【毕业设计-正文】声源定位系统-某某

1、辽宁工程技术大学毕业设计（论文）0 前言声音是我们所获取的外界信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，人们可以判断出物体相对于自己的方位。有些应用场合，人们需要用机器来完成声音定位这个功能，并且往往要求定位精度比较高。2003年的美伊战争期间，人民网、CCTV网站的军事频道、国防在线等网站均报道了装配于美军的狙击手探测技术，这项技术其中一部分就包含了声源定位技术。声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是：1）不受通视条件限制。可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，

2、而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源。2）隐蔽性强。声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强。3）不受能见度限制。其他侦察器材受环境气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点。以下对美军装备的报道来自于“巴格达之战”考验英军巷战武器装备一文，该文刊登于2003年4月8日国防在线美伊战争专题。“狙击手声测定位系统通过接收并测量膛口激波和弹丸飞行产生的冲击波来确定狙击手的位置，通常仅能探测超音速弹丸。这种系统有单兵佩挂型、固定设置型和机动平台运载型。美国BBN系统和技术公司的声测

3、系统，通过测量弹丸飞行中的声激波特性来探测弹丸并进行分类。该系统为固定设置型，采用2个置于保护区两侧的传声器阵列或6个分布在保护区内的单向传声器。传声器通过电缆或射频链路与指挥节点相连。为了准确定位，需事先确定传声器的距离，精度要在1米以内。该系统可探测到90的射击，定位精度为方位1.2、水平3。此外，美国的“哨兵”和“安全”有效控制城区环境安全系统均是采用声测定位技术的反狙击手系统。美军这一套声源定位系统通过定位弹丸产生的特殊激波和冲击波，探测出狙击手的位置，在战场上有效保护战士生命。而在民用方面，声源定位系统也有广阔的应用前景。试设想一下未来的可视电话，如果在电话上装上声源定位系统，实时探

4、测出人说话的方位，则我们可以控制可视电话的摄像头跟踪移动的说话人。无论人在屋里的哪一个角落，摄像头始终都可以将人拍在图像正中间。这样，我们可以在任意的位置使用固定安装的视频电话。由于人在使用这种视频电话时可以自由活动，势必使得电话交流更加生动有趣。而使用这种可视电话来进行视频会议将给与会者带来很大的方便。声音给人们带来了方便，丰富了人们的生活。而对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明，声源定位系统是一个很有意义的研究课题。近年来，随着嵌入式系统数据处理能力越来越强，使用它来构建小型声源定位系统已经现实。但是，现在市面上还很少有这样的成品。其主要受限制于声源定位对数据采集的特殊

5、要求，一般的定位系统少则几个采集通道，多则十几个甚至几十个采集通道，而且各通道之间要保持同步采集。现在比较流行的定位系统都使用传声器阵列，一般使用8个以上的传声器，也就需要8通道以上的同步采集设备与之相配。本论文的工作主要是根据声源定位系统对数据采集的要求，开发了一个数据采集系统，并在此基础上构建了一个声源定位系统，然后尝试了一种定位算法，试图发现并解决一些声源定位系统实用化中存在的问题。1 声源定位系统简介1.1 系统设计要求及步骤1.1.1 设计要求本次设计的系统需要具备如下设计要求：1） 声源定位区域为60cm*60cm的正方形；2） 声源频率在31kHz左右；3） 声源定位误差在5cm

6、以内；4） 能够显示定位坐标；5） 功耗低、性价比高。1.1.2 设计步骤1）总体方案的选择、分析、论证，并画出系统的结构框图；2）硬件电路设计并进行硬件焊接；3）软件编程；4）进行调试；5）逐步修改，将所需的功能完全实现。1.2 系统方案选择与论证1.2.1 声源定位原理方案一：仿人双耳的声源定位原理。人是我们最熟悉的一个声源定位系统，人的两只耳朵是这个系统的主角。由于耳廓具有非常特殊的形状，声音经过耳廓的处理后，大脑只需要根据两只耳朵所接收到的声音强度就能大致定位某一个声源的位置。国外科学家把人的头部用球的模型来近似，在球相对的两极各安装一个传声器，给出了两耳功能的解析方程能够有效的定位声

7、音的方向。然而要模拟制作出耳廓这样具有特殊结构的传感器是比较费劲的。方案二：基于到达时间差的声源定位原理。人对声源的定位主要用到了声音幅度这个物理量，而机器却可以精确的测量声音的相位。由于声波在空气中以一定速度传播，到达设置于不同位置的传声器的相位不同，根据这些传声器对同一声音录制的相位差别，我们可以计算出同一声音到达每对传声器的时间差值。如果我们得到了某个声源发出的声音到达一对传声器的时间差，合适的安排传声器的位置，可以使得双曲面的交点只有一个，这个点就是我们要的声源位置。大多数声源定位是基于到达时间差的方法，提高对到达时间差估计的准确程度是这种方法的关键。基于以上分析，选择方案二，采用基于

8、到达时间差的声源定位原理。1.2.2 处理器模块根据题目要求，处理器模块主要用于对传声器传输的声源信号进行接收、计算声源坐标、以及显示声源坐标。对于处理器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器，由于FPGA将所有的器件集成在一块芯片上，所以外围电路较少，控制板的体积小，稳定性高，扩展性能好；而且FPGA采用并行的输入/输出方式，系统处理速度快，再加上FPGA有方便的开发环境和丰富的开发工具等资源可利用，易于调试；但是FPGA成本偏高，算术运算能力不强，而且由于本次设计对输出处理的速度要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。方案二：采用通用型S

9、TC89C52单片机作为系统的主控制器。由于单片机的算术运算功能强，软件编程灵活，可用软件较简单的实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小和功耗低等优点，使其在各个领域应用广泛；另外，由于本设计中会用到较多的算术运算，因此非常适合利用单片机作为控制器。基于以上分析，选择方案二，采用STC89C52单片机作为处理器。1.2.3 显示模块方案一：采用数码管显示。数码管具有低功耗、耐老化和精度比较高等优点，但数码管与单片机连接时，需要外接锁存器进行数据锁存，使用三极管进行驱动等，电路连接相对比较复杂。此外，数码管只能显示少数的几个字符，显示内容较少，基本上无法显示汉子。方案二：采用LCD进行

10、显示。液晶显示屏（LCD）具有低功耗、无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，分辨率高、抗干扰能力强、显示内容多等特点。并且，液晶显示器与单片机可直接相连，电路设计及连接简单。基于以上分析，采用方案二，选择液晶1602进行显示。1.2.4 传声器模块方案一：采用超声波接收探头作为声源接收电路的核心器件。但是超声波探头检测音频的灵敏度较低，且成本较高。方案二：采用驻级话筒。接收器由驻极话筒进行接收，然后经过放大器将微弱的声源信号放大，在经过带通滤波器滤除不需要的音频信号，并进行整形后输入单片机进行运算和处理。本方案具有检波容易、功耗低、性价比高的特点。基于以上分析，采用方

11、案二。1.2.5 电源模块方案一：采用普通电池做电源，输出的直流电后经多个稳压器得到理想的不同伏值的直流电压。采用该方法做电源，输出电流能力大、移动方便。缺点是直流电流放电受自身影响大，放电时间受限不便长时间工作，而且价格较贵，不符合本次设计的特征要求。方案二：采用三端稳压集成电路。变压器降压后经过桥式整流、滤波，再经过三端稳压器得到直流电源。这一电路实现简单、灵活，而且可长时间工作，符合本次设计要求。基于以上分析，采用方案二，选择集成稳压电源输出直流电。1.3 研究现状现今使用的声源定位算法基本基于以上两种种声源定位原理。国际上经过多年的研究，声源定位算法已经比较的成熟，已经有一些实际可用的

12、定位系统。现在比较热门的方法是使用传声器阵列的定位方法，更为深入的研究除了能对单个静止声源定位外，还可以对多个声源定位。而国内在这方面的研究就比较的匮乏。有人用物理手段来测量声音到达各传感器的时间差，例如使用自制的时差测量物理装置在一个固体媒质平面上进行声源定位。一些人概括了传声器阵列定位方法，并就其中一种定位方法给出了实验结果，实验结果只有2组数据，过于简单，而且只限于确定声音方向与传声器阵列的夹角，没有给出声源位置的完整空间位置描述。因此，我们决定建立一个实际可用的能确定平面空间中声源位置的声源定位系统，把我们的研究更推进一步。不论何种声源定位原理，都需要分析两个或多个传声器对同一段声音采

13、集的差别，根据这个差别得出定位结果。这要求对声音进行同步采集，也就是要使用同一个采样脉冲序列对多个传声器拾取的声音信号进行量化。根据理论的推算，各路声音采集的同步误差要限制在微秒级别，才不至于太影响定位结果。另外。声源定位系统如果要实现对运动声源的定位，就要求数据同步采集系统能实时的将采集数据传输至处理器供定位程序使用，其最大能容忍的传输延迟由运动声源的运动速度决定。而定位系统要在平面空间中定位声源，一般采用3个独立的传声器或者多个传声器阵列，这要求采集系统至少要有3个以上的采集通道，由于定位算法对声源定位系统中声音数据的采集提出了特殊的要求，建立实用的声源定位系统的关键是要使得数据采集能满足

14、算法要求。为此，采用三块具有放大、滤波、整形的传声器对声源进行同步采集，并实时的将数据传输到处理器，这样，就组成了一个3路同步声音采集系统，最后加上处理器上的声源定位程序，就组成了一个完整的声源定位系统。2 声源定位系统硬件设计2.1 硬件设计简介本系统所要完成的工作是：三点麦克风阵列负责采集声源信号；声源信号经过放大、滤波和整形传送给单片机；单片机根据得到的信号进行数据处理和分析；计算出声源坐标后显示在液晶上，整个过程由三端稳压集成电路供电。本设计的主要设计目标：1） 声源采集范围：60cm*60cm的正方形区域；2） 带通滤波器通频带宽：3kHz1kHz； 3） 声源定位误差：5cm，5c

15、m；简单的系统组成原理如图2-1所示。当声源在设定区域内产生时，三点麦克风阵列依次采集到声音信号，经过各自的放大、滤波、整形后，经由输入接口送到单片机内部，单片机对传来的信号进行处理后，得到声源坐标，并将坐标显示在液晶上。整个过程由三端稳压集成电源提供电能。图2-1系统组成原理图Fig.2-1 System composition principle diagram系统的工作过程是：首先，三点麦克风阵列分别固定在60cm*60cm正方形区域的三个顶点。当声源在这个区域内产生时，声音会向四面八方扩散，三点麦克风会一次接收到声源的信号，但是由于声音信号是微弱的，所以要经过放大器进行放大，放大后的声

16、音信号也要经过带通滤波器的滤波，防止干扰信号的进入，该带通滤波器设置的通频带宽为3kHz1kHz，由于此时的信号还是连续量，这种信号无法被单片机接收，所以该声音信号还要经过最后一道工序，那就是整形，由比较器整形成0V或5V的电平信号，之后直接传送给单片机，有单片机对三点声源信号进行分析与处理，计算出声源坐标后会显示在液晶屏幕上。例如，开始时，整个系统处于待机状态，在某一时刻，声源产生后，三点麦克风会有序的对声源信号进行采集，经过放大、滤波、和整形后，传送到单片机内，单片机会自动的对采集到的三点信号进行声源分析与数据处理，处理完毕后会立刻显示在液晶屏幕上。如果麦克风采集到的声源信号属干扰信号，就

17、会被带通滤波器的环节被衰减掉，不会传到单片机内。系统的详细框图如图2-2所示。图2-2 系统详细框图Fig.2-2 Diagram of the system in detail系统在设计思想上摒弃了以往的一体化结构设计方法，采用了模块化结构，最终用户通过与处理器进行人机对话，完成所有的操作。信号传输的物理通道是处理器的输入引脚接口与从设的输出端。所有的计算均在处理器内进行，从设是处理器的一个外部设备。处理器由单片机充当，其主要功能包括:接收传声器发送过来的信号；对该信号进行数据分析与处理；在液晶屏幕上显示计算结果等。从设由传声器充当，其主要功能包括：采集声源信号；对生源先好进行放大、滤波、整

18、形；将整形后的信号传输给单片机等。处理器的硬件电路主要由单片机及其外围电路构成，外围电路主要包括：启动电路、复位电路、晶振电路、液晶电路。从设的硬件电路主要包括:放大电路、带通滤波电路、比较（整形）电路、供电接口电路等几部分。2.2 硬件电路设计2.2.1 单片机最小系统及显示模块设计1）单片机最小系统设计设计思想：单片机最小系统包括单片机及其接口电路、复位电路、晶振电路、程序下载电路、供电及电源扩展电路。其中，单片机及其接口电路，用于给外设的连接提供输入输出接口，本次设计需要连接的外设有传声器阵列和液晶模块，该部分电路如图2-3所示。图2-3 单片机及其接口电路 Fig.2-3 Single

19、 chip and its interface circuit复位电路，类似计算机的重启，若程序跑飞会进入死循环，可选择按复位按钮。stc89c52的复位引脚RST为下降沿复位，其复位电路如图2-4所示。图2-4 复位电路Fig.2-4 reset circuit晶振电路，给单片机提供工作脉冲，类似人类的心跳，同时决定单片机的工作塑速率。stc89c52单片机最大工作频率可以达到32M，其晶振电路如图2-5。图2-5 晶振电路Fig.2-5 xtal circuit程序下载电路，用于计算机与单片机之间的通讯，用户将程序下载到单片机中需要此电路，同时也可用于调试，其程序下载电路如图2-6。图2-

20、6 程序下载电路Fig.2-6 Program download circuit供电及电源扩展电路，作为与电源连接的接口，并扩展出多路以供其他外设供电使用，其供电及电源电源接口电路录入2-7所示。图2-7 供电及电源扩展电路Fig.2-7 Power supply and power expansion circuit2） 显示模块设计设计思想：本次设计采用LCD1602作为显示模块，只用于显示声源定位坐标。其液晶接口电路如图2-8所示。图2-8 液晶接口电路Fig.2-8 LCD interface circuit2.2.2 传声器模块设计1）麦克风电路设计设计思想：根据本次系统的设计要求，

21、麦克风采用驻极式小话筒，为使麦克风正常工作，需要提供+12V电源。麦克风电路如图2-12所示。图2-9 麦克风电路Fig.2-9 mic-level signal2） 放大电路设计设计思想：由于麦克风采集的声音信号幅值很低，为了方便单片机的接收，需要放大声源信号，器件选择LM324通用放大器。放大器电路如图2-10所示。图2-10 放大电路Fig.2-10 amplifying circuit在系统运作过程中，无法避免的一些直流信号干扰，图中C11作为滤波使用，有效将直流干扰信号隔离在放大电路之外。设输入为，输出为，放大倍数为K,反馈回路电流为I，根据虚短虚断原理，则： （2-1） （2-2）

22、所以： （2-3）即，该放大电路对声源信号放大了72倍。3） 滤波器电路设计对于信号的频率具有选择作用的电路称为滤波电路，它的功能是使特定频率范围内的信号通过，而阻止其他频率信号通过。滤波电路按是否使用运放分为有源滤波和无源滤波，由于有源滤波具有更高的可靠性，本次系统采用有源滤波电路。按截止频率的高低可将滤波器分为低通、高通、带通和带阻，设低频段截止频率为，高频段截止频率为，频率为和之间的信号能够通过，低于或高于的信号被衰减，这种电路称为带通滤波电路，本次设计采用带通滤波电路。设计思想：由高通滤波器和低通滤波器组成的3kHz1kHz的带通滤波器，为了便于采集，实现声源定位的模拟，此系统只针对3

23、kHz左右（较尖锐）的声源进行采集，如果想采集其他频率的声音，可以调整滤波电路中R或C的值。同时，由于在系统工作时，不可避免的会引入噪声或低频干扰，噪声是一种频率很高的声音，而低频声音频率很低，这些干扰都会在此带通滤波中得到衰减。带通滤波器电路如图2-11所示。图2-11 带通滤波电路Fig.2-11 bandwidth-limited circuit由图可知，前半部分为低通滤波器，后半部分为高通滤波器。由图中参数可以算出其截止频率： （2-4） （2-5）其中，为低通滤波器的上限截止频率，为高通滤波器的下限截止频率，即带同频率为1.69kHz与3.38kHz范围内，基本满足本次设计声源频率在

24、31kHz左右的要求。4） 整形电路设计设计思想：由于经过放大和滤波的声源信号不是标准的电平信号，不能被单片机接收，需要设计整形电路对其进行转换。电路采用一块比较器、二极管和下拉电阻组成。整形电路如图2-12所示。图2-12 整形电路Fig.2-12 shaping circuit设比较电压为，则：（2-6）如果输入信号的幅值低于，则输出的电压为0V；若输入信号的幅值高于，则输出的电压为12V。经过分压得到5V的电平信号。但是由于分压电阻、单片机的上拉电阻、比较器输出信号的不标准等因素，会造成一定的误差，但是不影响单片机对信号的接收。二极管的作用是：基于二极管的单向导通性，有效防止单片机的输出

25、电流输入到比较器的输出端，造成信号的混叠与断续。2.2.3 电源模块设计设计思想：该单元采用成熟的三端稳压集成电路，即先通过变压器将220V变成18V，再经过桥式整流、电容滤波、稳压管，得到12V和5V的电压。该电源电路如图2-13所示。图2-13 电源模块电路图Fig.2-13 Power supply module circuit diagram2.3 系统干扰措施电路一旦引入干扰或噪声，轻声影响精度或其他性能指标，重者会引起误操作，甚至造成元器件的物理损伤。散热设计对电子设备的有效性和可靠性也有很大的影响，温度的变化直接影响元器件工作的稳定性和可靠性，晶体管工作点会随温度变化而变化，散热

26、设计对于大功率器件更是必不可少的。总之，散热设计就是要对板上的元器件及整个板子进行热控制，使他们规定的温度范围内工作。布局时考虑的问题：元器件分布均匀、集成块方向一致间隔相等、元器件排列尽量紧凑以缩短两线短降低连接阻抗、对功率较大的发热元器件外加散热器。考虑不同电路单元之间互相干扰的问题。例如：将敏感的电路单元原理易产生干扰的电路单元，会引起误操作，甚至造成元器件的物理损伤；例如下列常见干扰现象数值电路部分和模拟电路部分分开，根据信号电平高低的不同，高电平电路和低电平电路分开，根据工作电流的大小不同，大电流电路和小电流电路分开，布线时间考虑的问题：导线力求路径短捷，以减小连接阻抗，导线拐弯处应

27、为圆弧形，以免在高频电路和布线密度高的情况下影响电气性能，合理的接地，印制板上的实际电路，接地端的数目可能是很大的，而且可能是各种数字、模拟、高频、低频、大电流、小电流电路同时共存，根据不同单元的特点，在总体上突出并联一点，局部上采用串联一点。在没有布线的区域填充网格状的屏蔽地平面。3 声源定位系统软件设计3.1 软件设计简介系统采用C语言编程实现各种功能。C语言本身带有各种函数库，算术运算能力较强，而本次设计中算术运算又比较多且比较复杂，利用C语言编程优势完全可以体现出来。系统的软件部分主要在单片机上运行，它为最终用户提供友好的人机界面。用户可以方便地观察声源定位的坐标。单片机在接收完声源信

28、号后，由软件自动计算出声源坐标，用户可以很直观在地屏幕上观察测试的结果。软件功能主要集中于“时差法定位声源坐标”功能算法上，它需要完成：等待最先到达的声源信号；记录后两次声源信号的达到时间；对时间数据进行处理，得到声源坐标。开始时，系统对使用的模块进行初始化处理，包括定时器初始化和液晶初始化。然后，系统进入等待状态，等待第一次声源信号的到达。当第一次声源信号达到后，系统先对该到达信号进行判断，判断该信号为那个传声器先采集到的，判断完成后，将自身定时器数值清零，进入对应的程序段，继续等待下一声源信号的到来。例如，传声器1最先采集到声源信号，处理后送给单片机，单片机判断该声源信号为传声器1先采集到

29、的，立即清零定时器数值，然后跳入对应程序段，等待传声器2或传声器3的下一声源信号到来。当第二次声源信号到达后，系统再次对该到达信号进行判断，判断完成后，记录此刻的定时器数值记为t1，然后进入对应的程序段，继续等待第三次声源信号的到达。例如，第一次达到的是传声器1送来的信号，第二次声源信号到来后，系统进行判断后，确认该信号是传声器2送来的信号，记录从传声器1信号达到到传声器2信号到达所经历的时间（即定时器数值），然后继续等待第三次声源信号的到达。当第三次声源信号到达后，立即记录此刻的定时器数值记为t2，然后跳入对应程序段。例如，第三次到达的声源信号是传声器3送来的，记录此时定时器数值t2，至此，

30、声源信号接收阶段完毕。当两次时差t1和t2数值全部更新完毕后，系统进入声源坐标计算程序段，具体的计算过程将在时差定位算法子程序设计中详细阐述。通过以上分析可以知道，系统的软件相对来说比较简单，按照自顶向下的设计思想和模块化设计的观点，设计出了下面的流程图（仅一种情况）图3-1。图3-1 软件系统流程图Fig.3-1 Software system flow chart本程序是在WindowsXP环境下采用keil4软件编写的，实现对声源时差的记录和声源坐标的计算与显示。上文己经对系统的硬件和软件功能作了明确的划分，并对软件的功能提出了明确的要求。接下来将具体介绍软件结构，并对其中主要的模块所涉

31、及的技术进行详细阐述。3.2 软件程序设计3.2.1 系统主程序设计主程序完成的任务主要是对整个系统的运行进行必要的初始化，并调用子程序来完成各项任务。初始化函数包括对定时器和液晶显示的初始化，其中，选用的是定时器0，用来存储声源依次到达三点所需要的时间，而液晶的初始化是为显示做必要的准备。系统主程序的流程框图如图3-2所示。图3-2 主程序流程图Fig.3-2 The main program flow chart图中，坐标测量函数与坐标显示函数实现的功能分别是坐标的计算与坐标的显示。在主程序中，这两个函数将被循环调用。如果单片机运算速度足够快，可实现对连续的声音进行实时采集、运算和显示。主

32、程序的编程界面如图3-3所示：图3-3 主程序编程界面Fig.3-3 The main program programming interface主程序的工作过程是这样的：系统上电后，程序开始调用定时器初始化函数，打开定时器T0，设置定时器工作方式为方式一，即16位定时器/计数器工作方式，并置位定时器0工作允许位TR0。由于本次程序没有用到定时器中断，所以没有对中断允许喂EA和ET0置位。然后系统调用液晶初始化函数，这个函数包括打开1602的显示、设置为8位数据接口、不显示光标、写一个字符后地址指针自增一、显示请0、数据指针清0等。接着进入大循环中，不断的依次调用坐标测量函数和坐标显示函数，这

33、样，如果有声源产生，在宏观上就可以看到液晶显示器上显示出声源坐标。3.2.2 时差定位算法子程序设计在第一章我们概述了声源定位的三种原理：模拟人双耳的定位原理，基于到达时间差的定位原理和基于声压幅度比的定位原理。在我们实现的室内声源定位系统中，我们使用一种基于直达声到达时间差的声源定位算法。可以想象，当声源发出时，由于声源距离三个传声器的远近是不同的，所以三个传声器一定是依次接收并传送。这样的话，单片机一定要一个一个的算出传播时间。所谓时差，就是在收到第一个传声器发来的信号后开始计时，等到接收到第二个传声器发来信号，中间这段时间记为时间1，等第三个传声器发来信号后，这段时间记为时间2，根据时间

34、1与时间2可以计算出声源坐标。程序流程图如图3-4所示。图3-4 时差定位算法程序流程图Fig.3-4 Time localization algorithm process flow diagram该过程所涉及的变量较多，为了便于下面的分析，这里罗列如下：三个接收引脚标号：a、b、c；三个传声器标志位：flag_a、flag_b、flag_c；六个用于记录时间差的变量：a_t1、a_t2；b_t1、b_t2；c_t1、c_t2；一个用于超时判断并返回主程序的标志位：flag_out；其编程界面如图3-5所示：图3-5 子程序编程界面Fig.3-5 Subroutines programmin

35、g interface时差定位算法具体工作过程是这样的：首先，主程序进入等待状态，等待声源信号的产生，表现在单片机内部就是接受声源的引脚产生低电平的跳变，如果无低电平跳变，单片机将一直等待，如果产生低电平，先将定时器内的计数清零，然后将对应的标志位置1，则系统会进入对应的循环程序段内。例如，如果传声器B先发来低电平信号，即b=0，首先清空定时器TH0=0、TL0=0；然后置位flag_b=1，系统根据flag_b的置位情况，选择进入对应的程序段，该程序段内继续等待传声器A或传声器C发来低电平信号，假如传声器A发来第二个低电平信号，即a=0，立刻记录此时定时器所存储的时间为b_t1，然后继续等待

36、最后一个传声器发来低电平信号，当第三个传声器发来信号后，即c=0，立刻记录此时定时器所存储的时间为b_t2，这样，由于两个时间差都得到了，接下来调用坐标计算函数，在那个函数里，系统会根据时间差来求得声源坐标。在上述过程中，如果声音信号没有及时到达，系统会进行超时判断，超时之后会放弃已经记录的数据，回到主函数，并继续等待。上面阐述的是单片机如何工作的，接下来分析坐标是如何得到的。坐标分析如图3-6所示。图3-6 坐标分析示意图Fig.3-6 Coordinate analysis schemes如图，设O点为原点传声器、A点为x轴上传声器、B点为y轴上传声器，C为待求声源坐标。假定，O 点最先检

37、测到声源，以O点为圆心做圆，连接AC、BC,设圆周长为r，圆外长度分别为r1、r2，设经过r1需要时间为t1，经过r2需要时间为t2，声速为v（v=340m/s），可得： （3.1） （3.2）由图，根据欧股定理，可得： （3.3） （3.4） （3.5）将式3.3、式3.4、式3.5极坐标化，得： （3.6） （3.7）因为，所以： （3.8）最后，将式3.1、式3.2代入式3.8，解得： （3.9）这样，只要知道到达时间t1、t2，就可以由式3.9求出r，最后再由式3.3、式3.4和式3.5求出x和y。以上就是基于时差法声源定位的原理分析。4 系统的仿真与调试整个声源系统硬件设计和软件设计

38、完成后，就可以进行系统的总装，然后进入系统整体调试和仿真阶段。4.1 硬件联调1） 系统总装本次声源定位系统对声源的捕捉范围是60*60 cm，图4.1为本次系统的安装实物图。图4.1 实物图Fig.4-1 Installation real figure图中，AB、AC距离均为60cm，A、B、C三点分别安装三个传声器，三点传声器分别引出信号线和电源线，信号线连接单片机信号输入引脚，电源线连接稳压电源12V。2） 硬件调试系统组装完成后，需要进行硬件的调试，如果硬件系统联调没有通过，软件联调就无法进行。首先，打开电源，观察单片机、传声器的电源指示灯是否点亮，如果指示灯不亮，证明整个系统没有供

39、电，需检查电源开关是否开启或接触不良，检查导线是否有断路，检查各个硬件模块的电源与接地端是否虚焊等等。如果系统电源供电正常，接着调试传声器是否正常工作。用电压表分别测试三个传声器输出引脚的电平变化，经过第二章的分析可知，经过传声器的放大、滤波、整形后得到标准的低电平信号，当有声源信号产生，如果输出端输出低电平，证明传声器工作正常。最后调试单片机最小系统各个功能是否完善，如下载程序、复位功能、引脚是否有相应的电平输出、液晶是否正常显示等。经过以上步骤对硬件系统的联调，各部分均工作正常。4.2 软件联调在硬件联调成功后，可以进行软件联调。在软件联调过程中，不但会发现软件错误，也会发现一些在硬件调试

40、阶段未发现的硬件故障或设计欠缺，并予以修改。软件联调主要针对以下几个方面：1） 液晶是否可以正常显示2） 声源产生后，系统是否迅速做出判断3） 系统是否能计算出较精确的坐标值经过联调，以上问题均已解决，可以达到系统要求。4.3 系统调试在硬件联调和软件联调完成后，还应进行全系统的硬件、软件统调，也即通过模拟工作的实际环境等，研究、分析系统性能。进行本次设计系统联调时，总共进行了三次模拟调试，前两次调试均发现一些严重的问题，现将数据统计在下面的表格中，并加以分析和说明。1）调试过程一：表4-1 调试一的数据Tab.4-1 Commissioning a data测试次数12345678910实际

41、数据0,015,030,060,00,150,300,6015,1530,3060,60测试数据XXXXXXX17,1923,27X由表4-1可知，10次测试有8次数据为X（X表示数据为乱码），表明该系统存在严重的干扰问题，分析可知，整个测试装置是平放在地面上的，装置与地面是直接接触的，而且声源的产生时通过敲击地面实现的，猜测可能是因为地面声音的传导比空气的迅速，导致传声器最先采集的声源信号是由大地送过来的，对传声器的采集造成了严重干扰。解决方案：我们选择将装置固定在一块具有一定厚度的纸板上，并选择在空气中制造声源，进而减小地面传导对系统造成的干扰。2） 调试过程二：表4-2 调试二的数据Ta

42、b.4-2 Commissioning of the data测试次数12345678910实际数据0,015,030,060,00,150,300,6015,1530,3060,60测试数据X22,1737,1537,2214,2316,22X24,4327,3679,63由表4-2可知，10次测试数据只有2次为X，表明系统对大地传导产生了很好的抗干扰能力，但是新的问题由出现了，即实际数据与测试数据相差较大，达不到系统要求的5cm的要求，所以需要继续改进。我们猜测，会不会在声源采集过程中，某个传声器“听不太清”，即第一次声音没有捕捉到，而把回声或地传导的声音给捕捉了，如果这边声源一产生，传声

43、器就能采集到一定不会发生误差过大的现象。解决方案：给每个传声器的麦克都装上喇叭，用来提高声音采集的“清晰度”，提高传声器捕捉第一次声源信号的能力。3）调试过程三：表4-3 调试三的数据Tab.4-3 Commissioning of the three data测试次数12345678910实际数据0,015,030,060,00,150,300,6015,1530,3060,60测试数据10,1119,931,756,513,177,338,5517,2031,3362,64由表4-2可知，这次测试数据比较理想，不但没有X的出现，数据误差也基本稳定在5cm左右的范围内，但仔细分析还可以发现，

44、该系统对边界数据采集的误差较大，这个现象与传声器的摆放角度有一定的关系，可通过改变传声器结构来解决，本次设计未做到这一点。5 技术经济分析经计算，该系统的器件所花费的总额为122.3元，其器件清单如下所示：表5-1 器件清单Tab.5-1 Device list器件名称数量单价（元） 金额（元）STC89C52单片机2个4.59.0覆铜板10块0.55.0晶振3个0.61.8LCD16021块15.015.0驻极话筒3个1.03.00LM324N3个1.54.5变压器1块22.022.0整流桥1个2.02.0稳压器4个3.012.0电阻若干0.015.0电容若干0.025.0杜邦线若干0.01

45、5.0焊锡1卷33.033.0经济分析：本次声音定位系统设计，以较低的开销，完成了较高的设计指标，并且在系统设计与调试的过程中，均没有出现大的问题，比如器件的烧毁等，所以，本次设计具有较高的性价比。6 结论本文参阅了大量相关文献资料，首先对声源定位研究课题的研究现状进行了介绍，并对三种声源定位方法的优缺点和适用范围进行了介绍，说明了选择基于时间差方法的原因，对声源定位系统硬件设计和软件设计做了详细的介绍，提出了自己的数据采集系统设计方法。为了更准确的阐述声源定位原理，细致的分析了基于时间差声源定位方法的理论分析与定位过程。最后对整个系统进行了测试与联调，并针对测试结果对系统加以改进。通过研究可

46、以得出以下结论：1） 基于声压幅度比的定位方法是很经典的定位声源坐标的例子。但它的应用范围有一定的局限性，精度也比较差，为此，本设计适用了基于时间差的声源定位法，该法具有适用范围光，测试速度快，精度高等优点。2） 设计高质量的传声器及前置放大器、带通滤波器和整形电路有利于获得正确的定位结果。只有对声源信号进行正确的前置处理，系统才能更准确对声源坐标进行定位。因此，必须提高传声器的性能。3） 对各种干扰要进行必要的处理措施。最直接的是电源噪声的影响，电源噪声会影响前置放大器的性能，回声的干扰会影响系统的精度，系统的工作地点要尽量避免在高电磁、高电压的环境中等等。本文只在定位系统上做了一个简单的实

47、验，尝试各种算法并得到一个最满意的结果将是我们下一步要做的事情。致谢在此毕业设计结束之际，首先要感谢我的指导教师闫孝姮老师，在闫老师的悉心指导下，我走过了本科生活的组以后一个重要环节，顺利完成了毕业设计。特别感谢我的父母，对我16年学习生活长期默默的支持和鼓励，有了他们，才有我的今天。感谢我的同学们，在查找相关资料和绘图过程中，我得到了同学们的热情而友好的帮助。毕业在即，愿老师桃李满天下！愿父母身体健康！愿同学们前程似锦！愿好人一生平安！参考文献1 邱关源,罗先觉.电路M.第五版.北京:高等教育出版社,2000.2 童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.第四版.北京:高等教育出版社,2006.3

48、 谭浩强.C程序设计M.第三版.北京:清华大学出版社,2005.4 张毅刚,彭喜元,董继成.单片机原理及应用M.第一版.北京:高等教育出版社,2003.5 何立民.单片机应用系统设计M.第七版.北京:北京航天航空大学出版社,1990.6 刘乐善.微型计算机接口及应用M.第七版.北京:华中科技大学出版社,1995.7 高吉祥,王晓鹏,宋克慧.全国大学生电子设计竞赛培训教程M.第一版.北京:电子工业出版社,2011.8 郭天祥.51单片机C语言教程M.第四版.北京:电子工业出版社,2010.9 杨欣.电子设计从零开始M.第二版.北京:清华大学出版社,2010.10 陈可,声源定位系统的研究D.北京

49、：中国科学技术大学硕士,2003.11 林志斌,徐柏龄.基于传声器阵列的声源定位C.电声技术,2004,3841.12 冯海涛,乔崇,邢涛.基于传声器阵列的声源定位C.电声技术,2003,3437.13 邵怀宗.基于麦克风阵列的声源定位研究J.云南民族大学学报(自然科学版),2004,13(4):25625814 Jie Huang:Ohnishi.N:Sugie.N. A biomimetic system for localization and separation of multiple so und sourcesJ. Instrumentation and Measurement.

50、 IEEE Transactions on Volume 44,Issue 3. Jue 1995. Page(s): 733-738.附录A 译文微机发展简史第一台存储程序的计算开始出现于1950前后，它就是1949年夏天在剑桥大学，我们创造的延迟存储自动电子计算机（EDSAC）。最初实验用的计算机是由象我一样有着广博知识的人构造的。我们在电子工程方面都有着丰富的经验，并且我们深信这些经验对我们大有裨益。后来，被证明是正确的，尽管我们也要学习很多新东西。最重要的是瞬态一定要小心应付，虽然它只会在电视机的荧幕上一起一个无害的闪光，但是在计算机上这将导致一系列的错误。在电路的设计过程中，我们经常

51、陷入两难的境地。举例来说，我可以使用真空二级管做为门电路，就象在EDSAC中一样，或者在两个栅格之间用带控制信号的五级管，这被广泛用于其他系统设计，这类的选择一直在持续着直到逻辑门电路开始应用。在计算机领域工作的人都应该记得TTL、ECL和CMOS，到目前为止，CMOS已经占据了主导地位。在最初的几年，IEE（电子工程师协会）仍然由动力工程占据主导地位。为了让IEE 认识到无线工程和快速发展的电子工程并行发展是它自己的一项权利，我们不得不面对一些障碍。由于动力工程师们做事的方式与我们不同，我们也遇到了许多困难。让人有些愤怒的是，所有的IEE出版的论文都被期望以冗长的早期研究的陈述开头，无非是些

52、在早期阶段由于没有太多经验而遇到的困难之类的陈述。60年代的巩固阶段60年代初，个人英雄时代结束了，计算机真正引起了重视。世界上的计算机数量已经增加了许多，并且性能比以前更加可靠。这些我认为归因与高级语言的起步和第一个操作系统的诞生。分时系统开始起步，并且计算机图形学随之而来。综上所述，晶体管开始代替正空管。这个变化对当时的工程师们是个不可回避的挑战。他们必须忘记他们熟悉的电路重新开始。只能说他们鼓起勇气接受了挑战，尽管这个转变并不会一帆风顺。小规模集成电路和小型机很快，在一个硅片上可以放不止一个晶体管，由此集成电路诞生了。随着时间的推移，一个片子能够容纳的最大数量的晶体管或稍微少些的逻辑门和

53、翻转门集成度达到了一个最大限度。由此出现了我们所知道7400系列微机。每个门电路或翻转电路是相互独立的并且有自己的引脚。他们可通过导线连接在一起，作成一个计算机或其他的东西。这些芯片为制造一种新的计算机提供了可能。它被称为小型机。他比大型机稍逊，但功能强大，并且更能让人负担的起。一个商业部门或大学有能力拥有一台小型机而不是得到一台大型组织所需昂贵的大型机。随着微机的开始流行并且功能的完善，世界急切获得它的计算能力但总是由于工业上不能规模供应和它可观的价格而受到挫折。微机的出现解决了这个局面。计算消耗的下降并非起源与微机，它本来就应该是那个样子。这就是我在概要中提到的“通货膨胀”在计算机工业中走

54、上了歧途之说。随着时间的推移，人们比他们付出的金钱得到的更多。硬件的研究我所描述的时代对于从事计算机硬件研究的人们是令人惊奇的时代。7400系列的用户能够工作在逻辑门和开关级别并且芯片的集成度可靠性比单独晶体管高很多。大学或各地的研究者，可以充分发挥他们的想象力构造任何微机可以连接的数字设备。在剑桥大学实验室力，我们构造了CAP，一个有令人惊奇逻辑能力的微机。7400在70年代中期还不断发展壮大，并且被宽带局域网的先驱组织Cambridge Ring所采用。令牌环设计研究的发表先于以太网。在这两种系统出现之前，人们大多满足于基于电报交换机的本地局域网。令牌环网需要高可靠性，由于脉冲在令牌环中传

55、递，他们必须不断的被放大并且再生。是7400的高可靠性给了我们勇气，使得我们着手Cambridge Ring.项目。精简指令计算机的诞生早期的计算机有简单的指令集，随着时间的推移，商业用微机的设计者增加了另外的他们认为可以微机性能的特性。很少的测试方法被建立，总的来说特性的选取很大程度上依赖于设计者的直觉。1980年，RISC运动改变了微机世界。该运动是由Patterson 和 Ditzel发表了一篇命名为精简指令计算机的情况论文而引起的。除了RISC这个引人注目缩略词外，这个标题传达了一些指令集合设计的见解，随之引发了RISC运动。从某种意义上说，它推动了线程的发展，在处理器中，同一时间有几个指令在不同的执行阶段称为线程。线程不是个新概念，但是它对微机来说是从未有过的。RISC受益于一个最近的可用的方法的诞生，该方法使估计计算机性能成为可能而不去真正实现该微机的设计。我的意思是说利用目前存在的功能强大的计算机去模拟新的设计。通过模