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1、2014年“TI ”杯重庆市电子设计竞赛声音定位系统竞赛选题：声音定位系统学 校：重庆大学城市科技学院参赛队员：孙绍丹徐敏程莉摘要本设计采用TI公司生产的超低功耗单片机MSP430F149作为定位系统的声源 产生模块和信息处理模块，实现了声音信号的发生、信号收集处理和屏幕显示以 及语音提示等功能。声源接收单元信号反应灵敏，能较准确的得到信号并及时传 送到信号处理单元。可以实现信号的运算处理以及控制LCD液晶屏幕显示测试数 据。在定位算法上采用的是一般数学算法。通过调试修正以后，能实现基本的声 源定位并显示。关键词：声音定位低功耗MSP430目录引言41.1、主要任务.41.2、设计要求41.2
2、.1、基本要求.41.2.2、发挥部分5一、 前言.错误！未定义书签。二、方案论证.72.1硬件方案对比72.1.1声源模块.72.1.2、接收模块放大芯片82.1.3、显示模块102.2、算法比较112.2.1、定位算法一： 112.2.2、定位算法二：122.3、硬件系统细节框图13三、单元模块设计143.3.1、放大电路163.3.2、滤波电路173.3.3、单限电压比较电路和555整形电路18四、软件设计194.1软件流程图19五、参考文献21引言1.1、主要任务设计一套声音定位系统。在一块不大于1m2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
3、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所示。图1声音定位系统结构示意图1.2、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 1s。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左右的信号传送全信息处理模块。(3) 设计制作一个信息处理
4、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。1.2.2、发挥部分(1) 改善接收信号的放大电路性能，改进算法，进一步提高定位精度。(2) 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。(3) 具有显示声响模块移动轨迹的功能。当声响模块在坐标纸上按指定路径 移动时，液晶显示屏能动态显
5、示声响模块移动的轨迹，显示的轨迹与声响模块移 动的路径一致。(4) 其它一、刖言二、方案论证系统框图图2系统框图单片机产生基波频率为500Hz左右的方波，使声响模块产生声音信号给声音 接收、处理模块。声音接收处理模块对接收到到声音进行放大处理后送到以 MSP430F149为核心的单片机中进行算法处理，得到声响模块所在位置的x、y坐 标值，由LCD显示屏显示。2.1硬件方案对比本设计分以下几个模块组成：声响模块、声音接受模块、信号处理模块。 现对模块的选用方案进行论证。2.1.1声源模块方案一：有源蜂鸣器蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计 算机、打印机、复印机、报
6、警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等 电子产品中作发声器件。方案二：无源蜂鸣器有源和无源的区别：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，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所 以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往 往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。方案三：喇叭8欧0.5瓦喇叭价格实惠，声音响亮，声音纯度较高，并且完全满足本次 设计的需求，故本次采用的是喇叭作为发声源。综上所述，选取便宜可控的喇叭更符合设计需要。2.1.2、接收模块放大芯片（1）、放大器选择方案一：LM358LM358内部包括有两个独立
7、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、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。&UT1图2 lm358结构图0UT2IN2 (IW ()方案二 NE5532：NE5532是一种双运放高性能低噪声运算放大器。相比较大多数标准运算放大 器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源的带 宽，电源电压范围大。这使该器件保真度高，顶级音频前置放大。特别适合应用 在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。isirgjfi
8、AA T可 SWAB鉴于本次作品对噪音的敏感度要求高，因此使用NE5532,因为它能保证噪声 电压指标。（2）、比较器选择：方案一：LM311LM311是电压比较器，可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波 形产生和变换电路等。利用LM311可将正弦波变为同频率的方波或矩形波。通过 电压的比较，比较两输入端电压数值的高低，使输出翻转，达到控制的目的。平衡划借图4 LM找谙构图方案二：LM393LM393是高增益，宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端 有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变 状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个
9、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10K 将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量（滞回1.010mV）能导致快速转 换，使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入 IC并在引脚上加上电阻将引起输入一输出在很短的转换周期内振荡，如果输入 信号时脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。图5 lm33管脚囹LM311是单电压比较器,LM393是双电压比较器.LM311的负载电流可达50MA, 电压40V.能驱动继电器，最低电源电压5V。LM393负载电流16MA,单电源时最低 电压2V。由于本次设计是将经过差分比例运
10、算电路放大的两路温度传感器的压 差值，转换为高低电平两状态的变化，以驱动发光二极管和蜂鸣器报警电路。 LM311做比较器就能满足要求了。2.1.3、显示模块方案一：TFTTFT是LCD的一种是最好的LCD彩色显示器之一，TFT式显示器具有高 响应度、高亮度、高对比度等优点，其显示效果接近CRT式显示器。LCD12864为带中文字库的128X64是一种具有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128x64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8 点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单方便的操
11、作指令，可构成全 中文人机交互图形界面。可以显示8x4行16x16点阵的汉字.也可完成图形显 示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的 图形点阵液品显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该 模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。方案二：LED显示屏LED显示屏：又称电子显示屏或者飘字屏幕。是由LED点阵列和led pc面 板组成，通过红色，蓝色，绿色LED灯的亮灭来显示文字、图片、动画、视频， 内容可以随时更换，各部分组件都是模块化结构的显示器件。传统LED显示屏 通常由显示模块、控制系统及电源系统组成。显示模块由LED灯组成的点阵构 成，负
12、责发光显示；控制系统通过控制相应区域的亮灭，可以让屏幕显示文字、图片、视频等内容，单色、双色屏主要用来播放文字的，全彩屏主要是播放动画 的；电源系统负责将输入电压电流转为显示屏需要的电压电流。本次大赛要求的是128*64以上分辨率的显示屏，所以选择LCD12864就能满 足设计要求。并且自带字库，简单方便。故本设计采用LCD显示屏。2.2、算法比较设坐标纸为图中的矩形ABCD。声源在点0,拾音器分别位于矩形四角A、B、C、 D。声源到A点的距离为Da，到B点的距离为Db，到C点的距离为Dc，到D点 的距离为Dd。分别经过时间Ta，Tb，Tc，Td后，拾音器A、B、C、D接收到信 号，然后可以计
13、算出三个时间差值t1，t2, t3，声音传播速度为v。通过下列算 法后可计算出声源0的坐标值（x,y）：2.2.1、定位算法一:A Li = Db Da = tl * c；（1）（2）（3）（4）A L2 = De Db = t2 * c；A L3 = Dd De = t3 * c；Dd2 + Db2 = Daz + De2；单片机检测到的为四个时间点算出三个时间差，上面四个式子可用时间差表 示出 Da、Db、Dc、Dd。厂-:-二 * ；（5）（上二-=二，厂；（6）.顷= k； .厂-:5： - 1 二工w 解出：(7)(8)_ Dd;-Dc=4250(JOG1QQQ, Db2-D；3B
14、41225.00:.-=；700lOQOir Da-DdiaZ&OG .=；700Ijrl+srZ V =:；Fig上式总共两个未知数四个等式，可以根据任意三个式子解出一组解，总共会 有两组解。由于测出的结果会有误差，所以将所得的两组解进行平 均值求解，则结果误差会减小，准确度会进一步提高。2.2.2、定位算法二：L1 = J x2 + y2 Jx + 350 y 2(1)L2 = Jx2 + y2 500 x 2 + y2(2)fl x,y = Jx2 + y2 Jx + 350 y 2 AL1 = 0 (3) f2 x, y = Jx2 + y2 500 x 2 + y2 AL2 = 0
15、(4)然后对(3)(4)分别对x,y求一介微分：flx x,y fly x, y f2x x,y f2y x, yX XJx 2+y 2Jx 2 + (350y)2Jx 2+y 2Jx 2+(350-y)2x+500 xJx 2+y 2(500 X )2+y 2X+ _ yJx 2+y 2(500 x )2+y 2然后将f1(x,y)，f2(x,y)进行泰勒级数展开，则可得出递推公式:Xk + 1 = Xk +Yk + 1 = Yk +flx xk, yk* f2y xk, yk f2xxk, yk* f1y(xk, yk)f2x xk, yk* f1y xk, yk f1xxk, yk* f
16、2y(xk, yk)f2y xk, yk* f1x xk, yk f1yxk, yk* f2x(xk, yk)f2x xk, yk* f1y xk, yk f1xxk, yk* f2y(xk, yk)经过递推后可得出比较准确的O(x,y)的坐标，程序比较大，适合在PC机 上运行，准确度比较高。两种算法比较第一种算法程序比较简短，适合用单片机处理。故这里选择第 一种算法。23、硬件系统细节框图方案确定后的系统框图细节如下:咪头接收声音模块图3硬件系统细节框图二级放大NE5532MCU单眼电压比较电路LM311三、单元模块设计本次设计主要由声响模块、声音接受模块、信号处理模块这三个模块组成。 声响
17、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 传送到信号处理模块进行运算处理，将测试数据显示在LCD显示屏上3.1声响模块：由单片机最小系统产生频率为500HZ左右的方波信号从引脚P2.0输出，利 用单管放大后给喇叭发声。其中电位器可对音量进行调节。如图6是声响模块电 路图。单片机最小系统采用的是TI公司生产的超低功耗的MSP430F149单片机为核 心，实际电路中需和声源模块相连接的端口为P2.0，由它产生方波。图6发送系统模块电路图7声响模块电路图3.2声音接收模块：用四个咪头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50
18、0Hz左右的信号传送全信息处理模块。3.3信息处理模块：图9放大电路图NE5532是典型的双极型输入运算放大器，用单个NE5532组成的小功率电路有很多版 本，放大倍数是由R3和R2来控制的，理论上说如果R3为1kQ，R52为100kQ，则其放大 倍数为100倍，但对于耳放来说，这会引起自激，再说就算真的能达到100倍，效果也不可 能好，所以这个电路用于前级时也最好别调成100倍。当然，对于耳放定23倍可以让负 反馈适量、音质柔和、清晰更通透，但放大倍数也不能太小，否则也会影响音质，可以通过 反复调试，达到自己满意的效果。3.3.2、滤波电路0.01 pFO.OlpF10kD1.68kQ10K
19、QLNl570kQ图9滤波电路图本次设计用NE5532来做滤波器中的运放，NE5532是高性能低噪声双运算放大器（双 运放）集成电路。对高于经过放大电路放大后输入的频率值进行滤波。将滤波后的值再送入 二级放大电路，进行二次放大后，继续由NE5532做运放的滤波电路中进行滤波。将滤波 后的值送入由LM311做运放的单限电压比较电路。3.3.3.单限电压比较电路和555整形电路图10单限电压比较电路和555整形电路单限电压比较器也是由单个集成运放构成，作用是将经过运算电路放大的两 路不同频率值的信号波进行比较，转换为高低电平两状态的变化，促发 MSP430F149设定的引脚高低电平变化。555定时
20、器是一种模拟和数字功能相结合的中规模集成器件。555定时器 的电源电压范围宽，可在4.5V16V工作，7555可在318V工作，输出驱动电 流约为200mA，因而其输出可与TTL、CMOS或者模拟电路电平兼容。555定时器成本低，性能可靠，只需要外接几个电阻、电容，就可以实现 多谐振荡器、单稳态触发器及施密特触发器等脉冲产生与变换电路。它内部包括 两个电压比较器，三个等值串联电阻，一个RS触发器，一个放电管T及功率 输出级。它提供两个基准电压VCC /3和2VCC /3 555定时器的功能主要由两 个比较器决定。两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。在电源 与地之间加上电压，当5脚
21、悬空时，则电压比较器A1的反相输入端的电压为 2VCC/3, A2的同相输入端的电压为VCC /3。若触发输入端TR的电压小于VCC /3,则比较器A2的输出为1，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。如果阈 值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC /3，则A1的输 出为1，A2的输出为0，可将RS触发器置0，使输出为0电平。这里经过555 定时器整形后的方波信号送入到芯片中进行计算。四、软件设计4.1软件流程图设计采用MSP430F149为核心负责信号的处理并控制LCD显示屏显示相应数 据。主程序流程图如下：中断函数:中断函数五、参考文献1 范红刚，魏学海，陈和.51单片机自学笔记；北京，北京航空航天大学出版社2010年1 月第1版2 王宜怀，曹金华.嵌入式系统设计实战；北京，北京航空航天大学出版社2011年5月第1版3 闻怡洋.无线设备编程指南；北京，北京大学出版社2004年7月第1版4 李玉柏.最小系统设计与应用；四川，电子科技大学出版社2012年4月第1版5 钟洪声.电子电路设计技术基础；四川，电子科技大学出版社2012年4月第1版6 王昊，李昕.集成运放应用电路设计360例；北京，电子工业出版社2007年1月7 喻金钱，喻斌.短距离无线通信详解一基于单片机控制；北京，北京航空航天大学出版社 2009年4月附录
