D題聲音定位系統(tǒng)

1、文檔供參考，可復制、編制，期待您的好評與關(guān)注！ 題目：聲音定位系統(tǒng)（D題）摘要 :為了滿足聲音定位系統(tǒng)的設計要求，進行了各單元模塊電路方案的比較論證及確定，本設計系統(tǒng)采用低功耗16位單片機、MSP430F169、兩塊TI高速作為主控芯片，其中核心部分的三個主要功能模塊是控制模塊、聲響模塊和聲音接收模塊，四個500HZ聲音的采集由一塊單片機進行控制，速度快，計算結(jié)果精準；聲響模塊的發(fā)聲由另一塊單片機產(chǎn)生一個500HZ的聲音信號，通過功放電路，驅(qū)動低音揚聲器發(fā)聲，功耗低，調(diào)節(jié)靈活；聲音接收模塊由LM358搭建的前級放大電路和LM567搭建500HZ鑒頻電路組成。本設計數(shù)據(jù)處理主要用取差值查表的方法

2、來定位，這種測算方法相對于其它算法具有速度快，編程簡單的優(yōu)點，而且經(jīng)過測試實驗精確度完全滿足題目3cm的要求。最后的實驗表明，系統(tǒng)完全達到了設計要求，完成題目的大部分的要求。 關(guān)鍵詞： 500HZ聲音采集、鑒頻、功率放大、查表算法 Abstract:In order to satisfy the design requirements of the sound localization system, The program of each unit module circuit demonstration and determine,This design system uses low-p

3、ower 16-bit MCU,MSP430F169 and TI high-speed as the main chip,The three main functional modules of core part is control module, sound modules and sound receiver module,The 500HZ sound collected by a MCU, fast, precise, accurate calculation;The sound of sound module to produce 500HZ sound signal by M

4、CU.Through the power amplifier circuit driven bass speaker sound, low power consumption and flexible adjustment;the sound receiver module structures preamplifier circuit by LM358 and LM567 structures 500HZ frequency discriminator circuit.The sound receiver module preamplifier circuit built by LM358

5、and LM567 built 500HZ frequency discriminator circuit.Data processing of the design is mainly used to take the difference between the look-up table method to locate,This calculation method has a fast and simple programming advantages compared to other algorithms,Tested the accuracy of fully satisfy

6、the subject requirements 3cm.The final experiments show that the system fully meets the design requirements to complete the subject requirements. Keywords: 500HZ sound acquisition, frequency, power zoom, look-up table algorithm目錄1 方案的論證與討論31.1 設計任務與要求31.1.1 設計任務31.1.2 基本要求31.1.3 發(fā)揮部分41.2 設計分析41.3 各模

7、塊方案論證與選擇51.3.1 聲音信號發(fā)生模塊51.3.2 聲音信號發(fā)射模塊51.3.3 聲音信號接收模塊51.3.4 聲音信號放大模塊51.3.5 聲音信號鑒頻模塊62 理論分析與計算62.1 聲響模塊62.2 聲音接收發(fā)大器62.3 數(shù)據(jù)處理原理73 電路與系統(tǒng)設計73.1 聲響模塊電路73.2 聲音接收放大器電路83.2.1 聲音接收電路83.2.2 聲音前級放大電路83.2.3 聲音后級鑒頻電路93.4 程序設計及流程圖114 測試方案與測試結(jié)果124.1 測試檢測所用儀器和設備124.2 指標測試及其結(jié)果124.3 測試結(jié)果分析125 結(jié)論12參考文獻12附錄121 方案的論證與討論

8、 1.1 設計任務與要求1.1.1 設計任務設計一套聲音定位系統(tǒng)。在一塊不大于1m2的平板上貼一張500mm×350mm的坐標紙，在其四角外側(cè)分別固定安裝一個聲音接收模塊，聲音接收模塊通過導線將聲音信號傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，聲音定位系統(tǒng)根據(jù)聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音信號，判定聲響模塊所在的位置坐標。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1.1.1所示。圖1.1.1 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖1.1.2 基本要求(1) 設計制作一個聲響模塊，含信號產(chǎn)生電路、放大電路和微型揚聲器等，每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號的基波頻率為500Hz左右，聲音持續(xù)時間約為1s。要求聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗

9、不大于200mW。(2) 設計制作四路聲音接收模塊，由麥克風、放大電路等組成，并分別與信息處理模塊相連接，以便將頻率為500Hz左右的信號傳送至信息處理模塊。(3) 設計制作一個信息處理模塊，要求該模塊能根據(jù)從聲音接收模塊傳來的信號判斷聲響模塊所在位置的x、y坐標，并以數(shù)字形式顯示x、y坐標值，位置坐標值誤差的絕對值不大于30mm。1.1.3 發(fā)揮部分(1) 改善接收信號的放大電路性能，改進算法，進一步提高定位精度。(2) 控制聲響模塊以不間斷的連續(xù)周期波的形式發(fā)出聲音信號，其基波頻率為500Hz左右。當聲響模塊在坐標紙上移動時，聲音定位系統(tǒng)能連續(xù)跟蹤顯示聲響模塊的x、y坐標值，隨機停止聲響模

10、塊的移動，能立即穩(wěn)定地顯示聲響模塊的x、y坐標值，誤差的絕對值不大于10mm。(3) 具有顯示聲響模塊移動軌跡的功能。當聲響模塊在坐標紙上按指定路徑移動時，液晶顯示屏能動態(tài)顯示聲響模塊移動的軌跡，顯示的軌跡與聲響模塊移動的路徑一致。(4) 其它。1.2 設計分析成功實現(xiàn)本設計的要求，系統(tǒng)必具備以下功能：500Hz聲源發(fā)聲、接收聲音、信號放大濾波、聲源定位等功能。其主要的系統(tǒng)可劃分為：電源、控制、發(fā)聲、聲音接收和濾波鑒頻等基本模塊。在整體的方案上，發(fā)聲模塊的主控芯片上本設計使用一款超高速、低功耗TI單片機MSP430，在發(fā)聲模塊使用單片機可以通過編程的方式靈活的改變控制發(fā)聲的頻率和波形，并且不用

11、另外設計555震蕩電路來獲得500HZ基準發(fā)聲頻率，由于MSP430芯片具有很低的功耗，可以適應發(fā)生模塊的功率低于200MW的要求。在總體電路設計思路上上，由于聲響模塊產(chǎn)生的信號在由聲響接收模塊接收到的是十分微弱的信號，要捕獲這個微弱的500HZ的聲音信號，就必須要對接收模塊的信號進行放大，采用了兩級比例放大電路，經(jīng)過實際測量，大約可以將信號放大100倍左右。由于環(huán)境中還有著各種不同頻率的噪聲，在經(jīng)過放大電路的放大后同樣被放大了，所以必須要把相應的頻率過濾出來，即要有一個中心頻率為500Hz的抗干擾濾波電路，本設計選用了LM567作為濾波鑒頻芯片。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：圖1.2.1 系統(tǒng)框圖

12、1.3 各模塊方案論證與選擇根據(jù)題目的要求，系統(tǒng)主要可分為控制器模塊、聲音信號發(fā)生模塊、聲音信號發(fā)射模塊、聲音信號接收模塊、電源模塊、顯示模塊。1.3.1 聲音信號發(fā)生模塊方案一：采用單片機產(chǎn)生頻率為500HZ的方波聲音信號，通過功放電路，驅(qū)動低音揚聲器發(fā)聲，功耗低，調(diào)節(jié)靈活。該程序比較容易實現(xiàn)，且不會占用單片機太多資源。方案二：采用555定時器來實現(xiàn)，聲音信號采用NE555產(chǎn)生頻率為500Hz的方波。它的作用是用內(nèi)部的定時器來構(gòu)成時基電路。外部通過簡單的電路可獲得所得的信號。從而實現(xiàn)固定頻率的聲音輸出，但是不是很精準。綜上所述，方案二不是很成熟而且不穩(wěn)定，經(jīng)過討論采取方案一。1.3.2 聲音

13、信號發(fā)射模塊方案一：用喇叭進行聲源發(fā)射，即采用低音揚聲器作為聲源，將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)槁曅盘枴纹瑱C產(chǎn)生的頻率為500Hz的信號接在揚聲器的接收端，揚聲器能發(fā)出強度比較大的聲音信號。方案二：采用無源蜂鳴器進行聲源發(fā)射。無源蜂鳴器通過外接輸入任意頻率方波從而發(fā)聲，聲音清晰，消耗功率較少。綜上所述，決定用低聲揚聲器，其性價比較高，經(jīng)過討論采取方案一。1.3.3 聲音信號接收模塊方案一：用壓電式聲敏傳感器。壓電聲敏傳感器是利用壓電晶體的壓電效應制成一種能實現(xiàn)聲-電轉(zhuǎn)換器件。但壓電聲敏傳感器不是常用器件，價格較貴。方案二：采用電容式駐極體話筒（咪頭）。該元件能將一般的聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。價格便宜，便于設

14、計，之后再自行設計濾波與放大電路，一起構(gòu)成聲音信號接收模塊。綜上所訴，壓電式聲敏傳感器不是很適合本設計，經(jīng)過討論采取方案二。1.3.4 聲音信號放大模塊方案一：采用單管放大電路，使用NPN型三極管9018組成單管放大電路，通過電阻值的配合設置合適的靜態(tài)工作點，并且后級設計一個電壓比較器，將放大后的信號和滑動變阻器分得的電壓比較，設置合適的電壓比較器的值，就可以把一定響度的環(huán)境信號過濾掉，同時將環(huán)境聲音信號轉(zhuǎn)換成占空比不同的方波信號，便于單片機的后期處理。電路結(jié)構(gòu)簡單，成本很低，而且電路的靈敏度是可調(diào)的。但是單個三極管的放大倍數(shù)不高，所接收的聲音響度受三極管靜態(tài)工作點的影響很大，而且靜態(tài)工作點的

15、確定需要反復調(diào)節(jié)，過程非常繁雜。方案二：采用運算放大器組成多級放大電路。利用運算放大器組成放大電路的方案比較成熟，而且放大電路組成的比例放大電路其放大的倍數(shù)是可調(diào)的，通過改變電阻的比值就可以自由的調(diào)節(jié)放大倍數(shù)，因而就可以自由改變電路的靈敏度。此方案的優(yōu)點是比例放大電路方案比較成熟，而且放大倍數(shù)可調(diào)。缺點是電路的干擾比較大。綜上所訴，比較優(yōu)缺點還是多級運算放大器更加成熟穩(wěn)定，經(jīng)過討論采取方案二。1.3.5 聲音信號鑒頻模塊方案一：使用鑒頻芯片LM567作為音頻處理芯片，再進行頻率的比較，若頻率中存在500HZ頻率的聲音，從而進行濾波鑒頻。2 理論分析與計算2.1 聲響模塊聲響模塊是由低聲揚聲器（

16、喇叭）產(chǎn)生生源信號。該單獨的聲源模塊供電電壓為5V，經(jīng)過測量后電路中的電流在35mA左右。功率計算公式：P=U*I；經(jīng)計算聲源模塊的功耗約為175mW左右，該系統(tǒng)要求的聲響模塊功率低于200mW，所以經(jīng)過該計算本設計符合設計標準。2.2 聲音接收發(fā)大器聲音接收放大器中的數(shù)據(jù)計算主要有兩個部分，即濾波計算部分和放大計算部分。濾波部分的主要功能是濾去500Hz以外的噪聲干擾，采用帶通濾波的原理，通過RC電路產(chǎn)生500Hz的波形和聲源進行比較，達成濾波鑒頻的效果。放大部分的主要功能是將小信號放大，由于由咪頭直接接收到的聲音信號比較微弱難以處理，所以要將其放大，才有二級放大電路，一共放大大約100倍左

17、右。2.3 數(shù)據(jù)處理原理數(shù)據(jù)的處理主要在于通過聲響模塊的500Hz頻率聲波的傳播到達聲音接收模塊經(jīng)過濾波放大，精確的計算出去除噪聲后的真實時間，如圖2.3.1所示，設坐標紙為圖中的矩形ABCD。聲源在點O，拾音器分別位于矩形四角A、B、C、D。聲源到A點的距離為La，到B點的距離為Db，到C點的距離為Lc，到D點的距離為Ld。分別經(jīng)過時間Ta，Tb，Tc，Td后，聲音接收器A、B、C、D接收到信號，然后可以計算出三個時間差值t1，t2，t3，聲音傳播速度為v。通過下列算法后可計算出聲源O的坐標值（x,y）：圖2.3.1 定位計算示意圖計算聲響模塊的計算公式如下：3 電路與系統(tǒng)設計3.1 聲響模

18、塊電路發(fā)聲模塊是由單片機控制的，通過單片機的控制，按下開關(guān)按鈕后，單片機產(chǎn)生持續(xù)1s的500Hz頻率的波形，再輸入到本模塊之中，通過LM386實現(xiàn)電壓增益，從而使得波形的幅值增大，產(chǎn)生高強度低失真的聲音信號，便于觸發(fā)接收模塊。下圖3.1.1為發(fā)聲模塊電路圖圖3.1.1為發(fā)聲模塊電路圖3.2 聲音接收放大器電路聲音接收放大器電路主要由三部分構(gòu)成，為接收、濾波、放大這三部分，接收由發(fā)聲模塊所發(fā)出的500Hz信號，由于周圍環(huán)境肯定會有其他聲音的干擾，所以要準確的確定是聲響模塊發(fā)出的聲音必須要進行濾波，并且由于直接接收的信號比較微弱，所以要進行信號的放大。3.2.1 聲音接收電路本部分直接用咪頭進行接收，不多做介紹。3.2.2 聲音前級放大電路采用運算放大器組成多級放大電路。通過改變電阻的比值就可以自由的調(diào)節(jié)運算放大電路的放大倍數(shù)從而自由的調(diào)節(jié)電路的靈敏度。本設計采用兩級比例放大器級聯(lián)的形式，