声音定位系统

1、2014年“TI”杯重庆市电子设计竞赛 声音定位系统 竞赛选题： 声音定位系统 学 校： 重庆大学城市科技学院参赛队员： 孙绍丹 徐敏 程莉 摘要本设计采用TI公司生产的超低功耗单片机MSP430F149作为定位系统的声源产生模块和信息处理模块，实现了声音信号的发生、信号收集处理和屏幕显示以及语音提示等功能。声源接收单元信号反应灵敏，能较准确的得到信号并及时传送到信号处理单元。可以实现信号的运算处理以及控制LCD液晶屏幕显示测试数据。在定位算法上采用的是一般数学算法。通过调试修正以后，能实现基本的声源定位并显示。关键词：声音定位 低功耗 MSP430目录引言21.1、主要任务21.2、设计要求

2、31.2.1、基本要求31.2.2、发挥部分3一、前言4二、 方案论证52.1硬件方案对比52.1.1 声源模块52.1.2、接收模块放大芯片62.1.3、显示模块82.2、算法比较92.2.1、定位算法一：92.2.2、定位算法二：102.3、硬件系统细节框图11三、单元模块设计113.3.1、放大电路133.3.2、滤波电路143.3.3、单限电压比较电路和555整形电路15四、软件设计164.1 软件流程图16五、参考文献17引言 1.1、主要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

3、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所示。 图1 声音定位系统结构示意图1.2、设计要求1.2.1、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

4、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。1.2.2、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

5、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、 前言 2、 方案论证 图2系统框图 单片机产生基波频率为500Hz左右的方波，使声响模块产生声音信号给声音接收、处理模块。声音接收处理模块对接收到到声音进行放大处理后送到以MSP430F149为核心的单片机中进行算法处理，得到声响模块所在位置的x、y坐标值，由LCD显示屏显示。2.1硬件方案对比 本设计分以下几个模块组成：声响模块、声音接受模块、信号处理模块。现对模块的选用方案进行论证。2.1.1 声源模块方案一：有源蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩

6、具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。方案二：无源蜂鸣器有源和无源的区别：这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。方案三：喇叭 8欧0.5瓦喇叭价格实惠，声音响亮，声音纯度较高，并且完全满足本次设计的需求，故本次采用的是喇叭作为发声源。综上所述，选取便宜可控的喇叭更符合设计需要。2.1.2、接收模块放大芯片（1）、放大器选择 方案一：LM358 LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内

7、部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大。 方案二NE5532： NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源的带宽，电源电压范围大。这使该器件保真度高，顶级音频前置放大。特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。 鉴于本次作品对噪音的敏感度要求高，因此使用NE5532，因为它能保证噪声电压指标。（2）、比较器

8、选择：方案一：LM311LM311是电压比较器，可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用LM311可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。通过电压的比较，比较两输入端电压数值的高低，使输出翻转，达到控制的目的。 方案二：LM393LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.010mV)能导

9、致快速转换,使得不可能产生由于 寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC 并在引脚上加上电阻将引起输入输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号时脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。 LM311是单电压比较器,LM393是双电压比较器.LM311的负载电流可达50MA,电压40V.能驱动继电器,最低电源电压5V。LM393负载电流16MA,单电源时最低电压2V。由于本次设计是将经过差分比例运算电路放大的两路温度传感器的压差值，转换为高低电平两状态的变化，以驱动发光二极管和蜂鸣器报警电路。LM311做比较器就能满足要求了。2.1.3、显示模块方案一：TFTTFT是LCD的

10、一种是最好的LCD彩色显示器之一，TFT式显示器具有高响应度、高亮度、高对比度等优点，其显示效果接近CRT式显示器。LCD12864为带中文字库的128X64 是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块。其显示分辨率为128×64, 内置8192 个16*16 点汉字，和128 个16*8 点ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4 行16×16 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显

11、示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。方案二：LED显示屏LED显示屏：又称电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵列和led pc 面板组成，通过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频，内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构成，负责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画的；电源系统负责将输入电

12、压电流转为显示屏需要的电压电流。本次大赛要求的是128*64以上分辨率的显示屏，所以选择LCD12864就能满足设计要求。并且自带字库，简单方便。故本设计采用LCD显示屏。2.2、算法比较 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）： 2.2.1、定位算法一： （1） （2） （3） （4） 单片机

13、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。 ； （5） ； （6） ； （7） ； （8） 解出： ； ； ； ； ； ； 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。2.2.2、定位算法二： L1=x2+y2-x+350-y2 (1)L2=x2+y2-500-x2+y2 (2)f1x,y=x2+y2-x+350-y2-L1=0 (3)f2x,y=x2+y2-500-x2+y2-L2=0 (4) 然后对（3）（4）分别对

14、x,y求一介微分：f1xx,y=xx2+y2-xx2+(350-y)2;f1yx,y=xx2+y2-350-yx2+(350-y)2;f2xx,y=xx2+y2+500-x(500-x)2+y2;f2yx,y=xx2+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*f1

15、yxk,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。两种算法比较第一种算法程序比较简短，适合用单片机处理。故这里选择第一种算法。2.3、硬件系统细节框图 方案确定后的系统框图细节如下： 图3硬件系统细节框图三、单元模块设计 本次设计主要由声响模块、声音接受模块、信号处理模块这三个模块组成。声响模块产生声音信号，由声音接收模块接收信号并产生电流脉冲，经总线系统传送到信号处理模块进行运算处理，将测试数据显示在LCD显示屏上3.1声响模块：由单片机最小系统产生频率为500HZ左右的方波信号从引脚P2.0输出

16、，利用单管放大后给喇叭发声。其中电位器可对音量进行调节。如图6是声响模块电路图。单片机最小系统采用的是TI公司生产的超低功耗的MSP430F149单片机为核心，实际电路中需和声源模块相连接的端口为P2.0，由它产生方波。 图6发送系统模块电路图7声响模块电路图 3.2声音接收模块： 用四个咪头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。 3.3信息处理模块： 3.3.1、放大电路 图9放大电路图 NE5532是典型的双极型输入运算放大器，用单个NE5532组成的小功率电路有很多版本，放大倍数是由R3和R2来控制的

17、，理论上说如果R3为1k，R52为100k，则其放大倍数为100倍，但对于耳放来说，这会引起自激，再说就算真的能达到100倍，效果也不可能好，所以这个电路用于前级时也最好别调成100倍。当然，对于耳放定23倍可以让负反馈适量、音质柔和、清晰更通透，但放大倍数也不能太小，否则也会影响音质，可以通过反复调试，达到自己满意的效果。 3.3.2、滤波电路 图9滤波电路图 本次设计用NE5532来做滤波器中的运放，NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双运放）集成电路。对高于经过放大电路放大后输入的频率值进行滤波。将滤波后的值再送入二级放大电路，进行二次放大后，继续由NE5532做运放的滤波电路中进行

18、滤波。将滤波后的值送入由LM311做运放的单限电压比较电路。 3.3.3、单限电压比较电路和555整形电路 图10单限电压比较电路和555整形电路单限电压比较器也是由单个集成运放构成，作用是将经过运算电路放大的两路不同频率值的信号波进行比较，转换为高低电平两状态的变化，促发MSP430F149设定的引脚高低电平变化。 555 定时器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555 定时器的电源电压范围宽，可在 4.5V16V 工作，7555 可在 318V 工作，输出驱动电流约为 200mA，因而其输出可与 TTL、CMOS 或者模拟电路电平兼容。 555 定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它内部包括两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个 RS 触发器，一个放电管 T 及功率输出级。它提供两个基准电压VCC /3 和 2VCC /3 555 定时器的功能主要由两个比较器决定。两个比较器的输出电压控制 RS 触发器和放电管的状态