“TI”杯电子设计竞赛D题声音定位系统

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1、错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。2012年“ TI ”杯辽宁省电子设计比赛声音定位系统（D题）学校：参赛队员:目录1概括1 1主要仟务 1.2设计要求基本要求 发挥部分-2方案设计与论.证2.1方案对照声源模块接收模块放大芯片单片机显示模块定位算法选择3硬件部分设计错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未

2、指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。 错误!未指定书签。3.1系统框图_3.2声响模块3.3从单片机最小系统3.4声音接收模块：3.5信号办理模块4软件部分设计4.1软件流程图：4.2中止流程图5测试结果与剖析5.1测试方法与仪器-5.2测试数据5.3测试结果剖析_5.4测试结果参照文件附录A 错误!未指定书签。附录 B 错误!未指定书签。附录 C 错误!未指定书签。纲要本设计采纳TI企业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办理

3、模块，实现了声音信号的发生、信号采集办理和屏幕显示以及语音提示等功能。该设计采纳2节家用1.5V电池供电，实现了低功耗情况下的声音定位系。声源接收单元信号反响灵 敏，能较正确的获得信号并实时传递到信号办理单元。以MSP430为主的Launchpad也切合了低功耗的标准，并且能够实现信号的运算办理以及控制LCD液晶屏幕显示测试数据。在定位算法上采纳的是归一正方形算法。经过调试修正此后，能实现基本的声源定位并显示。重点词：声音定位，低功耗，MSP4301概括 1.1主要任务设计一套声音定位系统。在一块不大于lm2的平板上贴一张500mm X350mm的坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模

4、块，声音接收模块经过导线将声音信号传输到信息办理模块，声 音定位系统依据声响模块经过空气流传到各声音接收模块的声音信号，判断声响模块所在的地点 坐标。系统构造表示图如图1.1所示。图1.1声音定位系统构造表示图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，声音信号的基波频次为500Hz左右，声音连续时间约为1s。要求声响模块采纳3V以下电池供电，功耗不 大于200mW。(2) 设计制作四路声音接收模块，由麦克风、放大电路等构成，并分别与信息办理模块相连结， 以便将频次为500Hz左右的信号传递至信息办理模块。(3) 设

5、计制作一个信息办理模块，要求该模块能依据从声音接收模块传来的信号判断声响模块所在地点的x、y坐标，并以数字形式显示 x、y坐标值，地点坐标值偏差的绝对值不大于30mm 。1.2.2发挥部分(1) 改良接收信号的放大电路性能，改良算法，进一步提升定位精度。(2) 控制声响模块以不中断的连续周期波的形式发出声音信号，其基波频次为500Hz左右。当声响模块在座标纸上挪动时，声音定位系统能连续追踪显示声响模块的x、y坐标值，随机停止声响模块的挪动，能立刻稳固地显示声响模块的x、y坐标值，偏差的绝对值不大于10mm。(3) 拥有显示声响模块挪动轨迹的功能。当声响模块在座标纸上按指定路径挪动时，液晶显示屏

6、 能动向显示声响模块挪动的轨迹，显示的轨迹与声响模块挪动的路径一致。(4) 其余。2方案设计与论证2.1方案对照本设计分以下几个模块构成：声响模块、声音接收模块、信号办理模块。现对模块的采纳方案 进行论证。2.1.1声源模块设计要求声响模块采纳3V以下电池供电，功耗不大于200mW。方案一：蜂鸣器蜂鸣器有源和无源的差别：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，因此只需一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，因此假如用直流信号没法律其鸣叫。一定用2K5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器常常比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。方案三：喇叭8欧0.5瓦喇叭价钱优惠，声音响亮

7、，声音纯度较高，并且完整知足本次设计的需求，故本次 采纳的是喇叭作为发声源。综上所述，选用廉价可控的喇叭更切合设计需要。2.1.2接收模块放大芯片方案一：LM358LM358内部包含有两个独立的、高增益、内部频次赔偿的双运算放大器，合适于电源电压范围 很宽的单电源使用，也合用于双电源工作模式，在介绍的工作条件下，电源电流与电源电压没关。它的使用范围包含传感放大器、直流增益模块和其余所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 LM358引脚如图2.1所示。图2.1LM358构造图方案二：LM386LM386是美国国家半导体企业生产的音频功率放大器，主要应用于低电压花费类产品。为使外 围元件最少，

8、电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增添一只外接电阻和电容，即可将电压增益调为随意值，直至 200。输入端以地为参照，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特别合用于电池供电的场合。LM286引脚如图2.2所示。图2.2 LM386管脚图方案三：LM393LM393是高增益,宽频带器件，象大多半比较器同样，假如输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很简单产生振荡。这类现象只是出此刻当比较器改变状态时，输出电压过渡的空隙，电源加旁 路滤波其实不可以解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入一输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10

9、K将减小反应信号，并且增添甚至很小的正反应量（滞回1.010mV）能致使迅速变换使得不， 行能产生因为寄生电容惹起的振荡，除非利用滞后，不然直接插入IC并在引脚上加上电阻将惹起输入一输 出在很短的变换周期内振荡，假如输入信号时脉冲波形，并且上涨和降落时间相当快，则滞回将不需要。 LM293引脚如图2.3所示。图2.3LM393管脚图因为接收信号轻微，要获得更精确的声源信号，选用了工作电源范围更宽、输入失调电压更小 的 LM393。2.1.3单片机方案一：MSP430MSP430系列单片机是美国德州仪器企业（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淆信号办理器。称之

10、为混淆信号办理器，是因为其针对实质应用需求，将多个不 同功能的模拟电路、数字电路模块和微办理器集成在一个芯片上，以供给“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。丨方案二：AT89C51AT89C51是一种带4K字节FLASH储存器的低电压、高性能 CMOS8位微办理器，俗称单片机。 AT89C2051是一种带2K字节闪存可编程可擦除只读储存器的单片机。单片机的可擦除只读储存器可以频频擦除1000次。该器件采纳 ATMEL高密度非易失储存器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。因为将多功能8位CPU和闪耀储存器组合在单个芯片中，ATMEL的A

11、T89C51是一种高效微控制器，AT89C2051是它的一种精简版本。AT89C51单片机为好多嵌入式控制系 统供给了一种灵巧性高且价廉的方案。设计需要2片MCU，都采纳 TI企业供给的 MSP430G2xxx系列芯片。此中声源产生模块采纳以 MSP430G2452为核心的单片机最小系统；信息办理系统采纳 MSP430G2553为主的Launchpad作为数据办理和显示模块控制。2.1.4显示模块LCD12864为带中文字库的128X64是一种拥有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 X64,内置8192个

12、16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵巧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。能够显示8 X4行16 X 16点阵的汉字.也可达成图形显示.低电压低功耗是其又一显着特色。由该模块构成的液晶显示方案与同种类的图形点阵液晶显示模块对比，无论硬件电路构造或显示程序都 要简短得多，且该模块的价钱也略低于同样点阵的图形液晶模块。2.1.5定位算法选择方案一：直角坐标系法。直接采纳三个点定位的方法，利用函数关系式算出坐标。如图2.4所示。图2.4直角坐标系法测距依据距离不一样，接收声源就会产生时间差，两个时间差，两个变量，故能够求出（x，y ）的坐标

13、值。jx2 + （y-35）2-2 + y2） = （tl-l2）*G汎；二-豹:“、二一;广 V : 一：血人；匚此中c=340m/s。这类方法固然思路简单，可是运算量大，将会影响单片机运算速度，增添我们 的运算难度，故不米纳。方案二：归一化正方形阵。如图2.5所示。图2.5归一化正方形传感器阵列米纳正方形，传感器的地点坐标为（L, L），（ -L， L），（ -L， -L），（ L，-L）（ L, -L）。 则声源地点（x，y ）可由下式算出：（2.2 ）式中2L正方阵的边长，t1， t2， t3分别为传感器2，3，4相关于1的时差，c是声音流传速度。3硬件电路设计3.1系统框图系统主要由

14、三大模块构成：声响模块、声音接收模块、信号办理模块。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，经总线系统传递到信号办理模块进行运算办理，将测试数据显示在 LCD显示屏上。系统框图如图3.1所示。图3.1系统总框图系统总电路图见附录二。3.2声响模块经过单片机产生500Hz的方波信号，利用单管放大后给喇叭发声。此中电位器可对音量进行调 理。声响电路如图3.2所示。图3.2声响模块电路图3.3从单片机最小系统单片机最小系统采纳的是TI企业生产的超低功耗的MSP430G2452单片机为核心，此中9号端口为P2.1，实质电路中需和声源模块相连结。从单片机最小系统如图3.3所示。图3

15、.3从单片机最小系统3.4声音接收模块声音就收模块采纳 LM393电位比较器设计，即接收到信号就会输出高电平，不然输出低电平。 LM393电路如图3.4所示。图3.4接收系统模块电路3.5信号办理模块信号办理模块由总线控制单元，MSP430G2553为核的Launchpad以及 LCD显示屏共同构成。单片机内部运算办理后将结果送入LCD显示。信号办理电路如图 3.5所示。图3.5主单片机及显示4软件部分设计4.1软件流程图设计采纳 MSP430G2553为核心的 Launchpad负责信号的办理并控制LCD显示屏显示相应数据。主程序流程图如图 4.1所示。图4.1主程序流程4.2中止流程图中止程序开始后，系统第一对声音接收模块采集到的信息进行判断，找到距离声源近来的接收器， 再准时间差分别得出其余3个接收器的距离差，再经过单片机就能够计算出声源所在地点，发出屏幕 显示数据退后出中止。中止流程如图4.2所示。图4.