的必要。因此声源定位是一个既有应用背景又有前沿技术特点的研究课题。在美国，声学定位系统已经在无人机上配备，该系统能够探测到威胁声源，当敌人发射导弹时，发出的声音可被声学定位系统捕捉到，并提示其他无人机上的传感器进行数据处理。地面战场部分，目前，俄亥俄州正在开发“沙地直线” ，这是一种无线传感器网络系统，这个系统能够散射电子绊网到任何地方，也就是到整个战场，以声探测原理为内容之一，侦测运动的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。这项技术有着广泛的应用可能，正如所提及的这些现象，它不仅可以感觉到运动的或静止的金属，而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品，以及动植物的生理特征。国内方面，声源定位技术主要已在海军应用，采用水声传感器基阵，用以侦听潜艇（或用外部主动声源产生声脉冲，并侦听回声脉冲） ，并确定声源位置；另外，兵器工业总公司系统总体部也正在进行地面战场多功能传感器阵列等技术的研究；空军的新大型预警机系统中也已采用该项技术。声源定位的技术分类本科毕业设计（论文）现有的声源定位技术基本上可以分为 3 类，首先是基于最大输出功率的可控波束形成技术，它的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，修改权值使得传声器阵列的输出信号功率量最大。在传统的简单波束形成器中，仅值取决于各阵元上信号的相位延迟，同时相位延迟和声达时间延迟 DOA 有关，因此叫作延时求和波束形成器。后来出现的一引起更复杂的波束形成系统中，在进行时间校正的同时，还对信号进行了滤波，根据不同的滤波器形成了不同的算法。其次就是高分辨率谱估计技术，这类的声源定位技术基于高分辨率的谱估计算法，其中包括了自回归 AR 模型、最小方差谱估计（ MV）和特征值分解方法（如Music 算法）等，所有这些方法都通过获取了传声器阵列的信号来计算空间谱的相关矩阵。这时如果所需的矩阵未知，则必须通过已得到的数据进行估计，这就要求空间中的声源或噪声必须平稳时不变的，但这对于语音信号来说，这种实际的声学环境很难实现；同时，基于高分辨率的谱估计声源定位还有很多的假设条件，这对一个实时实现的系统来说也不可能；而且在计算中，这种谱估计方法的运算量很大，还很容易导致定位不准确，因而在现代的声源定位系统中很少采用。最后就是基于声达时间差（TDOA）的定位技术，这类声源定位方法一般分为2 个步骤进行：先进行声达时间差估计，并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟TDOA；再利用获取的声达时间差，结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的位置。这种方法的计算量一般比前 2 种要小，更利于实时处理，所以它在语音信号的声源定位中占有很大的比重。声达时差法也称为点定位法，它又分为线定位和面定位，面定位又分为三角形定位和矩形定位等。这些方法都是根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源的位置。参考文献1 徐彦廷,孙茂成,李伟等. 声源定位及误差分析. 无损检测（NDT） ， 1999, 21(5): 1992022 梁家惠,王成云,饶宇. 声源定位实验. 物理实验, 1999,(20)1: 53 曹全林,关平. 超短基线声定位系统. 声学技术,2002, 61634 刘晶. 近距离无线通信系统设计. 学士学位论文. 太原:中北大学,2002本科毕业设计（论文）5 无线传输系统中的设计思路及实现方案. /customerarticle2003097.asp. 2003 年 9 月6 电声技术. 现代声源定位技术原理./Html/001/002/002/18173.htm. 2001 年 9 月7 许者强. 由单片机构成的噪声测量定位装置. 无损检测(NDT)，1999,20(6):122126.8 樊昌信,徐炳祥,吴成柯等. 通信原理. 第 5 版. 北京: 国防工业出版社. 20049 Jhang KY, Lee WH and Kin D.J.J.A.E. 1998, (4):26126710 Hsu NN. U.S. Patent 401808411 Nordic VLSI ASA. 433MHz Single Chip RF Transceiver nRF401. PRODUCT SPECIFICATION. Norway, May 200012 孙传友,孙晓斌,张一. 感测技术与系统设计. 第一版. 北京：科学出版社. 200413 刘伟，黄定明，蒋鸣雷等. 传感器实训教程. 第一版. 南京：东南大学出版社.200314 沙占有,葛家怡,孟志永等. 集成化智能传感器原理与应用. 第一版. 北京：电子工业出版社. 200415 Lawrence A.Klein,戴亚平,刘征. 多传感器数据融合理论及应用. 第二版. 北京：北京理工大学出版社. 200416 陈汝全. 电子技术常用器件应用手册. 第二版. 北京：机械工业出版社. 200017 吴喜录,陈庆生,张元等. 目标声定位时延估计的对比研究. 现代引信, 1996,4：71018 张建华,刘惠贞,赵刚等. 数字电子技术. 第二版. 北京：机械工业出版社. 200119 孙育才. MCS-51 系列单片微型计算机及其应用. 第三版. 南京：东南大学出版社. 1997本科毕业设计（论文）毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：本课题要研究或解决的问题：在 1 公里范围内的二维坐标的声源定位系统，其中：环境假定在标准气候（15）下的纯水平地面定位，探测的对象是频率范围在 20 至20000Hz 内的声信号，并在传感器阵列后利用单片机实现时差计算，随后采用无线传输技术，用以实现至终端一千米的无线传输，无线接收端收到信息后进行电平转换，最后实现与微机的通信。设计相关传感阵列，无线发射、接收系统及时差分析装置和微机通信电路。重点放在设计分析声源定位中传感器阵列的工作原理及设计方案。本设计将分传感器阵列模块、无线传输模块及与微机通信模块三个模块组成。基于驻极体电容传声器阵元的前端探测阵列及声达时延差计算系统、无线发射及接收器和微机通信接口。简单的介绍了驻极体电容传声器 SG9745、LM324 运算放大器、LM567 音调译码器、8751 单片机、nRF401 无线射频收发器、MAX232 电平转换器、微机的 RS-232 接口以及相关的连接，并由目标定位推导得到的公式，带入单片机得到的时延差数据，算出具体声源目标的距离和方向角，从而实现声源定位。图 2.1 总体方案设计图（系统模型图）在一个固体媒质的表面（平面） ，布置三个发射传感器，来自声源的声发射（AE）信号通过媒质传播到这些传感器后，转换为交变电压信号，经过放大及音调译码，由单片机算出两组时延差，再由无线发射、接收装置实现 1000 米的无线传输，通过微机通信达到计算机，最后根据公式推导出目标位置，即与坐标原点的方向角和距离本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 声音信息无线传输系统设计声源定位 指导教师评语： 该同学在毕业设计期间，认真系统的学习了与设计题目相关的基本知识， 态度认真，踏实肯干，能 够独立查阅 所学要的文献，基本能够独立开展科学研究，对声音信息无线传输系统设计声源定位进行了理论设计和分析，在一定程度上反映了该生具有比较扎实的专业理论基础，基本完成毕业设计任务书所要求的内容。具有一定的创新性。论文撰写格式规范，符合我校教务处下发的论文撰写格式要求。条理清楚，圆满完成了毕业设计。建议成绩为良。同意参加毕业答辩。指导教师(签字) ：20*年 6 月 16 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 评阅人评语：评阅人(签字) ：职称(或学历):年 月 日本科毕业设计（论文）本 科 毕 业 设 计 (论 文 )评 语院(系 ): 学生姓名： 学号： 题目： 综合成绩： 答辩委员会评语：答辩委员会负责人(签字)： 年 月 日本科毕业设计（论文）摘 要声源定位就是利用声波的传输特性，来确定发声对象的空间位置的技术。被动声源定位一般采用声传感器阵列来探测声信号达到各阵元的时间差，由此推算出声源距坐标基点的距离和方向角。本文介绍了声源定位系统的工作原理、系统组成及传感器阵列与微机无线通信的实现，设计了传声器阵列模块（包括时延差计算系统） 、无线传输模块及微机通信模块，并完成了相关的电路设计和连接。关键词：声源定位；传感器阵列；无线数传；串行通信接口本科毕业设计（论文）ABSTRACTKeyword: Acoustic Emission Source Location；sensors array； wireless transmission；serial communications interfaceAcoustic Emission Source Location (AESL) is a technology which uses the transfer characteristic of sound wave to locate the space position of acoustic emission source. Passive AESL generally uses acoustic sensors array to detect the time difference of acoustic signal arrive each array element, then calculate the distance and direction angle from acoustic emission source to origin of coordinates. In this paper, the author introduces the operational theory and the composition of AESL system, then realizing the communication between the acoustic sensors array and the microcomputer. Acoustic sensors array module (including the time difference computing system), wireless transmission module and microcomputer communication module are designed. The circuit designing and connecting have also been accomplished.本科毕业设计（论文）目 录0 引言11 声源定位概述211 声源定位概念212 声源定位技术的研究意义及现状213 声源定位的技术分类314 声源定位的目标声音频率42 系统总体设计目标、方案及原理521 设计目标522 采用的声源定位方法5本科毕业设计（论文）23 总体设计方案53 传感器阵列模块731 声传感器（传声器）概述7311 传声器的作用及电路图形符号7312 传感器的种类7313 驻极体电容传声器832 传感器阵列的布置方式及定位模型9321 传感器阵列布置图9322 传感器阵列的定位模型933 声传感器的具体实现电路10331 声传感器选择本科毕业设计（论文）10332 SG9745 传声器10333 前置放大电路1234 声达时间差计算系统13341 音调译码器13342 时达差计算单片机14343 时达差计算系统的计算原理和电路连接17344 与无线发射端的其他连接184 无线收发模块1941 无线收发模块概述1942 nRF401 型单片射频收发器19421 nRF401 性能特本科毕业设计（论文）点19422 nRF401 主要技术指标19423 nRF401 的引脚功能20424 nRF401 的电气技术要求21425 nRF401 的内部结构及外围元件框图23426 待机与发射、接收模式间转换的定时信息2343 无线收发模块的组成24431 无线收发模块具体实现电路24432 增益天线25433 其他元件组成介绍275 微机连接3051 串行通信接口 RS-本科毕业设计（论文）23230511 RS-232 接口的适用范围30512 RS-232 接口的信号特性30513 RS-232C 的引脚说明3052 MAX232E31521 MAX232E 引脚31522 MAX232E 典型参数及典型操作电路3253 无线接收端与微机间的硬件连接电路33附：传感器阵列模块电路连接图35结束语36参考文献37本科毕业设计（论文）0 引言随着传感器技术的迅猛发展，生活中的每个角落都可以发现传感器的存在，声信号的感知也成为了传感器技术的重要应用领域。无人职守概念的引进，使得声源定位在未来战场及民用安保任务中都起到极其重要的作用。基于声传感器技术的位置探测是声源定位的基本实现前提，对目标位置的被动探测，既不会暴露本身位置又容易实现，多传感器组网（列阵）能全面的覆盖目标区域，通过与无线收发技术的结合，能实现中、近距离的声源探测和定位。本篇设计说明书的设计内容主要有：基于驻极体电容传声器阵元的前端探测阵列及声达时延差计算系统、无线发射及接收器和微机通信接口。简单的介绍了驻极体电容传声器 SG9745、LM324 运算放大器、LM567 音调译码器、8751 单片机、nRF401 无线射频收发器、MAX232 电平转换器、微机的 RS-232 接口以及相关的连接，并由目标定位推导得到的公式，带入单片机得到的时延差数据，算出具体声源目标的距离和方向角，从而实现声源定位。本科毕业设计（论文）1 声源定位概述11 声源定位概念声源定位就是利用波的传输特性来确定未知对象的空间位置，对发声物体发声时的所在位置进行定位。12 声源定位技术的研究意义及现状近十年来，我国在声发射技术的理论与实验研究、仪器研制及实际应用等方面都取得了可喜的进展。声源定位是在声发射技术研究基础上形成的新一门学科。声源定位技术及思想在地震研究、无损检测（NDT）和全球定位系统（GPS）等民用高端方面已产生重要应用，同时在安保系统、噪声控制、音场效果等低端方面也广泛应用。军用方面，声源定位技术的应用在各军种中都起到重要作用。潜艇及水面舰船的声纳系统、海底近岸的无线探测网络，地面战场的无人职守单元、声引爆雷管、火炮定位，空中的无人驾驶探测机等都运用到了声源定位技术，该技术在中、近距离的探测系统中的应用使得现代战争已无“短兵相接”的必要。因此声源定位是一个既有应用背景又有前沿技术特点的研究课题。在美国，声学定位系统已经在无人机上配备，该系统能够探测到威胁声源，当敌人发射导弹时，发出的声音可被声学定位系统捕捉到，并提示其他无人机上的传感器进行数据处理。地面战场部分，目前，俄亥俄州正在开发“沙地直线”，这是一种无线传感器网络系统，这个系统能够散射电子绊网到任何地方，也就是到整个战场，以声探测原理为内容之一，侦测运动的高金属含量目标。这种能力意味着一个特殊的军事用途，例如侦察和定位敌军坦克和其他车辆。这项技术有着广泛的应用可能，正如所提及的这些现象，它不仅可以感觉到运动的或静止的金属，而且可以感觉到声音、光线、温度、化学物品，以及动植物的生理特征。国内方面，声源定位技术主要已在海军应用，采用水声传感器基阵，用以侦听潜艇（或用外部主动声源产生声脉冲，并侦听回声脉冲），并确定声源位置；另外，兵器工业总公司系统总体部也正在进行地面战场多功能传感器阵列等技术的研究；空军的新大型预警机系统中也已采用该项技术。本科毕业设计（论文）无线传感器网络技术，预示着为战场上带来新的电子眼和电子耳，能够在未来几十年内变革战场环境。无线传感器网络技术将会在战场上带来革命性的变化，并将改变战争的样式。13 声源定位的技术分类现有的声源定位技术基本上可以分为 3 类，首先是基于最大输出功率的可控波束形成技术，它的基本思想就是将各阵元采集来的信号进行加权求和形成波束，通过搜索声源的可能位置来引导该波束，修改权值使得传声器阵列的输出信号功率量最大。在传统的简单波束形成器中，仅值取决于各阵元上信号的相位延迟，同时相位延迟和声达时间延迟 DOA 有关，因此叫作延时求和波束形成器。后来出现的一引起更复杂的波束形成系统中，在进行时间校正的同时，还对信号进行了滤波，根据不同的滤波器形成了不同的算法。其次就是高分辨率谱估计技术，这类的声源定位技术基于高分辨率的谱估计算法，其中包括了自回归 AR 模型、最小方差谱估计（ MV）和特征值分解方法（如Music 算法）等，所有这些方法都通过获取了传声器阵列的信号来计算空间谱的相关矩阵。这时如果所需的矩阵未知，则必须通过已得到的数据进行估计，这就要求空间中的声源或噪声必须平稳时不变的，但这对于语音信号来说，这种实际的声学环境很难实现；同时，基于高分辨率的谱估计声源定位还有很多的假设条件，这对一个实时实现的系统来说也不可能；而且在计算中，这种谱估计方法的运算量很大，还很容易导致定位不准确，因而在现代的声源定位系统中很少采用。最后就是基于声达时间差（TDOA）的定位技术，这类声源定位方法一般分为2 个步骤进行：先进行声达时间差估计，并从中获取传声器阵列中阵元间的声延迟TDOA；再利用获取的声达时间差，结合已知的传声器阵列的空间位置进一步定出声源的位置。这种方法的计算量一般比前 2 种要小，更利于实时处理，所以它在语音信号的声源定位中占有很大的比重。声达时差法也称为点定位法，它又分为线定位和面定位，面定位又分为三角形定位和矩形定位等。这些方法都是根据声源信号到达同一阵列内不同传感器时所形成的一组时差，经过几何关系的计算确定声源的位置。14 声源定位的目标声音频率本科毕业设计（论文）人耳所能听到的声音频率范围大约在 20 至 20000 Hz 之间。若发音体的振动频率太低或太高，我们便听不到此发声体发出的声音。震动频率超过 20000 Hz 的声音，称为超声波，其广泛的在主动目标寻地中使用。当物体振动时，必然产生声音，当其停止振动时，声音也就停止。本设计说明书的声源定位的目标声音频率范围主要是人耳所能听见的频率范围（20 至 20000 Hz）。本科毕业设计（论文）2 系统总体设计目标、方案及原理21 设计目标本毕业设计说明书所要实现的是在 1 公里范围内的二维坐标的声源定位系统，其中：环境假定在标准气候（15）下的纯水平地面定位，探测的对象是频率范围在 20 至 20000Hz 内的声信号，并在传感器阵列后利用单片机实现时差计算，随后采用无线传输技术，用以实现至终端一千米的无线传输，无线接收端收到信息后进行电平转换，最后实现与微机的通信。设计相关传感阵列，无线发射、接收系统及时差分析装置和微机通信电路。重点放在设计分析声源定位中传感器阵列的工作原理及设计方案。本设计论文将分传感器阵列模块、无线传输模块及与微机通信模块三个模块组成。22 采用的声源定位方法本论文选用声达时差法中的线定位技术推算两维声源。即在同一直线上布置传感器阵元，这样做的好处是公式推导较为简单，根据阵元布置位置，其到无线接收端的固有时间差可定，并能扩展在多传感器布阵时较好的利用传感器的探测距离。23 总体设计方案图 2.1 总体方案设计图（系统模型图）本科毕业设计（论文）总体设计方案图如 2.1 所示。在一个固体媒质的表面（平面） ，布置三个发射传感器，来自声源的声发射（AE）信号通过媒质传播到这些传感器后，转换为交变电压信号，经过放大及音调译码，由单片机算出两组时延差，再由无线发射、接收装置实现 1000 米的无线传输，通过微机通信达到计算机，最后根据公式推导出目标位置，即与坐标原点的方向角和距离（此部分不做介绍，可用软件编程实现） 。本科毕业设计（论文）3 传感器阵列模块31 声传感器（传声器）概述311 传声器的作用及电路图形符号传声器俗称话筒，它是一种能将声音信号转换成电信号的声-电转换器件，其作用与扬声器相反。传声器在电路中用字母“B”或“BM”（旧标准用“S”或“M”、“MIC”等）表示，其电路图形符号见图 3.1图 3.1 传声器电路图形符号a）新图形符号 b）旧图形符号312 传声器的种类传声器可以根据其换能方式、指向性、声作用方式及输出阻抗等进行分类。1按换能方式分类 传声器按换能方式可分为动圈式传声器、压电晶体式传声器、驻极体式传声器、电容式传声器、炭粒式传声器、压电陶瓷式传声器和带式传声器等。其中，压电陶瓷式、电容式、压电晶体式传感器属于静电传声器，带式、动圈式传声器属于电动传声器。2按指向性分类 传声器按指向性可分为全向式传声器、单向心形传声器、单向超指向传器、音向超心形传声器、双向式传感器和可变指向式传声器等。3按外形结构分类 传声器按外形结构可分为手持式传声器、领夹式传声器、头戴式传声器、鹅颈式传声器、平面式传声器等多种。4按声作用方式分类 传声器按声作用方式可分为压强式传声器、压差式传声器、组合式传感器、线列式传声器、抛物线式传声器和反射镜式传声器等。5按输出阻抗分类 传声器按输出阻抗可分为高阻型传声器和低阻型传声器。6按其它方式分类 传声器按产生电压的作用原理不同，可分为恒速式传声器和恒幅度式传声器。其中动圈式、带式传声器为恒速式传声器，电容式、压电式传本科毕业设计（论文）声器为恒幅度式传声器。传声器按膜片的作用力不同，可分为压力式传声器和压差式传声器。其中电容式、压电式传声器为压力式传声器，带式传声器为压差式传声器。另外，传声器还分为近讲传声器、无线传声器和半导体式传声器等多种。313 驻极体电容传声器驻极体电容传声器也称驻极话筒，是利用驻极体材料制成的电容式传声器。驻极体是一种永久极化的电介质，使用驻极体高分子材料制具备振膜或固定电极（后极板），无需外加极化电压。图 3.2 是驻极体传声器的结构。图 3.3 是驻极体传声器的电原理。图 3.2 驻极体电容传声器的结构图 3.3 驻极体电容传声器的电原理驻极体传声器的特点是结构简单，电声性能好，价格低，应用较广泛。32 传感器阵列的布置方式及定位模型321 传感器阵列布置图本科毕业设计（论文）传感器阵列（阵线）采用直线三点布置，间距相等，各为 10 米，分别标注S0、S1、S2，S0 位于无线接收单元的正前方 1000 米处，为了方便目标定位中的计算，取 S0 传感器为坐标原点，则 S1、S2 坐标分别为（-10，0） （10，0） ，如图 3.4所示：图 3.4 传感器阵列布置图322 传感器阵列的定位模型图 3.5 所示的是传感器阵列定位的模型图，图中传感器各阵元的布置与上节一致，T（x,y）是声源目标所在的空间位置， 为声源目标方向角。传感器阵列接受声源信号，假设传感器 S0 与 S1、S2 之间的时延分别表示为 t01、t 02，声速为 C，目标到阵列基点（坐标轴原点）S0 的距离为 R。当三个阵元均得到声信号时，可得声源目标位于分别以 S0、S1、S2 为圆心，R、R+Ct 01、R-Ct 02为半径的三个圆的交点上，从而可以联立方程组（1）(x+10)2+y2=(R+Ct01)2x2+y2=R2 (式 3.1)(x-10)2+y2=(R-Ct02)2定义 td=t01-t12，t s=t01+t12，解方程组（3.1） ，得到目标方向、距离公式（3.2）本科毕业设计（论文）=sin -1(Cts/20)R=100cos2/Ct d (式 3.2)33 声传感器的具体实现电路331 声传感器选择由于外围电路设计简单，无需极化电压，本设计选择驻极体电容式传声器。按照定位要求，我们要选择标准大气环境下，针对 2020000HZ 声音频率，探测距离远大于 10 米（考虑到传感器布置相对位置，可行定位范围是在三个传感器探测范围的交集，故探测距离必须远大于传感器间的距离） ，较高灵敏度且损耗较低的驻集体电容式传声器。在此，我选择了宁波市鄞州声光电子有限公司生产的 SG9745 型传声器。332 SG9745 传声器SG9745 是国产的性能较高的全指向性驻极体电容式传声器。1） 外型及尺寸简图SG9745 的外型及尺寸简图如图 3.6 及图 3.7 所示。图 3.6 SG9745 外型图本科毕业设计（论文）图 3.7 SG9745 尺寸图2） 技术参数SG9745 主要技术参数如表 3.1 所示：项目 参数尺寸 9.74.5mm灵敏度 0dB=1V/Pa,1000Hz -28dB-46dB频率响应 2020,000Hz方向性 全指向阻抗 2.2K电流消耗 Maximum 500A标准工作电压 3.0V最大工作电压 10V灵敏度降低 Within3dB at 1.5V信噪化 More than 60dB表 3.1 SG9745 技术参数3） SG9745 测试电路图本科毕业设计（论文）图 3.8 SG9745 测试电路图4） 频率响应曲线图 3.9 SG9745 频率响应曲线333 前置放大电路1） LM324 运算放大器LM324 是一种低损耗的单电源四线运算放大器，其能实现三级放大电路，它采用 14 脚双列直插塑料封装，引脚如图 3.10 所示。图 3.10 LM324 引脚图图 3.11 LM324 单组运放表示图本科毕业设计（论文）LM324 有四组相同的运放，它们相互独立，每组可用图 3.11 的符号来表示。“Vi+”、 “Vi-”为两个信号输入端， “V+”、 “V-”为正、负电源端， “Vo”为输出端。2） 反相交流放大电路电路见附图。此放大器可代替晶体管进行交流放大，可用于扩音机前置放大等。电路无需调试。放大器采用单电源供电，由 R1、R2 组成 1/2V+偏置，C1 是消振电容。放大器电压放大倍数 Av 仅由外接电阻 Ri、Rf 决定： Av=-Rf/Ri。负号表示输出信号与输入信号相位相反。按图中所给数值，Av=-10。此电路输入电阻为 Ri。一般情况下先取 Ri 与信号源内阻相等，然后根据要求的放大倍数在选定 Rf。Co 和 Ci为耦合电容。 图 3.12 采用 LM324 的反相交流放大电路与驻极体传声器连接时，只需将驻极体的输出端直接连接 Vi 即可。这样可以实现一级放大，由于驻级体内部本身就内置有一个 FEA（场效应放大器） ，所以这足以加至随后的音调译码器。34 声达时间差计算系统341 音调译码器回顾前两步系统功能，通过驻极体传声器将声波脉冲变为交变电压信号，再经运算放大器 LM324 前置放大，但此时还不能将交变电压信号直接送入单片机处理，本科毕业设计（论文）还需经过音调译码器 LM567 输出稳定的低、高逻辑电平。图 3.13 音调译码电路如图 3.13 所示，带有锁定环的音频译码集成块 LM567 的连接电路，内部的压控振荡器的中心频率 f0=1/1.1R1C1，C2 决定其锁定带宽。调节 R1，使 LM567 输入信号大于 25mV，输出端 8 脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。342 时达差计算单片机时达差计算所需的单片机我选用的是 51 系列的 8751，由于其只有两个外中断、两个定时/计数器中断，所以我们需要两片 8751 分别算出时达到差 t01 和 t02，因为两个计算系统完全相同，故只给出传感器 S0 和 S1 之间的时达差计算系统。1） 8751 简单介绍8751 单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线。中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是 8 位数据宽度的处理器，能处理8 位二进制数据或代码，CPU 负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。8751 内部有 128 个 8 位用户数据存储单元和 128 个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的 RAM 只有 128 个，可存放读写的数据，运算的本科毕业设计（论文）中间结果或用户定义的字型表。8751 共有 4096 个 8 位 EPROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。8051 有两个 16 位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。8051 共有 4 组 8 位 I/O 口(P0、 P1、P2 或 P3)，用于对外部数据的传输。8051 内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。8051 具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有 2 级的优先级别选择。8051 内置最高频率达 12MHz 的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但 8051 单片机需外置振荡电容。2) 引脚说明及初试状态图 3.14 是 8751 引脚图。图 3.14 8751 引脚图8751 引脚说明如下：P1.0- 1 40-VCC P1.1- 2 39 -P0.0/AD0 P1.2- 3 38 -P0.1/AD1 P1.3- 4 37 -P0.2/AD2 本科毕业设计（论文）P1.4- 5 36 -P0.3/AD3 P1.5- 6 35 -P0.4/AD4 RTS P1.6- 7 34 -P0.5/AD5 CTS P1.7- 8 33 -P0.6/AD6 RST/Vpp- 9 32 -P0.7/AD7 I/O RXD/P3.0- 10 31 -EA/VPP DATA TXD/P3.1- 11 30 -ALE/PLOG INT0/P3.2- 12 29 -PSEN INT1/P3.3- 13 28 -P2.7/A15 T0/P3.4- 14 27 -P2.6/A14 T1/P3.5- 15 26 -P2.5/A13 WR/P3.6- 16 25 -P2.4/A12 RD/P3.7- 17 24 -P2.3/A11 XTAL1- 18 23 -P2.2/A10 XTAL2-19 22 -P2.1/A9 VSS 20 21 -P2.0/A8 其中：cc:+5V 电源电压。ss:电路接地端。P0.0P0.7:通道 0，它是 8 位漏极开路的双向 I/O 通道，当扩展外部存贮器时，这也是低八位地址和数据总线，在编程和校验期间，它输入和输出字节代码，通道接收/发出二个 TTL 负载。P1.0P1.7:通道是位拟双向 I/O 通道，在编程和校验时，它发出低位地址。通道接收/发出一个 TTL 负载。P2.0P2.7:通道是位拟双向 I/O 通道，当访问外部存贮器时，用作高位地址总线。通道能接收/发出一个 TTL 负载。P3.0P3.7:通道准双向 I/O 通道。通道能接收/发出一个 TTL 负载，P3 通道的每一根线还有另一种功能：P3.0: RXD， 串行输入口。P3.1: TXD， 串行输出口。本科毕业设计（论文）P3.2: INT0， 外部中断输入口。P3.3: INT1， 外部中断输入口。P3.4: T0， 定时器/计数器外部事件脉冲输入端。P3.5: T1， 定时器/计数器外部事件脉冲输入端P3.6: WR， 外部数据存贮器写脉冲。P3.7: RD， 外部数据存贮器读脉冲。Pin9: RESET/Vpd， 复位信号复用脚。 343 时达差计算系统的计算原理和电路连接将传声器 S0 后的 LM567 的 OUT 端连接至 8751 的 INT0 引脚，S1 后的 LM567 的OUT 端接 8751 的 INT1 引脚。8751 通电时即开始记时，直至外部中断输入口 INT0 输入低电平，8751 内部 T0 口随即停止记时器，并算出信号达到与开始记时的时差；同样的另一个记时器可算出 S1 路信号的时差，两个数值相减即可得到 S0、S1 两路信号达到的时间差 t01（这一步骤完全由 51 自行完成） ，随后将此数据送至无线发射模块。具体连接如图 3.15 所示：图 3.15 8751 外围电路连接图外围振荡电路采用 6MHz 的石英晶体振荡器，C=30pF。343 与无线发射端的其他连接本科毕业设计（论文）需要指出的是：在随后的无线发射端时由于是电池供电，为减小电池损耗，需要 PWR_UP 引脚决定是否待机/工作状态转换，只需在 3 个 LM567 的锁定输出的低电平连接逻辑与非门再接入 PWR_UP 引脚。如图 3.16 采用 CC4023 实现正向逻辑与非门，其实现真值表如表 3.2。图 3.