声音定位系统

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1、声音定位系统设计一设计任务与要求1. 设计任务设计一套声音定位系统。在一块不大于lm设计要求(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，声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为ls。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

2、对值不大于30mm。(4) 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。 说明1. 不允许声响模块与其他电路有任何连接，并要求在声响模块上做出明显标记，以便清晰判读的平板上贴一张500mmx350mm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

3、置 坐标。系统结构示意图如图 l 所示。图 1 声音定位系统结构示意图模块所在坐标数值。2. 声响模块移动轨迹的显示要求采用分辨率不低于128X64的液晶显示屏。二系统设计的基本方案1. 方案比较设计所采用的基本思想对设计质量影响较大，所以要对可能采用的方案进行比较，从中确定出 最适宜的方案。总的思想就是依据四周接收器接收到的信息，对声源在平面坐标上的位置进行确定， 其位置计算可以归结为二点：一是利用声源与测试点的不同距离进行定位，如图2 所示；二是声源 到四个检测点的距离差进行定位，如图3 所示。利用距离定位只需要二个测试点，利用距离差定位 的则至少需要三个测试点。图 2 利用距离定位如何确

4、定声源与测试点的距离；对于利用距离差进行定位的，如何确定距离差，可以有不同的 途径。方案一 声音传播有一定的速度，直接采集发送信号与单点接收信号的时差，再根据声音传播速度计算 距离。这一想法很简单，但声源开始发送的信息如何传达到接收点？根据题目要求不能采用其他任 何连接，也就意味着不能通过有线、无线电、红外线等方式送同步信号，因而此方案缺少要素无法 采用。方案二 声音传播有一定的速度，直接采用计时的方式计算声音到达各检测点的时间差，再根据声音传 播速度计算距离差。计时工作可以由单片机来完成。这一想法很简单，但存在有二个问题需要解决 到达检测点时间差很短，计时精度难以保证；为了比较时间差，四个计

5、时需要同步，同步信号从何 而来？解决这二个问题不现实，因而此方案不可用。方案三在25C的空气中，声音传播的速度是346m/s, 500Hz声波相应的波长约为69cm。对到达相邻 测试点的时间差很小，而两个接收信号间的相位差明显，短边两个测试点间到达信号的相位差小于 174，长边两个测试点间到达信号的相位差小于252。可以由信号的相位比较获得他们的路程差。 进行相位比较的首要问题是如何排除噪声干扰。此方案相比其他方案更现实，并适合实时显示数据的要求，故采用此方案进行设计。2. 系统方案描述声音定位系统由声源模块、接收模块、单片机处理模块和显示模块等组成，如框图4 所示。图 4 系统总体设计方案框

6、图其中，声源模块完全独立，接收模块、单片机模块、显示器模块间均用导线连接。3. 基本计算声源到达三个声音接收模块的路不同，体现为各个接收模块输出信号的相位不同，再将其相位差转换成时间差进行处理，在计算出路程差，其路程关系如图5 所示。图 5 声音传送的路关系以A接收器为参考，声源到达A、D二个接收点间的路程差为：m = SD 一 SA（ 1）声源到达A、B二个接收点间的路程差为：n = SB SA（2）v（x + 50 J2 +（400 - 50 J2 - *（x + 50）2 +（y + 50 = m（3）4）(550 - xJ2 + (y + 50J2 一 . (x + 50J2 + (y

7、 + 50J2 二 nm、n 为 SD 和 SA、SB 和 SA 的距离差，可以通过接收信号的时差和声音传播的速度 340m/s 得出，通过以上（3）、（4） 2个方程，算出2个未知数x、y,得到坐标值。三硬件电路设计3.1 声响模块要求供电电压小于3V,采用一节1.5V的碱性电池和一节1.25V的镍氢电池串联供电（新电池 的实际电压比标称值高）。相应的电子器件均为低电压器件。坐标位置测量的精确度与波长相关，也就是与声音频率密切相关。为了准确产生500Hz信号， 采用74HC4060分频芯片由2.048MHz晶振经过4096（212分频后输出，通过C2500和2N2907三极管 与驱动小型扬声

8、器，电路如图6所示。其中1s的定时发声是由RC延时电路作用于2SK1472场效应 管 Q3 构成电子开关来实现，连续发声时由机械开关直接接通，电路结构非常简单。实际声响电路的 功耗约为180mW，符合要求。为了保证声音传送无方向限制，扬声器中能朝上或朝下放置，而接收器的横向位置，正好是扬 声器正反声扬的盲区。为此，将场声器的一个面置于密闭盒中，构成一个小声箱，在上部加装一个 锥形声音横向扩散器，有效地提高了接收器的接收能力。声源的实物形状如图7所示。图 6 声响模块电路图图 7 声响模块3.2声音接收模块声音接收模块是采集声响模块发关过来的信号，进行放大的同时，必须对环境的干扰信号进行 抑制，

9、以便提取出有用的 500Hz 信号传送至信息处理模块。因此，采用了二个处理手段：一是对信 号进行高阶选频放大，本设计中采用了四阶RC带通滤波电路，然后再做放大整形；二是在放大电路 中设置自动增益控制（AGC）电路，利用扬声器发出的声响高于环境噪声的特点，自动抵制噪声的干 扰，解决抗干扰性与提高灵敏度的矛盾。同时，接收模块里还包含对声音强弱的判断电路，以便使 最后送入单片机的信号尽进一步减少干扰信号。声音接收模块电路如图8所示。在5V低电压供电的 情况下，后级去处放大器采用LMV358轨到轨运放，有效增大了输出信号幅度。图 8 声音接收模块电路图自动增益控制（AGC）电路由组成，将第二级带通放大

10、器输出的信号经过倍压整流后，加在场效 应管的栅极，改变场效应的导通电阻，对MIC关来的信号进行衰减，达到总体增益被改变的目的。3.3 信息处理模块信息处理模块是根据声音接收模块传来的信号对该信号进行处理，进行时间差计算并换算成路 程差然后通过查表判断声音模块所在位置的X，Y坐标，并以数字形式显示在X，Y的坐标，而且位 置坐标值误差的绝对值不大于30mm。因此对单片机的计算精度的要求还是比较高的，且地注数据稳 定。从本设计要求来看，原理上51 单片机已经可以达到使用要求了，故采用51 最小系统板作为信 息处理模块的检测和计算核心，最终显示器选用分辨率不低于128X64的显示屏。其硬件电路如图9

11、所示。图 9 信息处理模块硬件电路四程序设计停止图 10 程序流程图五测试方案与测试结果5.1 声源测试用示波器对发声模块性能进行测试，输出波形曲线如图11所示。声音基波频率为500.003Hz, 非常稳定。从波形曲线上可以看出，峰值电压约为0.8V,扬声器的阻抗为4Q,其耗散功率约为 0.135W。1.00U Time 500.Busi0*99.S4ms图 11 扬声器两端的电压波形5.2 测试方案将声响模块置于500mmX350mm坐标纸的任意位置，启动声响模块，声源发出声音，固定好在 板子上的四个接收器接收声音信号。通过单片机接收基准信号同时打开计时器，然后第二接收器打 开记录一个时间，

12、第三个接收器打开记录一个时间，单片机计算第二，第三个接收器时间差换算成 路程差再通过查表的方式判定声响模块的位置，显示在显示屏上。5.3 测试结果如下表次数坐标纸X(mm)坐标纸Y(mm)显示X(mm)显示Y(mm)误差(mm)第一次501507012830第二次15020016018020第三次350230310208305.4 测试结果分析:通过以上几次的测试调式和数据上的误差来看，误差值还是在范围之内，该方案的设计基本上达 到题目所给的要求，而且效果也比较好，由于题目所给的频率为500Hz,而有时人言语声的频率与该 频率比较相近，对测试的结果影响还是比较大的，若进一步减小环境的声音的干扰，该方案的设计 的成果可大大提高。