聲音定位系統(tǒng)設(shè)計報告

參賽學(xué)生：王學(xué)慶 宋輝 尚翰指導(dǎo)教師：段英宏學(xué)校： 天津科技大學(xué)院系： 電信學(xué)院聲音定位系統(tǒng)設(shè)計與總結(jié)報告摘要：本文描述了聲音定位系統(tǒng)的設(shè)計原理和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)由XS128單片機(jī)控制，利用555電路產(chǎn)生500HZ電平信號。主控制器利用不同聲音接收器間產(chǎn)生的誤差信號，并通過合適的算法定位其運(yùn)動。系統(tǒng)最大特點(diǎn)在于軟件設(shè)計采用層次化、模塊化的設(shè)計方法，使得復(fù)雜數(shù)學(xué)模型和控制算法得以簡化和快速開發(fā)。經(jīng)調(diào)試和測試，系統(tǒng)各項(xiàng)性能參數(shù)已基本達(dá)到設(shè)計指標(biāo)。且本系統(tǒng)在設(shè)計中注意低功耗處理和力求高性價比等細(xì)節(jié)。關(guān)鍵詞：聲音定位 SX128單片機(jī) 555電路 算法AbstractThis paper describes the sound positioning system design principle and method of the system XS128 single-chip microcomputer control, use 555 HZ level signal circuitry 500 main controller using different voices in the generation between receiver the error signals, and through the appropriate algorithm positioning their movement system lies with the software design by the greatest feature hierarchical modular design method, make complex mathematical model and control algorithm to simplify and rapid development by commissioning and testing, the system has basically achieve their performance parameters and the system design index in the design process and low power consumption attention to details such as high performance.目錄一、系統(tǒng)方案（1）處理器的選擇.4（2）聲源以及聲音檢測器的選擇.4（3）控制算法的選擇.5二、理論設(shè)計與論證1設(shè)計任務(wù).62. 聲響模塊分析、計算. .74.數(shù)據(jù)處理原理分析、計算.73.聲音接收放大器分析、計算.7三、電路與程序設(shè)計1聲響模塊電路設(shè)計.73. 測量、數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計及程序設(shè)計流程圖.72聲音接收放大器電路設(shè)計.9四、測試方案與測試結(jié)果.10五、參考文獻(xiàn).10六、結(jié)束語.11七、附錄.11.一、系統(tǒng)方案1方案比較與論證（1）處理器的選擇方案一：采用51 單片機(jī)控制。其優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，應(yīng)用廣泛，資料比較容易搜集。但是功能較弱，不適于復(fù)雜的系統(tǒng)控制。方案二：采用飛思卡爾公司的XS128 單片機(jī)。XS128是高性能、低功耗的16 位微處理器，功能強(qiáng)大，IO 端口數(shù)量多，有豐富的定時器計數(shù)器以及中斷接口，集成有可工作于主機(jī)/從機(jī)模式的SPI 串行接口，并且支持JTAG 在線調(diào)試，使用方便。考慮到XS128單片機(jī)功能強(qiáng)大和使用熟練程度比較高，并且數(shù)據(jù)計算要求較高，所以選用方案二，（2）聲源以及聲音檢測器的選擇方案一： 采用蜂鳴器等發(fā)聲器件作為聲源，使用放大電路連接LM567 集成音頻選頻芯片所組成的具有選頻功能的聲音開關(guān)電路檢測出蜂鳴器的固有頻率信號。由于加入了音頻選頻，抗干擾能力強(qiáng)，能很輕松地濾除雜聲干擾，檢測到給定頻率的聲音信號。方案二：采用蜂鳴器等發(fā)聲器件作為聲源，用MIC、三極管放大電路和比較器等器件組成的簡單聲音開關(guān)電路檢測聲源的音頻信號，由于比較器的濾除一大部分雜音干擾，可在環(huán)境干擾較少的情況下使用。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)計原理簡單，可360多方位檢測。缺點(diǎn)：受環(huán)境雜聲干擾較大，需要環(huán)境較為安靜。若加入選頻和濾波電路，會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。通過實(shí)際測試，LM567 芯片選頻性能優(yōu)越，但是其信號輸入到輸出的響應(yīng)時間不穩(wěn)定，隨機(jī)性給通過聲波測距的算法帶來很大隨機(jī)誤差，不適用，所以選取方案二（3）控制算法的選擇方案一：從移動聲源通過無線模塊發(fā)送一個指令給主機(jī)，同時可移動聲源發(fā)出一個音頻信號。主機(jī)在接收到無線指令后開始計時，直到接收到移動聲源發(fā)出的音頻信號為止，通過計數(shù)值轉(zhuǎn)化為時間參數(shù)，進(jìn)而得到距離參數(shù)。A、B、C三個聲音接收器與可移動聲源的距離得到，即可準(zhǔn)確定位出移動聲源的位置，得到誤差信號。優(yōu)點(diǎn)：可以精確定位。缺點(diǎn)：需要溫度補(bǔ)償聲速，需外加溫度傳感器，增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度。方案二：移動聲源不斷發(fā)出周期性音頻脈沖信號，主機(jī)只檢測AB 或者AC兩個聲音接收器之間得到脈沖的時間差，然后通過時間差的正負(fù)判斷可移動聲源的具體位置。優(yōu)點(diǎn)：算法簡化了復(fù)雜的三角函數(shù)運(yùn)算，使得計算簡單，誤差降低；過程類似閉環(huán)反饋，不斷檢測并修正位置，使得精度要求得到保障。缺點(diǎn)：只能實(shí)現(xiàn)簡單要求的運(yùn)動，不能作為復(fù)雜運(yùn)動的算法?？紤]到競賽對可移動聲源要求的運(yùn)動簡單，并且方案二使得程序穩(wěn)定。此外，由于競賽要求不允許聲響模塊與其他電路有任何連接。故選取方案二。二、理論設(shè)計與論證1設(shè)計任務(wù)本聲音定位系統(tǒng)要求設(shè)計并制作一聲音定位系統(tǒng)，示意圖如圖1 所示。圖中，聲音定位系統(tǒng)有一個可移動聲源S，三個聲音接收器A、B 和C，聲音接收器之間可以有線連接。聲音接收器能利用可移動聲源和接收器之間的不同距離，產(chǎn)生一個可移動聲源離各個接收器的誤差信號?？梢苿勇曉催\(yùn)動的起始點(diǎn)必須在坐標(biāo)紙內(nèi)，位置可以任意指定。2. 聲響模塊分析、計算聲響模塊由于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，功耗不大于200mW。由于功耗限制和電壓，所以我們放棄了使用51單片機(jī)來作為信號發(fā)生裝置，最終我們決定使用555電路來產(chǎn)生基波頻率為500Hz的信號，并且因?yàn)橐舐曇舫掷m(xù)時間為1s,所以需要采用延時電路。3.聲音接收放大器分析、計算聲音接收模塊采用駐極體話筒作為聲電轉(zhuǎn)換原件。駐極體話筒輸出端是內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極D和源極S，此電路采用漏極輸出的連接方式，故在漏極D與電源正極之間須接入電阻R3。通過單電源供電的同向交流放大電路，放大交流信號，再經(jīng)過比較器輸出矩形波信號。4.數(shù)據(jù)處理原理分析、計算當(dāng)移動聲源發(fā)出聲音時，4個聲音接收器接收到的時間先后有差別，根據(jù)時間上的差別，判斷出可移動聲源)方位。三、電路與程序設(shè)計1聲響模塊電路設(shè)計聲響模塊由于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，功耗不大于200mW。由于功耗限制和電壓，所以我們放棄了使用51單片機(jī)來作為信號發(fā)生裝置，最終我們決定使用555電路來產(chǎn)生基波頻率為500Hz的信號，并且因?yàn)橐舐曇舫掷m(xù)時間為1s,所以需要采用延時電路。信號發(fā)生裝置原理圖及555延時電路如下：555延時電路 555信號發(fā)生電路2聲音接收放大器電路設(shè)計聲音接收模塊采用駐極體話筒作為聲電轉(zhuǎn)換原件。駐極體話筒輸出端是內(nèi)部場效應(yīng)管的漏極D和源極S，此電路采用漏極輸出的連接方式，故在漏極D與電源正極之間須接入電阻R3。通過單電源供電的同向交流放大電路，放大交流信號，再經(jīng)過比較器輸出矩形波信號。電路如下：3. 測量、數(shù)據(jù)處理電路設(shè)計及程序設(shè)計流程圖當(dāng)聲源位于AF以下S點(diǎn)時，則聲源距離A、B和C點(diǎn)距離假定為ZA、ZB和ZC，則必定接收器B先接收到該聲音，C次之，A最后接收到當(dāng)B接收到聲音后，啟動單片機(jī)定時器，測出接收器C和A的接收時間差A(yù)rC和AtA，聲音在空氣中的傳播速度為c一(33145+06lt)mS，式中t為環(huán)境溫度，環(huán)境溫度30 時的速度約為350 ms，則有：ZC=ZB+C;ZA=ZB+A; (1)式中：C =tC *350A =以*350以A為原點(diǎn)，則聲源S坐標(biāo)為(xs，ys)，利用式(1)如何求出xs、ys的值呢?這里根據(jù)各點(diǎn)位置關(guān)系列出方程，以mm為單位：（ZB + A)2=xs2+ ys2ZB2=(xs-1000)2+ys2(ZB+C)2=xs2+(ys-1000)2 (2)式(2)中，A和C為已知，ZB、xs和 ys為未知數(shù)，解此方程組，得到以ZB為變量的一元二次方程：a*ZB + b*ZB + c=0 (3)式中：a=4*(A2+(A-C)2-106)b=4*A2+ (A C)*(A2 一C2 +106)一A106 c=(A2+ 106) 2 + (A2 一C2 + 106) 2 一4*A2 *106則ZB =(- b-sqrt(b2-4*a*c)/(2*a) (4)代人式(2)，則Xs=(2*A *ZB + A2 + 106)/2000Ys =(2A一2*C)*ZB+A2-C2+106)/2000 (5)這樣就可根據(jù)接收器A和c的接收時間差，計算出聲源位置坐標(biāo)(xs，ys)當(dāng)移動聲源移動到位于AF線以上位置時，計算時把上式中ZB作為ZC即可，求出3：5、ys值后，則聲源位置坐標(biāo)為(ys， ) 四、測試方案與測試結(jié)果賽場建立坐標(biāo)系，A點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，AB為X軸、AC為Y軸，米為坐標(biāo)單位。以隨機(jī)的方式放置聲源的初始位置。分別將基本部分和發(fā)揮部分的測試結(jié)果記錄在表1和表2中。 表1 基本要求部分測試結(jié)果 次數(shù) 放置位置 測量位置 1 （126，175） （131，166） 2 （256，132） （251，115） 3 （326，89） （306，55） 五、參考文獻(xiàn)1全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編M 北京理工大學(xué)出版社,20072黃開勝. 學(xué)做智能車挑戰(zhàn)“飛思卡爾”杯M 北京航天航空大學(xué)出版社,20073