《参考：D题声音定位系统设计报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《参考：D题声音定位系统设计报告（93页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2012年“TI”杯四川省电子设计竞赛声音定位系统（D 题）竞赛选题： 声音定位系统（D 题）学 校： 西南石油大学 参赛队员：杨 杰 刘德雄 康 敏2声音定位系统设计报告3声音定位系统设计报告摘 要本设计采用 TI公司生产的超低功耗单片机 MSP430G2452和 G2553分别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。该设计采用 2节家用 1.5V电池供电，实现了低功耗状况下的声音定位系。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。以 MSP430为主的 Launchpad也符合了低功耗的标准，并且可
2、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归一正方形算法。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 MSP4304声音定位系统设计报告目 录一引言31.1主要任务31.2设计要求4二.方案设计与论证42.1方案对比42.1.1 声源模块52.1.2 接收模块放大芯片52.1.3 单片机 MCU62.1.4 显示模块72.1.5 定位算法选择8三硬件电路设计93.1 系统框图95声音定位系统设计报告3.2声响模块103.3 从单片机最小系统103.4声音接收模块113.5信号处理模块123.6 语音模块12四. 软件设计124.1
3、 软件流程图13五.测试结果与分析145.1 测试方法与仪器155.2 测试数据155.3 测试结果分析155.4 测试结果15参考文献16附录一：17附录二：18附录三：19一、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500mm350mm 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6声音定位系统设计报告音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】. 基本要求(1) 设
4、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理模块，要求该模块能根据从声音接收模块传来7声音定位系统设计报告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。【2】. 发挥部分(1) 改善接收信号的放大
5、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。二 方案设计与论证2.1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
6、证。2.1.1 声源模块设计要求声响模块采用 3V以下电池供电，功耗不大于 200mW。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8声音定位系统设计报告计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、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
7、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 接收模块放大芯片方案一：LM358LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内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器的场合。9声音定位系统设计报告图 2 lm358结构图方案二：LM368LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内
8、置为 20。但在 1脚和 8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在 6V电源电压下，它的静态功耗仅为 24mW，使得 LM386特别适用于电池供电的场合。图 3 lm386管脚图方案三：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
9、的正反馈量(滞回 1.010mV)能导致快速转换,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10声音定位系统设计报告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。图 4 lm393管脚图由于接收信号微弱，要得到更精准的声源信号，选取了工作电源范围更宽、输入失调电压更小的 LM393。2.1.3 单片机 MCU方案一：MSP430MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（TI）1996 年开始推向市场的一种16位超低 功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。称之为混合信号处理器，是由于其针对
10、实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。方案二：AT89C51AT89C51是一种带 4K字节 FLASH存储器的低电压、高性能 CMOS8位微处理器，俗称单片机。AT89C2051 是一种带 2K字节闪存可编程可擦除只读存储器的单片机。单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除 1000次。该器件采用 ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的 MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能 8位 CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的11声音定位系统设计
11、报告AT89C51是一种高效微控制器，AT89C2051 是它的一种精简版本。AT89C51 单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。设计需要 2片 MCU，都采用 TI公司提供的 MSP430G2xxx系列芯片。其中声源产生模块选用以 MSP430G2452为核心的单片机最小系统；信息处理系统采用MSP430G2553为主的 Launchpad作为数据处理和显示模块控制。2.1.4 显示模块方案一：LCD12864LCD12864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
12、示模块。其显示分辨率为 12864, 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 84 行 1616 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
13、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。12声音定位系统设计报告2.1.5 定位算法选择方案一：直角坐标系法直接采用三个点定位的方法，利用函数关系式算出坐标。如图：图 5 直角坐标系法测距根据距离不同，接收声源就会产生时间差，两个时间差，两个变量，故可以求出（x，y）的坐标值。-其中 c=340m/s。这种方法虽然思路简单，但是运算量大，将会影响单片机运算速度，增加我们的运算难度，故不采用。13声音定位系统设计报告方案二：归一化正方形阵图 6 归一化正方形归一化正方形算法如图，传感器阵列采用正方形，传感器的位置坐标为（L，L），（-L，L），（-L， -L），（L，-L）。则声源位置（x，y）可由下式算出（式中 2L为正方阵的边长，t1，t2， t3 分别为传感器 2，
