浙江省2012年TI杯 声音引导系统论文.doc

摘要：本系统的设计采用了Microchip公司生产的dsPIC33FJ256MC710单片机作为声音定位系统的控制核心，使用了该单片机的8路定时器和4路外部中断来采集4个接收器模块的信号，并对信号进行了软件滤波。系统的声响模块是由MSP430产生500Hz方波控制，加上LM386放大驱动电路使扬声器发声。接收模块由驻极体麦克风接收声音，并经过放大、滤波、选频电路后送给单片机。单片机根据接收到多组同一波面声音信号的时间差，采用双曲线定位原理求出确定声响模块的坐标位置，并在迪文串口液晶屏上实时显示出声响模块的二维坐标值，并在液晶界面予以模拟图标显示。 关键词：声音定位；双曲线定位；软件滤波；选频；MSP430 1声音引导系统设计方案1.1 核心处理器的选择对于本系统的核心控制模块我们有以下两种方案选择：方案一：选用STC公司的80C52单片机，该单片机内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。方案二：选用Microchip公司的dsPIC33FJ256MC710芯片，该系列单片机一款高性能16 位数字信号控制器，其运算能力强大，支持16 x 16 位小数/ 整数乘法运算、 32/16 位和16/16 位除法运算、 单周期乘- 累加运算等；并且其片内资源丰富，具备A、B、C类定时器共9个16位定时器，多路PWM输出、多路输入捕捉，片上AD、SPI、I2C、UART、CAN等诸多外设功能。虽然80C52芯片操作比较简单，并且技术支持比较强大，但是方案二中的芯片处理速度快，性能更好，更容易满足题目所需要求，所以综合考虑，我们选用了方案二。所以本系统是以dsPIC33FJ256MC710为信息处理模块核心，配合声响模块、声音接收模块、液晶显示模块以及电源模块组成，系统构架如图1所示。图1. 声音定位系统构架框图1.2 单元模块的选择与论证1.2.1声响模块（1）对于如何产生500Hz的方波，我们考虑了以下两种方案：方案一：采用NE555构成多谐振荡器。NE555芯片可以通过外围简单的RC元器件连接，根据频率要求可计算出相应的RC参数，理论上可以产生任何频率的方波，但是由于题目要求3V一下电源供电，且功耗要小于200mW，NE555的供电为5V以上，且功耗会比较大。方案二：采用MSP430单片机。MSP430直接具有PWM输出口，可以通过设置PWM寄存器来产生所需方波从而驱动发声装置。而且MSP430单片机功耗非常小，非常适合题目要求。所以我们选择了方案二。（2）对于如何发出声音，我们也考虑了两种方案：方案一：采用蜂鸣器。有源蜂鸣器加上电压就可以发声，但是由于蜂鸣器内部有固定的振动频率，所以可能导致发出的频率并不是500Hz，而且蜂鸣器发出的声音不够大，当距离接收模块比较远时信号会比较微弱，从而影响声音的接收。方案二：采用扬声器。扬声器主要通过电磁线圈不断地通电断电，使金属片产生振动而发出声响，我们将单片机产生的方波信号通过LM386音频放大电路来驱动扬声器发声，扬声器的声音强度比蜂鸣器要大得多，并且没有超过功耗限制。所以我们选则了方案二。 1.2.2声音接收模块方案一：声音信号经过驻极体话筒接收之后，第1 级使用三极管对话筒接收到脉冲信号进行放大, 然后使用C1隔直流; 第2级采用LM324 对信号进行放大, 再隔直流; 第3 级使用带通滤波器滤除周围的噪声，第4级再通过比较器生成数字信号; 第5 级使用NE555 触发器搭成单稳态电路。经过5 级处理后把音频信号变为数字脉冲信号。经试验验证，通过比较器之后的波形频率会发生改变，最终效果不算好。方案二：声音信号经过驻极体话筒接收之后，先通过放大器一级放大，然后进行有源带通滤波，滤波之后再进行第二级放大，再将放大之后的信号输入LM567进行选频，这样处理之后可以减少环境中的噪音干扰，并且对声源的捕捉也非常灵敏，距离增大也不会有太大衰减。根据以上分析和实验，我们选择了方案二。1.2.3显示模块方案一：采用12864液晶屏其采用单片机的SPI硬件模块进行串行通信，只需3条数据线即可对其进行控制，并且可以显示内容丰富，可以显示汉字。但由于单片机串行通信无法对其内部的读操作，导致画线会产生误操作。方案二 ：采用DWIN公司生产的7.0寸高真彩色串口液晶显示屏，通过RS232与单片机通信，该屏可以显示丰富的内容，并且可以很方便的背景设置多个点，还可以动态曲线快速置点，对于题目中要求的显示点的位置及坐标信息非常合适，对于发挥部分的动态显示点的移动轨迹更有优势。所以我们选择了方案二。彩屏与单片机通信的电路图如图2图2. 通信电路1.2.4电源模块声响模块采用两节干电池串联对其供电，其他单片机和声音接收模块都由数控式直流稳压电源输出至自制稳压模块进行供电。稳压模块电路图见附录2。2 单元电路的设计与实现2.1声响模块图3单片机产生方波信号之后放大驱动扬声器的电路图。单片机产生方波程序见附录5。图3. 驱动扬声器的工作电路图2.2声音接收模块1、声音接收模块的电路图见附录1。一级放大是采用反相比例放大器，根据公式2-1，可以计算出放大之后的电压。 公式2-1 为滑动变阻器的实际阻值，为麦克风采集到的电压，为本级输出电压。调节滑动变阻器的阻值可以调节放大倍数。2、有源带通滤波模块是以500Hz为中心频率，增益倍数为5，频带宽度为100Hz，根据公式组2-2 公式组2-2 可以算出 取 根据公式反算频率，带宽 ，增益为5，可以满足要求。3、二级放大和一级放大原理相同。4、LM567、脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。脚是输入端，求、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，且 f211.1RC 公式2-3根据上述公式2-3计算，C选用0.1uF，电阻为18K左右时可以达到500Hz，如果串联合适阻值的滑动变阻器，中心频率从0.01HZ到500KHZ可调。3系统程序设计方案程序设计的思想是不同接收点接收下降沿的时间会有差别。任意取其中三个点，算出两个时间差，就可以算出声源的位置。比如说如图5，根据公式组3-1可算出x，y的值。 公式组3-1 图4.位置关系图对于如何接收到这些时间差，我们考虑了两种方案，方案一：使用一个定时器，四个中断，定时器一直保持打开的装态。当接收到一个中断时，单片机读出该时间，等到再来一个中断的时候读出第二个时间，依次类推，直到单片机读出四个时间，选取其中的三个计算时间差，从而根据上述公式计算。此种方案的缺点在于单片机读取时间时也需要一段时间，可能会与中断发生冲突。该方案的流程图见附录三。方案二：针对上述缺陷，我们进行了改进，用四个定时器对应接收四个中断源，这样就会避免上述问题，具体流程见附录四。单片机整体源程序见附录六。4测试方法与测试结果4.1 声响模块的检测 本模块通过IAR WORKBENCH V3.10 对MSP430进行程序调试，按照电路图接好之后，用示波器观察到频率为500Hz，高电平为3V左右，低电平为0V的方波。通过数控式直流稳压电源可以观察到输入电压为3.3V，工作电流为0.043A，功耗为142mw，满足题目要求。4.2 声音接收模块的检测 本模块信号输入端接入信号源发生器产生一个500Hz的方波，用示波器可观察到一个频率为500Hz，高电平为5V低电平为0V的方波。当输入信号为扬声器的声音信号时，用示波器观察得到的波形，当环境比较安静时，输出接近于标准500Hz方波。4.3 坐标定位我们多次测量实际值与单片机测量值进行比较，见表1.由表可知，单片机的误差可以控制在30mm以内，符合题目要求。5 特色功能与创新 (1)在声响模块，由于功耗不能超过200mw的限制，扬声器的发声强度是有限的，我们把喇叭放在一个易拉罐的顶部，这样通过和罐壁的共振，发出的声音比原来大了许多，而且没有增加任何功耗，扬声器的频率也没有发生改变。（2）在声音接收模块，我们采用先适当放大信号，该做法可以抑制外界噪声影响。（3）在程序编写方面，我们采用四个定时器分别对应四个中断，相比于以往一个定时器对应四个中断的方案，此种方法的优势在于它可以避免单片机来不及读出数据的情况。 6结论通过三天来紧张的制作与调试，我们的声源模块可以很好地产生500Hz的方波，功耗也可以满足要求，值得一提的就是那个易拉罐的设计，让我们体会到要发散思维，将知识与实际应用连接起来。声音接收模块是我们花时间最长的地方，我们尝试了很多办法，经过一次次的总结改进才逐步的提高接收的效果，这个模块还是存在着缺陷，放大的倍数过高会产生杂波，放大倍数过低就不能滤掉杂波，所以放大倍数的选择是很重要的部分。在单片机的程序编译方面也遇到了很多问题，比如接收的信号开始部分和结束部分不稳定，这使我们考虑检查中间部分的波形，这对算法的要求就更高了，而且由于误差的存在，时间间隔非常小，精度就比较难提高。程序方面可能应该寻找更合理的方案，不单单是通过方波下降沿时间差测距离，可能也可以利用模拟量的大小来测出时间。参考文献1 王冬铂. 浅谈智能声音引导系统J. 资治文摘（管理版）, 2010, (02).2 景生华, 王伟,