声音定位系统设计毕业设计(可编辑).doc

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1、声音定位系统设计毕业设计 声音定位系统设计摘 要 从GPS到手机定位,定位系统在我们的日常生活中越来越重要。声音定位,即确定声源待测目标在空间中的位置,其在地质勘探、人员搜救、目标跟踪等方面有着广泛的应用。现在已将声音定位应用在可视电话、视频会议等系统中。 本系统由两部分组成。声源模块是用单片机产生一个音频信号,该信号用三极管进行放大后输入到扬声器作为声源;接收模块使用麦克风进行接收,然后对接收的信号经过放大,接着经过带通滤波,去除周围环境的噪声,滤波后的信号正好是扬声器发出的声音信号。声源定位是通过对四个拾音器接收到信号的时间先后进行处理,经过一套比较完善的算法可得声源的坐标,即可进行声源定

2、位,最后将声源的具体坐标显示在液晶屏上。 设计完成后,进行了整体测试,基本能够达到设计要求。关键词:定位,时间差,滤波,设计Design of Sound Positioning SystemABSTRACT From the GPS to the phone positioning, positioning system in our daily life plays an increasingly important role. Sound localization, that determines sound source test target position in space, a

3、nd its geological exploration, search and rescue personnel, target tracking, and so has a wide range of applications. Now sound positioning has been applying in video telephony, video conferencing systems. This system is to use MCU produce a audio signal, which is amplified by the transistor input t

4、o the speaker as the sound source. Receiving section for receiving the microphone, the first of the received signal after amplification and then through a band-pass filter, remove ambient noise, the filtered signal just beep emitted sound signal. Sound source localization is achieved by the four pic

5、kups have received the signal processing time, through a more perfect sound source algorithm can be obtained coordinates to the sound source localization. Finally, the sound source the specific coordinates displayed on the LCD screen. After the completion of the design, has carried on the overall te

6、st, basic can meet the requirements.KEY WORDS: positioning, time gap, filtering, design毕业设计(论文)原创性声明和使用授权说明原创性声明 本人郑重承诺:所呈交的毕业设计(论文),是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知,除文中特别加以标注和致谢的地方外,不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果,也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体,均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。 作 者 签 名: 日 期: 指导教师签名: 日

7、 期: 使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计(论文)的规定,即:按照学校要求提交毕业设计(论文)的印刷本和电子版本;学校有权保存毕业设计(论文)的印刷本和电子版,并提供目录检索与阅览服务;学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文;在不以赢利为目的前提下,学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名: 日 期: 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人

8、完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名: 日期:年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名:日期:年 月 日 导师签名:日期:年 月 日指导教师评阅书 指导教师评价: 一、撰写(设计)过程 1、学生在论文(设计)过程中的治学态度、工作精神 优 良 中 及格 不及格 2、学生掌握专业知识、技能的扎

9、实程度 优 良 中 及格 不及格 3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4、研究方法的科学性;技术线路的可行性;设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5、完成毕业论文(设计)期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格 三、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中

10、及格 不及格 3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩: 优 良 中 及格 不及格 (在所选等级前的内画“”) 指导教师: (签名)单位: (盖章) 年月日 评阅教师评阅书 评阅教师评价: 一、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格 二、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格 3、论文(设计说明书)所体现

11、的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩: 优 良 中 及格 不及格 (在所选等级前的内画“”) 评阅教师:(签名) 单位: (盖章) 年月日 教研室(或答辩小组)及教学系意见 教研室(或答辩小组)评价: 一、答辩过程 1、毕业论文(设计)的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2、对答辩问题的反应、理解、表达情况 优 良 中 及格 不及格 3、学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二、论文(设计)质量 1、论文(设计)的整体结构是否符合撰写规范? 优 良 中 及格 不及格 2、是否完成指定的论文(设计)任务(包括装订及附件)? 优 良 中 及格 不及格 三、

12、论文(设计)水平 1、论文(设计)的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2、论文的观念是否有新意?设计是否有创意? 优 良 中 及格 不及格 3、论文(设计说明书)所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩: 优 良 中 及格 不及格 (在所选等级前的内画“”) 教研室主任(或答辩小组组长):(签名) 年月日 教学系意见: 系主任:(签名) 年月日目 录摘要IABSTRACTII1 绪论11.1 课题研究背景及意义11.2 国内外研究现状11.3 设计任务22 定位分类及原理42.1 定位系统的概述42.2 常用定位技术介绍52.2.1 GPS定位系统52.

13、2.2 TDOA技术52.2.3 时差定位技术的优势92.3 本章小结93 总体设计方案103.1 系统方案论证103.1.1 信源模块103.1.2 声音接收模块103.1.3 滤波模块103.1.4 信号处理模块113.1.5 数据显示模块113.2 系统总体设计113.3 本章小结124 硬件设计134.1 声响模块电路的设计134.2 声音接收放大电路设计134.2.1 LM358芯片资料134.2.2 信号接收与放大电路144.3 选频电路设计144.3.1 LM567选频电路资料144.3.2 选频电路154.4 显示电路设计164.4.1 1602164.4.2 显示电路174.

14、5 本章小结185 软件设计195.1 声源模块软件设计195.1.1 声源模块软件流程图195.1.2 声源模块参数计算205.2 数据处理及控制显示215.2.1 1602的指令说明及时序215.2.2 数据获得与处理的原理235.2.3 软件流程图246 总结与展望266.1 设计总结266.2 设计展望26致 谢27参考文献28附录 主程序291 绪论1.1 课题研究背景及意义 在电子对抗领域,对辐射源位置信息侦察越精确,就越有助于对辐射源进行有效的战场情报信息获取和电子干扰,以及精确的打击,为最终摧毁目标提供有力的保障。因此,对辐射源的无源定位技术在电子对抗领域占有很重要的地位。利用

15、多个已知辐射源的信号可以对目标定位,这通常是指目标对自身的定位,其典型应用就是GPS全球卫星定位系统,它具有全天候、高精度、隐蔽性强等优点。但是由于辐射源信号形式已知,接收机极容易受到电子干扰,导致定位性能降低。并且目前我国并不掌握GPS的主动权,因此对其使用的效果就会大打折扣。实现对目标的定位也可以利用第三方的辐射源信号。这种方法是指通过已知参数和位置的第三方辐射信号和经过目标反射信号的相关接收和处理,对目标进行定位,因此它对于隐身目标和寂静目标具有较强的定位能力1。 对目标的定位,还可以利用目标上的无意辐射和有意辐射来进行,这一类定位通常称为无源定位。在不发射对目标照射的电磁波的条件下,通

16、过测量雷达、通信等发射机(辐射源)的电磁波参数来确定辐射源及其携载平台或目标的位置信息和航迹。无源定位具有作用距离远、隐蔽性好等优点,对于提高系统在电子战环境下的生存能力具有重要作用。随着测量技术、信号截获和处理技术的发展,无源定位技术在电子战系统中占据着越来越重要的地位2。目前无源定位的方法主要包括: (1)时差定位:利用三个或者多个侦察站,测量出同一信号到达各侦察站的时间差进行定位。 (2)基于子空间定位:来源于现代高分辨谱估计技术。子空间技术是阵列信号处理技术中研究最多、应用最广、最基本也是最重要的技术之一。 随着科技的进步,定位已经在我们的日常生活中扮演的角色越来越重要。确定一个声源在

17、空间中的位置是一项有广阔应用背景的有趣研究,将来可以将语音声源定位应用在可视电话、视频会议等系统中检测说话人的位置。声源定位通过测量物体发出的声音对物体定位,与使用声纳、雷达、无线通讯的定位方法不同,前者信源是普通的声音,是宽带信号,而后者信源是窄带信号。对声源位置的确定能给大家有效的利用声音提供帮助。事实证明,声源定位系统是一个很有意义的研究课题3。 综上所述,由于声音定位的众多优点,在很多条件下都具有十分广泛的应用前景。所以对声音定位的研究有十分重要的理论意义和工程价值。1.2 国内外研究现状 由于定位导航在生产生活和军事中所发挥的巨大作用及该领域潜在的丰厚利润使得国内外都投了大量的人力物

18、力进行研究。特别是近年来移动定位服务的需求,进一步推动了定位技术的研究。在卫星定位导航方面,2003年3月26日在欧洲交通部长会上发起实施了伽俐略Galileo卫星导航定位系统,该系统将于2008年完成,标志着欧洲将拥有自己的卫星导航定位系统。2003年11月10日,欧盟15个国家依次签署了我国参与欧洲“伽利略”计划的正式协议,中国成为加盟“伽利略”计划的唯一的非欧盟国家。另外,我国独立开发了双星定位导航系统,并于2000年底成功发射了“北斗试验卫星”,相关的应用正在积极的研发中。在移动通信定位方面,从定位算法的研究到各种定位系统的开发也成为当前一个研究热点。各大跨国公司,如Motorola、

19、Nokia、Ericsson、QUALCOMM等都在积极开展对基于GSM、IS-95和第三代移动通信系统的定位技术的研究,并且制定了相应的实施方案,同时也出现了一些专门从事定位技术研究与开发的公司。目前,一些定位系统已经投入使用,以提供一些简单的定位服务,如中国联通采用QUALCOMM公司的GPS one技术可以提供相当精确定位服务,如安全监护、个人导航、消费指南等,中国移动也已经在广东、福建等地进行了移动定位服务的试点工作。由于TDOA技术所具有的优良性能,在各种定位系统的开发中,都将TDOA定位技术作为其备选方案,如GSM系统中选用的增强观测时间差E-OTD定位法,其原理同TDOA类似,W

20、CDMA系统中选用的OTDOA-IPDL法,这进一步促进TDOA技术的研究4。 查阅近期发表的论文,对TDOA定位算法研究具有代表性的有:/.n和/.der在论文中对基于通信信号循环平稳特性估计波达时差进行了系统分析/.n提出了一种在TDOA误差服从理想高斯分布时性能优良的定位算法;Ling Cong在论文中对TDOA定位中非视线传播误差进行了研究,同时对TDOA与AOA的混合定位进行了探讨.国内对移动通信定位技术研究起步较晚,这两年呈快速上升的趋势,一些院校主要有国防科技大学、西南交通大学、北京邮电大学等及华为、中兴等通信公司在从事这方面的研究5。1.3 设计任务 设计一套声音定位系统。在一

21、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1-1所示。图1-1 声音定位系统结构示意图 具体要求如下: 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1s。 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。

22、 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对值不大于30mm。2 定位分类及原理2.1 定位系统的概述 无源定位技术实质上是定位方法与定位算法的融合。具体的说,要实现无源定可分为两个步骤。首先,利用现有的测量技术,尽可能多的获得辐射源的参数以及辐射信号的参数,根据这些信息来选择相应的定位方法。其次,建立观测模型,根观测模型选择正确的有效的定位算法。对辐射源的无源定位因为其目的的不同,对位精度的要求也不相同,所采取的定位方法和定位算法也不相同,对电子侦察、干扰机来说,定位精度要求较低,

23、一般认为在2km左右,对EOB分析、武器传感器位来说,定位要求较高,在1km左右,而直接用于引导炸弹时,定位精度要求很在0.1km左右6。无源定位框图如图2-1所示。图 2-1无源定位框图 定位声源的精度受多方面因素的影响,因此声无源定位系统所面临的难点主要有: 1 定位系统不仅受到噪声的干扰,而且由于反射作用,会产生相关噪声。这样各传感器间噪声的互相关函数就不等于零,从而增大了定位的难度。 2 由于反射,传感器不仅收到声源的直接到达部分,还收到反射部分。而声音的反射会导致互相关函数或者波束的尖峰扩展,使得难以确定最大值,从而加大了定位的误差。 3 对于摆放的线性传感器,当声源在方向角比较小的

24、位置时,会影响几何近似的精度,从而给传感器与声源间距离的确定引入了比较大的误差。因此,声源与传感器的相对位置也会极大地影响定位的精度。 4 传感器的摆放。对于一个定位系统而言,传感器的数量越多,传感器的相对位置越多样化,提供的空间信息量越大,从而具有较高的定位精度。而在实际系统中,传感器的摆放位置比较固定,数量也比较少。因此难点就是在尽量少的传感器和固定摆放位置条件下,提供高的定位精度7。 多基传感器声无源定位系统有很多难点,但是它较之单传感器系统具有许多优点,其优越性表现在: 1 多基传感器系统具有空间选择特性,可以用瞄准的方式从所需的声源位置提供高品质的信号,同时抑制其他说话人的声音和环境

25、噪声,因此可以取得明显的消噪效果。在这一点上,传感器阵列明显优于良好瞄准的、高方向性的单传感器系统。 2 高方向性的单传感器系统通常只能拾取一路信号,且一般不能随声源一起运动,这就限制了它的使用范围,而且由于说话人的一些运动,也会导致其接收效果下降。多基传感器系统不要求在声源本地放置传感器,也不会限制说话人,并且不需要移动以改变接收方向。这些特性有利于它获取多个或移动声源,并且可用于一些特殊的场合。 3 它具有单个传感器不具备的性能,即自动探测、定位,并且在其接收区域内追踪正在说话的人。如果算法设计精简得当,则系统可实现高速的实时跟踪定位。2.2 常用定位技术介绍2.2.1 GPS定位系统 G

26、PS是英文Global Positioning System的缩写,即全球卫星定位系统。GPS系统是目前技术上最成熟且已实用的一种卫星导航和定位系统。它由24颗卫星组成,对于地球任何位置,均能观测到6-9颗卫星,并能保持良好的定位精度几何图形,提供了在空间连续的全球导航能力。设计粗码定位精度为100m左右,精码定位精度为10m左右。对于各种定位导航应用来说,一个最直接的解决方案就是在移动台上增加一个GPS接收机,称为辅助GPS定位技术A-GPS,如联通公司就采用了这项技术。移动台接收GPS信号,并且通过反向链路将收到的信号发送给基站,由基站对GPS信号进行处理,得到位置信息。这种方法虽然可以达

27、到一个很高的精度,但是它会增加移动台的体积和重量,并且对移动台电源消耗严重,大大地减少了通信时间。同时,GPS工作在L波段,蜂窝通信系统使用的频率不同,因此移动台的天线也必须重新设计,这些都将导致移动台费用的提高。另外,移动台定位时,GPS接收机至少同时需要四颗可见卫星,这在有强遮蔽物的环境中如城市、室内是无法作到精确定位,而对于车辆的导航定位优势明显。2.2.2 TDOA技术 时差TDOA定位又称为双曲线定位,是一种重要的无源定位方法,它是通过处理三个或更多个传感器采集到的信号到达时间测量数据对未知声源进行定位的。在二维平面中,声源信号到达两个传感器的时间差确定了一对以传感器为焦点的双曲线,

28、利用三站就可形成两对双曲线来产生交点,再利用测向信息排除虚假点,就能把声源的位置确定下来。若要确定三维空间的声源,声源信号到达两传感器的时间差规定了一对以两传感器为焦点的双曲面,则至少需要四个传感器形成三个单边双曲面来产生交点,以确定声源的位置。 时差测量定位技术来自于“罗兰”定位系统,罗兰导航系统,依据来自三个己知位置的发射机的信号来确定自身的位置,而时间差测量定位系统是利用三个己知位置的传感器接收某一个未知位置的声源的信号,来确定声源的位置。因此,时间差测量定位系统可以认为是反“罗兰”系统。它是通过处理三个或更多个传感器采集到的信号到达时间测量数据对未知声源进行定位的。 时间差测量定位的精

29、度在很大程度上决定于到达时间的测量精度和传感器,因此如何提高时间测量精度和系统的定位精度是时间差测量定位的一个重要研究内容。而要了解一个时差定位系统的定位性能,必须对该系统的定位性能作全面的分析。 基于到达时间差的定位算法,在导航、声纳等领域有广泛的应用。该算法首先估计各传感器之间的相对时延,然后利用估计出的时延,确定声源的位置。在现有的定位方法中,该方法运算量相对较小,实时性较好,硬件成本较低,因而倍受关注。但是,该算法适合于单个声源的定位系统,如果用于多声源定位,性能将会严重下降。基于时延估计的定位方法,基于时延估计的定位算法在运算量上优于其它的定位算法,可以在实际系统中低成本实现8。 双

30、曲线定位方法又称TDOA法,从理论上分析,传感器不少于3个就可以对声音源进行目标定,我们首先将问题简化为在二维平面内对声音源的定位。图2-2 两个传感器确定声源位置曲线 如图2-2,在一个平面上分布有两个传感器A和B坐标分别为-a,0和a,0,当平面上某处Sx,y发出声波时,两个传感器将先后接收到信号。实验时并不能真正测到事件到达的绝对时间,而只能测出它们的时间差,设声音传播速度为v,可以得到: 2-1等式两端同时乘以得: 2-2联立式2-1和2-2得: 2-3令: 2-4式2-3化简得: 2-5 由此可知声源发生的位置应当在到A,B两点的距离差为的曲线上。很明显,该曲线是一条双曲线。根据两节

31、点之间的和声音在空气中传播的速度,可以计算出声音源相对于两节点的距离差。一个对应一条双曲线,两条曲线相交处即是日标所在的位置。因此从理论上讲,一旦获得两个以上的加上传感器之间的己知距离和方位数据,就可以计算出声源的位置。于是可将此结论推广到3个传感器对声源定位的情况。 图2-3 多个声源曲线确定声源位置 如图2-3所示,在平面上分布有3个传感器A,B和C坐标分别为-a,0,a,0和。当平面上某处Sx,y发出声音时,3个传感器将先后接收到信号。设信号到达A和B的时间差为,到达A和C的时间差为,到达B和C的时间差为,则声源发生的位置应当在到A和B两点的距离差为的曲线和到A和C两点的距离差为的曲线上

32、,确定两条曲线的交点就可以确定声源所在的位置。很明显,3个时间差可得出3条双曲线。由于实验中存在误差,因而3条曲线不会交于一点,而是两两相交形成二角形。求解3个交点的坐标的推导过程如下。设A-a,0,Ba,0,C(x3,y3),Sx,y。3条曲线的方程分别如下: 2-62-7 2-8由式2-6可以得到: 2-9由式2-7可以得到: 2-10由式2-9和式2-10可以得到: 2-11令: 2-12式2-11简化为,将式代入2-9中得: 2-13令: 2-14将式2-13化简为: 2-15方程有解的条件: 2-16由于在求解过程中扩大了根的取值范围,因而舍去负根得: 2-17 同理可得另外两个交点

33、的坐标,设为和。由于传感器在测量过程中受环境以及自身等多方面因素的影响,因而测量的结果为3个点的坐标。为了确定较为精确的声源位置,可以考虑找出3个坐标点形成的三角形的重心,该重心即为发声源的位置。如图2-4所示。图2-4 声源位于三点形成的三角形的重心2.2.3 时差定位技术的优势 TDOA方法与其它定位技术相比,存在以下优点。首先,TDOA估计所有的处理都发生在下层网络,所以在现有的移动台上无需做硬件变动,这一点特别适合于移动通信定位系统,较A-GPS定位存在明显的优势9。 其次,TDOA是基于测量时差的定位系统,因此不需要知道信号从移动台到基站的绝对时间,对基站上是否有精确的定时参考时钟没

34、有要求,从这点看TDOA定位技术优于TOA定位技术。并且这种技术不需要架设专门的天线,安装费用比AOA便宜。 最后,TDOA定位技术能够取得较高的定位精度。TDOA技术本身可以抗一定程度的NLOS传播,没有LOS信号的情况下,仍可以获得比较高的精度。因此,TDOA技术可以较好的满足移动通信定位的需要,在各种蜂窝通信中,都将TDOA定位技术作为其定位技术备选方案10。2.3 本章小结 本章主要详细的介绍了定位的基本原理及分类,在此基础上,并对现有的几种定位方法进行了详细的对比,介绍了他们各自的优缺点。经过综合对比本次设计采用TODA定位算法比较适合。 3 总体设计方案3.1 系统方案论证 为了设

35、计出满足需要的系统,必须要先了解系统的基本要求,并能够对其进行深入彻底的分析,才能确立正确的设计方案。系统的设计任务已在第一章中介绍,这里不再赘述。根据分析,得出大概总体框图如图3-1所示。图3-1 系统总体设计框图3.1.1 信源模块 方案一:采用12MHz的单片机的定时中断产生500Hz的方波信号,用扬声器作为发声装置。使用简单,可以在响一秒后关闭定时器从而关闭扬声器。能够产生频率很准确的方波信号,并且经过简单的功率放大就可以使扬声器发出很响亮的声音,便于接收。 方案二:采用NE555接成多谐振荡电路产生500Hz的音频信号,但是此种方案的频率不是很稳定,并且不易实现向一秒后关闭扬声器11

36、。 综上所述,系统采用单片机的定时中断产生500Hz的方波信号,用扬声器作为发声装置。3.1.2 声音接收模块 方案一:采用压电式声敏传感器。压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成一种能实现声-电转换器件。但压电声敏传感器较为少见,价格较贵。 方案二:采用电容式驻极体话筒。该元件能将一般的声音信号转化为电信号。加上后续的滤波放大电路构成声音接收模块,实现简单,价格便宜。 基于以上分析,系统拟采用方案二进行接收信号。3.1.3 滤波模块 由于外界的噪音信号比较多,所以在进行信号处理之前要进行滤波。 方案一:接收到的信号经过由LM358组成的二阶带通滤波器,该滤波器的中心频率为500Hz,去除

37、周围环境的噪声。由于对声音信号的准确性要求比较高,所以要有很高的Q值,故要用高阶带通滤波器,所以设计的电路比较复杂而且中心频率不是很稳定。 方案二:采用LM567的选频作用。把他的中心频率设置为500Hz,带宽为50Hz左右,可以达到很好的选频效果。 综上所述,系统选方案二为滤波模块。3.1.4 信号处理模块 方案一:采用XC9000系列的FPGA。该种类器件具有并行处理能力,能快速的响应外部的各种数字信号,但在数字的乘除运算等数据处理方面不方便,而且芯片价格较昂贵。 方案二:采用单片机作为控制核心,单片机数学运算功能较强。在程序相互调用方面,处理方便灵活,适合实际应用。且单片机技术发展较为成

38、熟,价格便宜。 基于以上分析,系统拟采用方案二。使用两片C52单片机作为系统的控制器与信号处理器,实现产生信号与计算出生源位置并控制液晶显示生源坐标。3.1.5 数据显示模块 方案一:使用传统的数码管显示。但显示的信息量较小且占用的端口资源也较多。 方案二:使用液晶显示屏显示。液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。 基于以上分析,系统拟用方案二,采用1602液晶显示器实现显示生源的坐标。3.2 系统总体设计图3-2 系统总体框图 由系统框图可以看出本系统的主要原理,通过单片机的定时中断产500Hz的方波信号作为信源,用麦克风进行接收信

39、号,随后将接收到的信号用LM358进行前置放大,紧接着用锁相环LM567的选频功能进行选频,已达到很好的带通滤波作用。再将锁相环的输出信号接到单片机的外部中断及计数器中断上,单片机进行判断、获取时间差、处理数据等一系列操作最终算出声源的坐标(x,y,最后在液晶屏上进行显示。3.3 本章小结 在本章重点介绍了系统的总体框架结构,简述了系统各部分的方案对比、特点、作用及功能,简单介绍了系统的工作流程。为整体设计构造出整体框架。 4 硬件设计4.1 声响模块电路的设计 本次课题中的要求是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

40、右,声音持续时间约为1s。由上文所述可知,用单片机的定时中断可以得到频率很稳定、波形很好,很易于控制的方波,可以很好的达到设计要求,综上所述,本次该模块设计用AT89C51单片机的定时器中断输出频率为500Hz的方波,然后从单片机引脚输出,输出的信号经过三极管S9012放大后,再接入到扬声器发声12,如图4-1所示。图4-1 声响模块电路图4.2 声音接收放大电路设计4.2.1 LM358芯片资料 LM358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

41、、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13。 1 直流电压增益高约100dB; 2 单位增益频带宽约1MHz; 3 电源电压范围宽:单电源330V; 4 双电源1.515V; 5 共模输入电压范围宽,包括接地; 6 差模输入电压范围宽,等于电源电压范围; 7 输出电压摆幅大0至Vcc-1.5V。4.2.2 信号接收与放大电路 接收部分是用麦克风接收声音信号。由于麦克风接收到的信号在不经过放大时信号很小,不易检测,故后级利用运算放大器将接收的信号进行放大,已达到后级电路的要求。设计的电路图如图4-2所示14。图4-2 声音接收放大电路 本次放大电路采用把运算放大器接成同相比

42、例放大电路,放大倍数由R5和R8共同决定,放大倍数AuR5/R8+1,通过调节R5可以很方便的改变放大倍数,以达到要求。4.3 选频电路设计4.3.1 LM567选频电路资料 、脚外接定时电阻及电容决定锁相环内部压控振荡器的中心频率fo1/1.1RC。第脚对地接电容C2为相位比较器输出的低通滤波器。第脚所接电容C2对锁相环的捕捉带宽Bw有影响15。 图4-3 LM567的选频电路 、脚通常分别通过一电容器接地,形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网 脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽:电容值越大,环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。 脚是输入端,要求输入信号大于等于25mV。 、脚

43、外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f0,f01/1.1RC。 脚是逻辑输出端,其内部是一个集电极开路的三极管,允许最大灌电流为100mA。 LM567的工作电压为4.759V,工作频率从直流到500kHz,静态工作电流约8mA。 当LM567的输入信号的频率落在其内部压控振荡器中心频率fo附近时,逻辑输出端(8脚)将由原高电平变为低电平,输出一个负脉冲。8脚不仅可以实现选频,而且还有负脉冲形成功能。改变Rp可改变选频频率。 由于8脚为集电极开路输出,故实际应用时,其8脚应接一上拉电阻至电源正极Vdd。 通过试探和误差处理来选择C2,一开始可选择C2的值为C1的2倍。随后可增加C2的

44、值以减小带宽,也可减小C2的值以增加带宽。4.3.2 选频电路 根据要求只有当接收到的信号为500Hz时,我们才能保证接收到的信号是由声源发出的。而拾音器接收到的声音信号是任意频率的,故此处要进行滤波处理。滤波采用的是带通滤波器。由上文可知,用锁相环的选频功能能够很好的达到要求。用锁相环的选频功能代替贷通滤波器具有以下优点:中心频率很稳定,受外界环境影响比较小;中心频率很方便调节,只需要调节R6就可以调节中心频率;选频特性很好,带宽很窄,带宽很好调节,只需调节C5就可以调节带宽;外围电路简单,实现简单;很方便和后级电路连接,因为带通滤波器的输出接单片机的外部中断,外部中断为下降沿触发,而当有有用信号输入LM567时LM567会输出一个下降沿,刚好符合后级要求。综上所述,故选用锁相环的选频功