聲音定位系統(tǒng)技術(shù)報(bào)告

聲音定位系統(tǒng)摘要本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)的可移動(dòng)聲源定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)。采用c8051f330芯片為主體，搭建外圍電路組成聲響模塊，產(chǎn)生500HZ，功耗不高于200MW的聲音信號(hào)。再通過(guò)FPGA采集4個(gè)麥克接收的時(shí)間差，傳到以c8050f020為主體的控制模塊通過(guò)一定的算法計(jì)算，在128x64分辨率的液晶顯示聲響模塊的坐標(biāo)以及運(yùn)動(dòng)軌跡。關(guān)鍵字：c8051f330；FPGA；c8050f020；聲源定位；、方案論證與比較1.1聲響模塊方案比較應(yīng)要求：每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號(hào)的基波頻率為500Hz左右，聲音持續(xù)時(shí)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(hào)發(fā)送，功率要求不大于200mw，那么應(yīng)以低脈寬來(lái)達(dá)到此要求。方案一：采用模擬器件搭建一個(gè)信號(hào)發(fā)生電路，如自激電路，與邏輯門電路配合，再經(jīng)由三極管放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。人為通過(guò)純電路產(chǎn)生某個(gè)可識(shí)別信號(hào)，電路構(gòu)造復(fù)雜，在接收模塊中又易受干擾，而且難度過(guò)大，在接收模塊亦難識(shí)別。方案二：采用c8051f330單片機(jī)發(fā)生符合要求的聲音信號(hào)，再通過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)聲。此方案靈活方便，電路和程序簡(jiǎn)單，權(quán)衡之下選擇方案二作為聲響模塊設(shè)計(jì)方案。1.2聲音接收模塊方案比較當(dāng)聲音信息通過(guò)空氣向四周振動(dòng)發(fā)送，利用麥克風(fēng)對(duì)空氣振動(dòng)的敏感性，提出利用麥克風(fēng)采集聲音的方案。方案一：設(shè)想聲音在空氣中傳播時(shí)，距離聲波越遠(yuǎn)接收到的信號(hào)也越小，通過(guò)麥克風(fēng)放大電路檢測(cè)信號(hào)大小來(lái)計(jì)算出點(diǎn)與聲源的距離。但實(shí)際操作中，由于距離與接收聲強(qiáng)關(guān)系未知，準(zhǔn)確度較低，不能準(zhǔn)確定位。方案二：將麥克風(fēng)接收到的聲音信號(hào)，通過(guò)lf353前置放大電路，帶通濾波電路，再通過(guò)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(jiǎn)單，與所發(fā)送信息吻合性高，抗干擾性強(qiáng)，故選用。二、聲源定位分析計(jì)算給坐標(biāo)紙四角的接收模塊編號(hào)，左上：0，左下：1，右下：2,右上：3。其位置坐標(biāo)分TOC\o"1-5"\h\z別是（工，J）、（X，y）、（X，y）、（X，J）。聲源所在位置坐標(biāo)是（X，y）。則接0 0 1 1 2 2 3 3收模塊與聲源之間的距離為>"=J（x,.—x）2+（y—y）2i=0， 1，2，3 （2-1）r2=（x一x）2+（y一y）2=k一2xx-2yy+x2+y2 （2-2）ii i ii i其中\(zhòng)o"CurrentDocument"k=x.2+y.2 （2-3）令r0表示聲源與.號(hào)接收模塊和o號(hào)接收模塊之間的距離差，則r=ct=r—r=p（x—x）2+（y—y）2-\；'（x—x）2+（y—y）2 （2-4）i0 i0i0vi i 、0 0其中c表示聲音傳播的速度，匕0是接收模塊測(cè)量值。TOC\o"1-5"\h\zr2+2rr+r2=k-2xx一2yy+工2+y2 (2-5)i0 i00 0ii i式中x=x-x,y=y-y,將x,y,r視為未知數(shù)，則據(jù)式2-7可列出3個(gè)方i0 i0 i0 i0程組成線性方程組。解出r2-r2-r2r= 30 10—02(r-r+r)30 20 10x=250-r302+2r30r01200

y=ri02+2ri0'0+175900三、單元電路分析與設(shè)計(jì)3.1聲響模塊電路設(shè)計(jì)聲響模塊電路基于c8051f330最小系統(tǒng)產(chǎn)生聲波信號(hào)，經(jīng)過(guò)三極管放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器。通過(guò)按鍵開關(guān)控制模式選擇以及單次聲波輸出。電路圖如下：圖2、復(fù)位電路和麥克風(fēng)電路

聲音接收模塊有幾部分組成，麥克風(fēng)，一級(jí)放大電路，高通濾波電路，二級(jí)放大電路，低通濾波電路以及比較電路。電路原理圖詳見(jiàn)附頁(yè)。麥克風(fēng)接收到聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)兩級(jí)放大電路處理，再經(jīng)過(guò)高通濾波器已經(jīng)低通濾波器，將不需要的雜波信號(hào)濾除，最后經(jīng)過(guò)比較器可以使正弦信號(hào)變成矩形波信號(hào)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(cè)計(jì)算。一級(jí)放大電路反相端輸入放大幾百倍，經(jīng)二階高通濾波濾去低頻信號(hào)，二級(jí)放大電路放大20倍，使信號(hào)失真成方波。四、系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)4.1聲響模塊為滿足題中的單次發(fā)聲和連續(xù)發(fā)生的要求，通過(guò)單片機(jī)的I/O口控制按鍵實(shí)現(xiàn)，同時(shí)為了是發(fā)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(shí)間的低電平的矩形波。

4.2信息處理模塊整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)FPGA和單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)檢測(cè)及處理，同時(shí)通過(guò)單片機(jī)的按鍵進(jìn)行切換顯示，其中最重要的是FPGA和單片機(jī)間的通信，而單片機(jī)通過(guò)讀取按鍵的值Key進(jìn)行不同處理，當(dāng)Key=1時(shí)顯示圖像，當(dāng)Key=0時(shí)顯示軌跡。單片機(jī)部分程序框圖五、系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析5.1測(cè)試儀器恒壓源 MOTECHLPS-305萬(wàn)用表 UT53MULTIMETER示波器OSCILLOSCOPEGOS-620坐標(biāo)紙350X500mm25.2測(cè)試數(shù)據(jù)聲音信號(hào)指標(biāo)測(cè)試聲響模塊每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號(hào)的基波頻率保持500Hz左右，聲音持續(xù)時(shí)間為1.2s聲響模塊功耗測(cè)試通過(guò)測(cè)量聲響模塊電流28.9mA，電壓為3V,功耗小于200mW，滿足題目要求。坐標(biāo)顯示測(cè)試設(shè)定坐標(biāo)值(x,y)顯示坐標(biāo)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(cè)試結(jié)果分析經(jīng)過(guò)測(cè)試，本設(shè)計(jì)滿足了聲源模塊的需求，輸出500HZ聲波，功耗小于200mW。顯示定點(diǎn)坐標(biāo)時(shí)仍然有較大誤差。六、結(jié)論本系統(tǒng)使用自己建立的聲源模塊發(fā)出固定的聲波信號(hào)，并且利用自建的四路聲音接收模塊和一個(gè)基于FPGA和單片機(jī)的信息處理模