声音定位系统.docx
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声音定位系统
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*π*
）
=10^8/（2*3.14*
）=497.6Hz；
Q=fc/BW=1/2*（R3/Req）1/2=9.97
3.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：
（1）
（2）
（3）
（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
；（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。
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：
（1）
（2）
f1（x,y）=
=0（3）
f2（x,y）=
=0（4）
然后对（3）（4）分别对x,y求一介微分：
f1x（x,y）=
；
f1y（x,y）=
；
f2x（x,y）=
；
f2y（x,y）=
；
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+
；
Yk+1=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）
（165,141）
3
（200,250）
（215,264）
4
（250,300）
（270,284）
5
（300,350）
（314,367）
3.测试结果分析
测试结果与实际存在一定的误差，因声速会随外界环境的不同而不同，如温度介质等。
在整个系统运算中我们所用的声速为340m/s，这样计算出来的结果与实际值之间不可避免的产生了误差，但这种误差是允许存在的，且对结果不会产生很大的影响。
经测试最终能够满足基本部分和发挥部分的要求。
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