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1、 TI杯D题：声音定位系统 设 计 报 告8 月摘 要：该声音定位系统是以MS049单片机作为微解决器。系统由硬件电路将接受到的声音信号进行滤波、放大和整形解决，通过单片机定期器和中断编程记录声音发送的时间和各接受模块接受到信号的时间,最后运用数学公式通过程序算法计算出声源的坐标,并将算得的数据传送到50液晶彩屏显示。由PA340运算放大器及C振荡电路产生00z声源信号,通过RC充放电电路实现s定期。接受模块有500z的带通滤波器、放大整形电路。通过硬件电路对信号解决和软件编程对测到的数据解决后可以得到声源信号的x、y坐标最后实现声音定位的功能。核心词：MSP30F14,微解决器,带通滤波器，
2、振荡,液晶,声音定位1系统方案设计由运算放大器比较功能将信号解决成0Hz的方波信号用来驱动扬声器同步发送数据到单片机。接受模块将接受到的信号通过中心频率为0Hz带宽为70Hz的滤波器,通过前级放大电路将信号放大到p-p00mV,最后通过后级放大和整形电路将信号解决成500z幅值为5V的方波。通过编程测出发送和接受到的时间差从而可计算出声源到接受模块的距离，通过计算可得到声源的坐标。1. 声音产生方案方案一:通过C震荡电路产生频率00z幅度为Vp为8V的正弦声音信号，驱动扬声器发出声音;1s定期由运算放大器及RC充放电电路实现。方案二:使用竞赛提供的430单片机最小系统(Lchpd),由编程产生
3、500Hz的正弦声音信号，驱动扬声器发出声音信号;通过单片机定期器可实现精确的s延时； 43单片机供电可由TS1070升压芯片将3V如下电压到5V提供。方案比较:方案一运算放大器PA222通过C电路和充放电电路可以实现题目规定，电路设计简朴;且最后设计可以满足题目规定。方案二可产生出原则频率的声音信号和可实现1s的精确计时。由于题目并未规定产生500H精确的信号和1计时,最后选择方案一。 .2信号滤波和声源坐标计算方案方案一:T32单片机具有AD转换功能，解决速度可达到72M且有较大的RA。通过编写程序实现对接受端0Hz声音信号相位的测量,通过两个接受端的相位差可以计算出各声源声源到接受端的距
4、离，通过数学计算得到声源坐标，将数据传送到液晶并控制显示相应坐标。方案二：由OA222制作一种中心平率在500Hz，带宽在100Hz左右的带通滤波器对声音信号进行滤波。把接受的声音信号整形成方波信号发送给40单片机,由单片机上升延触发中断和计时器完毕对两次触发的计时,通过时间差可以计算出声源到各个接受端的距离，最后由编程通过数学公式计算出声源的坐标。方案比较：方案一通过编程可以完毕50Hz声音信号传播的相位差计算出声源坐标，对编程部分的规定比较高。方案二通过测量两次触发的时间差来计算距离。由计算声音的传播速度为3ms，50H的声音信号在一种周期可以传播008m，而测试的范畴在0.0m内，即在不
5、到一种周期声源信号可以传送到接受端，这样只需要测量出一次数据即可算出距离,不需要反复测量可避免大量数据的存储解决。综合考虑最后选择方案二。 13总体电路方案由上述方案论证及方案选择可知,其总体方案框架如图1，-2所示：是500Hz声音产生声音接受运算放大器STM32单片机5110液晶显示驱动扬声器1s定期开关1s定期电路否 图1-2方案一总体方案框架图声音接受带通滤波器带通滤波器运算放大器比较器MSP430单片机5110液晶显示驱动扬声器驱动扬声器1s定期开关否1s定期电路500Hz声音产生是 图1-1 方案二总体方案框架图 2理论分析与计算发声1的时间2.1声响模块部分的设计根据R正弦波振荡
6、饱和产生方波产生声音源,并根据电容的充放电可实现1s定期控制。22 升降压斩波电路（BukBosChor)设计的原理计算电路性能参数计算。通带增益,中心频率，通带宽度,选择性。2.3 面积计算海伦公式：设三角形三边边长分别为,b,，则三角形面积为S=,其中。3系统电路设计1 各单元模块功能3.1.1 声音产生和1s定期模块5Hz左右的声音信号是通过OPA2227通过RC振荡电路产生的,电路图如图3-1所示。设立参数让波形饱和为00z的方波并通过OPA230构成比较器，用8550三极管驱动扬声器。而P34供电电压为2.7可减少供电电压实现低功耗。R充放电电路控制时间实现1s定期电路图如图3-2所
7、示。图3-1 500Hz声音信号产生电路 图2 1s时间控制电路 31.2声音信号接受模块该模块设计通过电路前级放大电路、带通滤波电路、后级放大整形电路完毕对声音信号的解决。声响模块发出的声音信号通过柱体麦克风接受通过对信号进行放大解决，如图3-3所示,由于周边不同声音的频率干扰因此选择带通滤波对频率在0 H左右的信号进行滤波将其他频段的信号尽量滤除以检测声响模块发出的频率的声音信号并发送到单片机,如图3-4所示,由于对电路进行放大和滤波电路解决之后需对信号波形进行解决使单片机能检测信号的上升沿给单片机进行数据解决计算时间，因此在滤波之后对波形进行整形解决使信号可以有明显稳定的方波波形,以便单
8、片机对上升沿时间进行检测，拟定期差计算距离,实现定位。如图-3所示。图-信号前级放大电路 3-4滤波器电路 图35后级放大和整形电路 3.1.4 MSP40单片机模块图6 SP30单片机模块 本次设计选用的是P430F14单片机,运用单片机内部定期器计计时，由中断触发,检测接受信号的上升沿,通过这种方式计算声音传播的时间差,通过时间差计算出声源信号到接受模块距离,然后由单片机编程计算出声源的位置坐标。MSP30单片机模块如图3-31. 电源供电模块整个系统中声响模块由单独的两节1.5V电池供电，其他电路由正负5V电源统一供电,电源采用LM78与LM7905稳压芯片输出供电。MS430单片机及短
9、路保护电路采用的是+V的供电电压，由于过压保护部分继电器在工作时输出电流较大，用LP250-3LPR3输出3.V供电可以满足供电规定。电源模块电路如图3-7所示。图3-7电源供电模块.2各单元模块的联接MSP430单片机模块连接着声音接受模块，检测波形并计算时间交给单片机解决。整形模块连接着滤波模块,滤波模块连接着前级放大模块,前级放大模块通过接受声响模块发出的声音信号，这样将整个系统级联起来。系统软件设计41软件设计原理及设计所用工具本设计所用工具为编译器-IAR Embeded Wokbench，是 Systems公司的一款开发工具。在本次设计中，软件实现的重要功能是，通过中断和计时器解决
10、接受的信号，计算出时间，然后计算出声响模块的位置坐标。4.2软件设计构造图软件设计构造图如图1所示。否否是是开 始系统初始化初始化完毕液晶扫描等待中断触发定期器中断系统中断开上升沿触发1上升沿触发4上升沿触发3上升沿触发2主函数送数据到液晶显示图4软件设计构造图5 系统测试5.1 重要的测试仪器、仪表仪 器型 号精 度厂 商函数信号发生器计数器EE64B10.05%南京新联电讯仪器有限公司示波器UTD02CE3%可调式直流稳压恒流电源K08006384+0.1%数字万用表VC8904位半粤 制5.2系统测试5.2.测试措施在整个测试过程中,滤波器电路参数测试用直流正负双电源、示波器、信号源、数
11、字万用表测试,通过信号源扫频测量带通滤波器的中心频率和带宽,并通过调节电路中的电位器达到对滤波器中心频率和带宽的调节直到满足系统规定;发声模块使用示波器测量信号频率参数,1s时间控制电路通过示波器测试触发时间。电源部分先使用可调式直流稳压恒流电源检测电路的连接与否正常。5.2.2 测试参数登记表及测试数据（1)、声响模块测试:当给声响模块供电时声响模块测试成果如下表所示：测试内容测试成果信号产生频率505 Hz按键发生能声音信号持续时间1 s功耗测试191.7 mW（.7V， ）（2）、带通滤波模块测试：滤波模块调试中心频率和,带宽测试数据,成果如下表所示：测试内容测试成果中心频率(Hz)52
12、6295348052012最高截止频率(Hz）760564593584565最低截止频率(Hz）45360244644450带宽174401446413832130 通过调试滤波器最后的中心频率在10左右,带宽在Hz左右。(）、比较输出模块测试：波形信号通过整形成果及有关参数测试如下表所示：测试成果波形频率（Hz)波形周期（）波形幅值(V）150024.92521.954712194.845071.74.75.3测试成果分析从测试成果可以看出,其实现的指标为:（1)、声音信号电路可以产生0Hz的声音信号,输出信号的频率比较稳定。可满足系统规定。（）、带通滤波器测试中心频率为500Hz左右，带宽
13、为7Hz左右(3）、测试整形电路输出波形。（4）、在坐标纸上移动声源示波器显示明显相位移动。()、通过定点坐标的测试声源信号到接受没块距离测试参数比较稳定且可以看到数值的变化,但将三个模块的接受数据通过主程序计算显示后发现测试的误差比单独测试单个接受到声源的距离大。6 结束语在调试电路中我们发现影响整个电路的因素有：硬件电路外界声音的干扰,也许来自同频干扰,虽然有滤波，但是没有载波与检波那么也许存在着声音的同频干扰,硬件的延时,程序算法的编写精度,这些都对电路的测试参数有很大的影响。通过声音信号接受模块对接受到的声音信号进行滤波后500Hz的信号频率得到了接近3dB的放大，在对该信号进行后级放大电路和整形电路可以得到500Hz原则频率的电平信号。由于生声音信号的波长较长测试最后选择将扬声器竖立放置这样可以增强接受信号的强度。7附录:系统总体原理图
