声音定位系统.doc

2012年大学生电子设计TI杯竞赛声音定位系统（D题）【本科组】摘要：本系统是用C8051F310单片机产生频率为500Hz的方波信号，该信号用三极管8550进行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单管放大，使变化的电流信号转换为变化的电压信号。然后经过由LM358组成的带通滤波器，该滤波器的中心频率为500Hz，带宽为50Hz，增益为10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。再对此级信号经过LM339比较器，可以把滤波后的正弦波转换为方波，以便单片机MSP430G2553进行检测。声源定位是通过对四个拾音器接收到信号的时间先后进行处理，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。然后经过后级的更精确的算法，当声源移动时，可实时检测到声源坐标。关键词：500Hz 声音定位 MSP430G2553 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C8051F310来产生频率为500Hz的方波用来作为声音信号。方波信号的产生实质上是在定时器溢出中断次数达到规定次数时，将输出I/O管脚的状态取反。该程序比较容易实现，且不会占用单片机太多资源。 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的方波信号，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方波震荡源时，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：两种器件发出的声音都能被接收端检测出来。方案一中，扬声器需要消耗较大的功率，若将功率限制在200mW内，则扬声器发不能满足要求，且扬声器在上电后就会发声，而设计要求是有信号输入才发声。方案二中，蜂鸣器消耗的功率控制在200mW以内时，发出的声音强度比扬声器稍弱，但是能够满足设计要求。因此选择方案二。 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、理论分析与计算1. 声响模块分析、计算声响模块是由蜂鸣器产生生源信号。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. 声音接收放大器分析、计算声音接收电路中在进行带通滤波的同时对接收到的信号进行了放大。带通滤波的中心频率为500Hz。 相关参数的计算： Req=R13/R16=R13*R16/(R13+R16)=31.8*1.68*1000/(31.8+1.68)=1.6K； fc= 1/(2*Req*R10*C4) =108/(2*3.14*1.6*636.6*103) =497.6Hz；Q=fc/BW=1/2*(R3/Req)1/2=9.973. 数据处理原理分析、计算数据处理部分是将信号通过比较器进行处理。信号经过带通滤波后，其幅值可达到3.8V左右，而没有信号时噪声信号幅值比较小。声源信号经过比较器后可以被检测出来，比较器端输出3.3V的高电平，当没接收到有用信号时，比较器端输出0V低电平。再将这种信号输入到单片机中进行处理，很方便的能判断是否检测到有用声源信号。比较器是由LM339构成，在运放的同向端经过10K滑线变阻器分压，进行阈值设定，反相端输入滤波后的信号，输出端则会输出3.3V或0V的方波信号。三、电路与程序设计1. 声响模块电路设计声响模块是由C8051F310单片机输出频率为500Hz的方波，然后从单片机引脚输出，输出的信号经过三极管后放大后，再接入到蜂鸣器。此时蜂鸣器的输出电流为35mA左右，供电电源为5V，发声模块的功率低于200mW，符合本题的要求。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，故后级利用单管放大将接收的信号进行处理，电路中通过RC可以把集电极电流的变化转换成电压的变化送到输出端。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，能够将生源发出的信号滤出，正符合本题要求。 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，故在后级加入了一级LM393比较器。其基本功能是对两个输入电压进行比较，并根据比较结果输出高电平或低电平。并由此来判断输入信号的大小和极性。从滤波器中输出的信号的幅值为1V以上，故将比较器的比较端给的比较电压设定为500mV左右，这样当输出的信号是频率为500Hz的方波，幅值为3.3V，能够用单片机进行检测，效果比较满意。4. 程序设计及其流程图4.1程序设计思想：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Da，到B点的距离为Db，到C点的距离为Dc，到D点的距离为Dd。分别经过时间Ta，Tb，Tc，Td后，拾音器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）： 4.1.1定位算法一： L1=Db-Da=t1*c； （1） L2=Dc-Db=t2*c； （2） L3=Dd-Dc=t3*c； （3） Dd2+Db2=Da2+Dc2； （4）单片机检测到的为四个时间点算出三个时间差，上面四个式子可用时间差表示出 Da、 Db、 Dc、Dd。 x2+y2=Da2； （5） （500-x）2+y2=Db2； （6） (500-x)2+(350-y)2=Dc2； （7） x2+(350-y)2=Dd2； （8） 解出： x1=Dd2-Dc2+2500001000； y1=Db2-Dc2+122500700； x2=Da2-Db2+2500001000； y2=Da2-Dd2+122500700； x=x1+x22； y=y1+y22；上式总共两个未知数四个等式，可以根据任意三个式子解出一组解，总共会有两组解。由于测出的结果会有误差，所以将所得的两组解进行平均值求解，则结果误差会减小，准确度会进一步提高。该算法程序比较简短，适合用单片机处理。4.1.2定位算法二： L1=x2+y2-x+(350-y)2 （1） L2=x2+y2-500-x2+y2 （2） f1(x,y)= x2+y2-x+(350-y)2-L1=0 （3）f2(x,y)= x2+y2-500-x2+y2-L2=0 （4）然后对（3）（4）分别对x,y求一介微分：f1x(x,y)=xx2+y2-xx2+(350-y)2； f1y(x,y)=yx2+y2+350-yx2+(350-y)2；f2x(x,y)=xx2+y2+500-x(500-x)2+y2；f2y(x,y)=yx2+y2-y(500-x)2+y2；然后将f1(x,y)，f2(x,y)进行泰勒级数展开，则可得出递推公式：Xk+1=Xk+f1xxk,yk*f2yxk,yk-f2xxk,yk*f1y(xk,yk)f2xxk,yk*f1yxk,yk-f1xxk,yk*f2y(xk,yk)；Yk+1=Yk+f2yxk,yk*f1xxk,yk-f1yxk,yk*f2x(xk,yk)f2xxk,yk*f1yxk,yk-f1xxk,yk*f2y(xk,yk)；经过递推后可得出比较准确的O（x,y）的坐标，程序比较大，适合在PC机上运行，准确度比较高。4.2程序流程图：主程序流程图： 中断程序流程图： 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LCD显示频显示出来。 2. 测试数据完整性声音定位数据：测试编号 声源坐标（x,y）测量坐标（x,y）1（100,100）（113,121）2（150,150）（165,