声音定位系统设计报告

参赛学生：王学庆宋辉尚翰指导老师：段英宏学校：天津科技高校院系：电信学院

声音定位系统设计与总结报告摘要：本文描述了声音定位系统的设计原理和实现方法。该系统由XS128单片机限制，利用555电路产生500HZ电平信号。主限制器利用不同声音接收器间产生的误差信号，并通过合适的算法定位其运动。系统最大特点在于软件设计采纳层次化、模块化的设计方法，使得困难数学模型和限制算法得以简化和快速开发。经调试和测试，系统各项性能参数已基本达到设计指标。且本系统在设计中留意低功耗处理和力求高性价比等细微环节。关键词：声音定位SX128单片机555电路算法AbstractThispaperdescribesthesoundpositioningsystemdesignprincipleandmethodofthesystemXS128single-chipmicrocomputercontrol,use555HZlevelsignalcircuitry500maincontrollerusingdifferentvoicesinthegenerationbetweenreceivertheerrorsignals,andthroughtheappropriatealgorithmpositioningtheirmovementsystemlieswiththesoftwaredesignbythegreatestfeaturehierarchicalmodulardesignmethod,makecomplexmathematicalmodelandcontrolalgorithmtosimplifyandrapiddevelopmentbycommissioningandtesting,thesystemhasbasicallyachievetheirperformanceparametersandthesystemdesignindexinthedesignprocessandlowpowerconsumptionattentiontodetailssuchashighperformance.

书目一、系统方案（1）处理器的选择.........................................4（2）声源以及声音检测器的选择.............................4（3）限制算法的选择.......................................5二、理论设计与论证1．设计任务..............................................62.声响模块分析、计算....................................74.数据处理原理分析、计算................................73.声音接收放大器分析、计算..............................7三、电路与程序设计1．声响模块电路设计.....................................73.测量、数据处理电路设计及程序设计流程图..............72．声音接收放大器电路设计................................9四、测试方案与测试结果.............................10五、参考文献..........................................10六、结束语.............................................11七、附录..........................................11.一、系统方案1．方案比较与论证（1）处理器的选择方案一：采纳51单片机限制。其优点是价格便宜，应用广泛，资料比较简洁搜集。但是功能较弱，不适于困难的系统限制。方案二：采纳飞思卡尔公司的XS128单片机。XS128是高性能、低功耗的16位微处理器，功能强大，IO端口数量多，有丰富的定时器计数器以及中断接口，集成有可工作于主机/从机模式的SPI串行接口，并且支持JTAG在线调试，运用便利。考虑到XS128单片机功能强大和运用娴熟程度比较高，并且数据计算要求较高，所以选用方案二，（2）声源以及声音检测器的选择方案一：采纳蜂鸣器等发声器件作为声源，运用放大电路连接LM567集成音频选频芯片所组成的具有选频功能的声音开关电路检测出蜂鸣器的固有频率信号。由于加入了音频选频，抗干扰实力强，能很轻松地滤除杂声干扰，检测到给定频率的声音信号。方案二：采纳蜂鸣器等发声器件作为声源，用MIC、三极管放大电路和比较器等器件组成的简洁声音开关电路检测声源的音频信号，由于比较器的滤除一大部分杂音干扰，可在环境干扰较少的状况下运用。优点：设计原理简洁，可360°多方位检测。缺点：受环境杂声干扰较大，须要环境较为宁静。若加入选频和滤波电路，会增加系统的困难程度。通过实际测试，LM567芯片选频性能优越，但是其信号输入到输出的响应时间不稳定，随机性给通过声波测距的算法带来很大随机误差，不适用，所以选取方案二（3）限制算法的选择方案一：从移动声源通过无线模块发送一个指令给主机，同时可移动声源发出一个音频信号。主机在接收到无线指令后起先计时，直到接收到移动声源发出的音频信号为止，通过计数值转化为时间参数，进而得到距离参数。A、B、C三个声音接收器与可移动声源的距离得到，即可精确定位出移动声源的位置，得到误差信号。优点：可以精确定位。缺点：须要温度补偿声速，需外加温度传感器，增加系统的困难程度。方案二：移动声源不断发出周期性音频脉冲信号，主机只检测AB或者AC两个声音接收器之间得到脉冲的时间差，然后通过时间差的正负推断可移动声源的详细位置。优点：算法简化了困难的三角函数运算，使得计算简洁，误差降低；过程类似闭环反馈，不断检测并修正位置，使得精度要求得到保障。缺点：只能实现简洁要求的运动，不能作为困难运动的算法。考虑到竞赛对可移动声源要求的运动简洁，并且方案二使得程序稳定。此外，由于竞赛要求不允许声响模块与其他电路有任何连接。故选取方案二。二、理论设计与论证1．设计任务本声音定位系统要求设计并制作一声音定位系统，示意图如图1所示。图中，声音定位系统有一个可移动声源S，三个声音接收器A、B和C，声音接收器之间可以有线连接。声音接收器能利用可移动声源和接收器之间的不同距离，产生一个可移动声源离各个接收器的误差信号。可移动声源运动的起始点必需在坐标纸内，位置可以随意指定。2.声响模块分析、计算声响模块由于声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采纳3V以下电池供电，功耗不大于200mW。由于功耗限制和电压，所以我们放弃了运用51单片机来作为信号发生装置，最终我们确定运用555电路来产生基波频率为500Hz的信号，并且因为要求声音持续时间为1s,所以须要采纳延时电路。3.声音接收放大器分析、计算声音接收模块采纳驻极体话筒作为声电转换原件。驻极体话筒输出端是内部场效应管的漏极D和源极S，此电路采纳漏极输出的连接方式，故在漏极D与电源正极之间须接入电阻R3。通过单电源供电的同向沟通放大电路，放大沟通信号，再经过比较器输出矩形波信号。4.数据处理原理分析、计算当移动声源发出声音时，4个声音接收器接收到的时间先后有差别，依据时间上的差别，推断出可移动声源)方位。三、电路与程序设计1．声响模块电路设计声响模块由于声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采纳3V以下电池供电，功耗不大于200mW。由于功耗限制和电压，所以我们放弃了运用51单片机来作为信号发生装置，最终我们确定运用555电路来产生基波频率为500Hz的信号，并且因为要求声音持续时间为1s,所以须要采纳延时电路。信号发生装置原理图及555延时电路如下：555延时电路555信号发生电路2．声音接收放大器电路设计声音接收模块采纳驻极体话筒作为声电转换原件。驻极体话筒输出端是内部场效应管的漏极D和源极S，此电路采纳漏极输出的连接方式，故在漏极D与电源正极之间须接入电阻R3。通过单电源供电的同向沟通放大电路，放大沟通信号，再经过比较器输出矩形波信号。电路如下：3.测量、数据处理电路设计及程序设计流程图当声源位于AF以下S点时，则声源距离A、B和C点距离假定为ZA、ZB和ZC，则必定接收器B先接收到该声音，C次之，A最终接收到．当B接收到声音后，启动单片机定时器，测出接收器C和A的接收时间差ArC和AtA，声音在空气中的传播速度为c一(331．45+0．6lt)m·S～，式中t为环境温度，环境温度30℃时的速度约为350m／s，则有：ZC=ZB+△C;ZA=ZB+△A;(1)式中：△C=△tC*350△A=△以*350以A为原点，则声源S坐标为(xs，ys)，利用式(1)如何求出xs、ys的值呢?这里依据各点位置关系列出方程，以mm为单位：（ZB+△A)2=xs2+ys2ZB2=(xs-1000)2+ys2(ZB+△C)2=xs2+(ys-1000)2(2)式(2)中，△A和△C为已知，ZB、xs和ys为未知数，解此方程组，得到以ZB为变量的一元二次方程：a*ZB+b*ZB+c=0(3)式中：a=4*(△A2+(△A-△C)2-106)b=4*[△A2+(△A—△C)*(△A2一△C2+106)一△A×106]c=(△A2+106)2+(△A2一△C2+106)2一4*△A2*106则ZB=(-b-sqrt(b2-4*a*c))/(2*a)(4)代人式(2)，则Xs=(2*△A*ZB+△A2+106)/2000Ys=((2×△A一2*△C)*ZB+△A2-△C2+106)/2000(5)这样就可依据接收器A和c的接收时间差，计算出声源位置坐标(xs，ys)．当移动声源移动到位于AF线以上位置时，计算时把上式中ZB作为ZC即可，求出3：5、ys值后，则声源位置坐标为(ys，)．四、测试方案与测试结果赛场建立坐标系，A点作为坐标原点，AB为X轴、AC为Y轴，米为坐标单位。以随机的方式放置声源的初始位置。分别将基本部分和发挥部分的测试结果记录在表1和表2中。表1基本要求部分测试结果次数放置位置测量位置1（126，175）（131，166）2（256，132）（251，115）3（326，89）（306，55）五、参考文献[1]全国高校生电子设计竞赛组委会.全国高校生电子设计竞赛获奖作品选编[M]．北京理工高校出版社,2007[2]黄开胜.学做智能车——