聲音定位系統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c8051f330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FPGA采集4個麥克接收的時間差，傳到以c8050f020為主體的控制模塊通過一定的算法計算，在128x64分辨率的液晶顯示聲響模塊的坐標以及運動軌跡。關鍵字：c8051f330；FPGA；c8050f020；聲源定位；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c8051f330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聲音接收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lf353前置放大電路，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。二、聲源定位分析計算給坐標紙四角的接收模塊編號，左上：0，左下：1，右下：2，右上：3。其位置坐標分別是（，）、（，）、（，）、（，）。聲源所在位置坐標是（x，y）。則接收模塊與聲源之間的距離為i=0，1，2，3（2-1）（2-2）其中（2-3）令表示聲源與號接收模塊和0號接收模塊之間的距離差，則（2-4）其中表示聲音傳播的速度，是接收模塊測量值。（2-5）式中，，將x，y，r視為未知數，則據式2-7可列出3個方程組成線性方程組。解出三、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c8051f330最小系統產生聲波信號，經過三極管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：圖2、復位電路和麥克風電路圖3、按鍵電路及施密特觸發器電路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兩級放大電路處理，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。一級放大電路反相端輸入放大幾百倍，經二階高通濾波濾去低頻信號，二級放大電路放大20倍，使信號失真成方波。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信息處理模塊整個系統通過FPGA和單片機進行數據檢測及處理，同時通過單片機的按鍵進行切換顯示，其中最重要的是FPGA和單片機間的通信，而單片機通過讀取按鍵的值Key進行不同處理，當Key=1時顯示圖像，當Key=0時顯示軌跡。圖5 單片機部分程序框圖五、系統測試及結果分析5.1測試儀器恒壓源MOTECHLPS-305萬用表UT53MULTIMETER示波器OSCILLOSCOPEGOS-620坐標紙350×500mm25.2測試數據（1）聲音信號指標測試聲響模塊每按鍵一次發聲一次，聲音信號的基波頻率保持500Hz左右，聲音持續時間為1.2s（2）聲響模塊功耗測試通過測量聲響模塊電流28.9mA，電壓為3V，功耗小于200mW，滿足題目要求。（3）坐標顯示測試設定坐標值（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)(400,125)(250,100)(150,25)5.3測試結果分析經過測試，本設計滿足了聲源模塊的需求，輸出500HZ聲波，功耗小于200mW。顯示定點坐標時仍然有較大誤差。六、結論本系統使用自己建立的聲源模塊發出固定的聲波信號，并且利用自建的四路聲音接收模塊和一個基于FPGA和單片機的信息處理模塊來進行聲音的定位。在自己建立的區域內，