聲音定位系統總結報告聲音定位系統總結報告姓名2013.8.4摘要本設計是一種基于單片機的可移動聲源定位系統的研究與實現。采用stm32芯片為主體，搭建外圍電路組成聲響模塊，產生500HZ，功耗不高于200MW的聲音信號。再通過單片機捕獲4個麥克接收的時間差，傳到以stm32為主體的控制模塊通過一定的算法計算，在彩屏上顯示聲響模塊的坐標以及運動軌跡。關鍵字：stm32，信號放大，功率放大，帶通濾波，聲源定位；方案論證與比較1.1設計任務與要求一、任務設計一套聲音定位系統。在一塊不大于1m2的平板上貼一張500mm×350mm的坐標紙，在其四角外側分別固定安裝一個聲音接收模塊，聲音接收模塊通過導線將聲音信號傳輸到信息處理模塊，聲音定位系統根據聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音信號，判定聲響模塊所在的位置坐標。系統結構示意圖如圖1所示。圖1聲音定位系統結構示意圖二、要求1.基本要求(1)設計制作一個聲響模塊，含信號產生電路、放大電路和微型揚聲器等，每按鍵一次發聲一次，聲音信號的基波頻率為500Hz左右，聲音持續時間約為1s。要求聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗不大于200mW。(2)設計制作四路聲音接收模塊，由麥克風、放大電路等組成，并分別與信息處理模塊相連接，以便將頻率為500Hz左右的信號傳送至信息處理模塊。(3)設計制作一個信息處理模塊，要求該模塊能根據從聲音接收模塊傳來的信號判斷聲響模塊所在位置的x、y坐標，并以數字形式顯示x、y坐標值，位置坐標值誤差的絕對值不大于30mm。2.發揮部分(1)改善接收信號的放大電路性能，改進算法，進一步提高定位精度。(2)控制聲響模塊以不間斷的連續周期波的形式發出聲音信號，其基波頻率為500Hz左右。當聲響模塊在坐標紙上移動時，聲音定位系統能連續跟蹤顯示聲響模塊的x、y坐標值，隨機停止聲響模塊的移動，能立即穩定地顯示聲響模塊的x、y坐標值，誤差的絕對值不大于10mm。(3)具有顯示聲響模塊移動軌跡的功能。當聲響模塊在坐標紙上按指定路徑移動時，液晶顯示屏能動態顯示聲響模塊移動的軌跡，顯示的軌跡與聲響模塊移動的路徑一致。(4)其它1.2設計分析要完成此次任務，需要500HZ發生模塊、聲波接收電路、放大電路、濾波電路、信號處理部分和信號顯示部分。在整體的方案上，我們采用8位的51單片機作為500HZ的信號發生部分，以32位的STM32作為信號處理部分。由于聲響模塊產生的信號在經過咪頭接收后，信號變的很微弱，因此，我們需要設計一個放大電路，將mv級的信號放大到v級信號，放大倍數為10~100倍。由于環境中還有各種其他噪聲，在經過放大電路后也被放大了，因此，我們需要一個帶通濾波電路以消除雜波，讓我們想要的波形通過。本設計采用NE5532作為放大芯片，以LM358作為濾波芯片。此系統的總體框架如下：消除雜波聲源500HZ信號放大消除雜波聲源500HZ信號放大接收模塊顯示坐標聲音定位信號處理顯示坐標聲音定位信號處理 圖1.系統框圖一、方案論證與比較1.1聲響模塊方案比較應要求：每按鍵一次發聲一次，聲音信號的基波頻率為500Hz左右，聲音持續時間約為1s。要求聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗不大于200mW。分析知，為保證基波頻率為500hz左右，是以500hz的矩形波為主的信號發送，功率要求不大于200mw，那么應以低脈寬來達到此要求。方案一：采用模擬器件搭建一個信號發生電路，如自激電路，與邏輯門電路配合，再經由三極管放大電路驅動揚聲器發聲。人為通過純電路產生某個可識別信號，電路構造復雜，在接收模塊中又易受干擾，而且難度過大，在接收模塊亦難識別。方案二：采用stc89c52單片機發生符合要求的聲音信號，再通過三極管驅動揚聲器發聲。此方案靈活方便，電路和程序簡單，權衡之下選擇方案二作為聲響模塊設計方案。1.2聲音接受模塊方案比較當聲音信息通過空氣向四周振動發送，利用麥克風對空氣振動的敏感性，提出利用麥克風采集聲音的方案。方案一：設想聲音在空氣中傳播時，距離聲波越遠接收到的信號也越小，通過麥克風放大電路檢測信號大小來計算出點與聲源的距離。但實際操作中，由于距離與接收聲強關系未知，準確度較低，不能準確定位。方案二：將麥克風接收到的聲音信號，通過放大電路，帶通濾波電路，再通過比較電路獲得與聲源模塊相似的矩形波，再由信息處理模塊。該方案，電路簡單，與所發送信息吻合性高，抗干擾性強，故選用。1.3算法方案比較方案一：通過比較輸出波形的相位差來測得三點的距離，經過STM32的四路捕獲信號比較四路的相位差，經過相應的算法求得發生點的坐標方案二：通過捕獲的四路信號，算得四路的時間差，通過一定的算法測得發生點的坐標由于測相位的算法較為復雜，硬件要求較高，因此，我們選用了方案二二：聲源定位系統分析計算聲源離各個角的距離計算出聲音波形的時間差編程框圖計算聲源離各個角的距離計算出聲音波形的時間差捕獲上升沿接受聲音波形捕獲上升沿接受聲音波形算出（X,Y算出（X,Y）算法首先我們使用四個接收器來接收發射源的聲音信號，從這四個接收器中我們能從中讀取出各個之間的差值，即有三個差值為S1,S2,S3。這三個點都是以1號點為基準來做的，s1為2到1的距離差，s2為3到1的距離差，s3為4到1的距離差。用單片機計算距離差的時候運用捕獲寄存器來實現捕獲各個聲音的波形的上升沿來算出時間差。頻率為500HZ，所以周期為2us，所以為計數器加一下就是2us。距離差=計算器個數*2*10^-3*340。聲速340m/s還有就是發射源到各個點的距離分別為D1，D2，D3，D4。由以上可以得到三個式子。S1=D2-D1,S2=D3-D1,S3=D4-D1.因為在這個長方形中對角線想等可得，D4*D4+D2*D2=D1*D1+D3*D3通過計算可以得出以下四個各條邊的式子,,,根據海倫公式S=√p*(p-a)*(p-b)*(p-c)（p=(a+b+c)/2）得到面積，根據面積即可求出相應的X,Y值三、單元電路分析與設計3.1聲響模塊電路設計聲響模塊電路基于stc89c52最小系統產生聲波信號，經過放大電路驅動揚聲器。通過按鍵開關控制模式選擇以及單次聲波輸出。電路圖如下：3.2聲音接收模塊電路設計聲音接收模塊有幾部分組成，麥克風，一級放大電路，高通濾波電路，二級放大電路，低通濾波電路以及比較電路。電路原理圖詳見附頁。麥克風接收到聲波信號經過放大電路處理，再經過高通濾波器已經低通濾波器，將不需要的雜波信號濾除，最后經過比較器可以使正弦信號變成矩形波信號從而得到與輸入波形較為接近的波形，使信息處理電路便于檢測計算。四、系統程序設計4.1聲響模塊為滿足題中的單次發聲和連續發生的要求，通過單片機的I/O口控制按鍵實現，同時為了是發聲模塊的功耗小于200mw,采用輸出含有題目要求的500Hz基波的窄脈沖和一定時間的低電平的矩形波。4.2信息處理模塊開始開始系統初始化系統初始化四路捕獲信號處理信號液晶顯示四路捕獲信號處理信號液晶顯示五、系統測試及結果分析5.1測試器件恒壓直流電源信號發生器示波器5.2測試數據（1）聲響模塊測量通過示波器測得，聲響模塊的聲音頻率在500hz左右，輸出的幅值在5V左右，測得的電流在20mA左右，滿足功率低于200mW要求輸出波形測量我們測得硬件給單片機的最后波形的幅值為5V，頻率為500hz，占空比為50%，四路的輸出波形都大致如此（3）坐標測量設定坐標值（x,y)顯示坐標值（x,y）誤差(0,0)(12,15)（12,15）（50,30）（36,78）(14,48)(100,120)(170,132)(70,12)(350,175)(278,200)(122,25)經過測量，我們做的聲音定位的準確度不高，在操作過程中，會出現較多的單片機能接受信號但顯示屏無反應的結果，出現的概率較大，這是我們這個過程中難以解決的問題六、結論本系統使用