聲音定位系統(tǒng)報(bào)告

聲音定位系統(tǒng)（D題）摘要：系統(tǒng)通過A、B、C三站音頻接收裝置，經(jīng)采集和分析聲響模塊發(fā)射的音頻信號，定位移動(dòng)聲源坐標(biāo)并在液晶上顯示。三站中站點(diǎn)A設(shè)為主站，B、C站設(shè)為從站，利用三站時(shí)差定位法，經(jīng)解定位方程可求得移動(dòng)聲源所在位置。系統(tǒng)設(shè)計(jì)在坐標(biāo)計(jì)算中充分考慮到環(huán)境溫度對聲速的影響和傳輸路徑延時(shí)的影響，對定位方程進(jìn)行修正，使得定位誤差小于10mm，達(dá)到發(fā)揮部分題目要求的定位精度性能指標(biāo)。聲響模塊功耗低，達(dá)到功耗不大于200mW的題目要求。關(guān)鍵詞：聲源定位、三點(diǎn)時(shí)差定位法、PWM波控制、MSP430單片機(jī)一、方案比較和論證1、總體方案設(shè)計(jì)系統(tǒng)由MSP430單片機(jī)、音頻發(fā)射模塊、音頻接收模塊和液晶顯示組成。系統(tǒng)主體框圖如圖1所示。由MSP430單片機(jī)控制音頻發(fā)射模塊發(fā)射狀態(tài)，音頻接收模塊A、B、C通過麥克風(fēng)接收到音頻信號，并對信號進(jìn)行濾波比較，輸出三路PWM波。MSP430對三路PWM波進(jìn)行捕獲處理，根據(jù)三點(diǎn)時(shí)差定位法，三路信號經(jīng)采集計(jì)算可以定位移動(dòng)聲源坐標(biāo)。圖1系統(tǒng)主體框圖2、單元方案比較與選擇音頻發(fā)射電路方案一：將低于3V的電源電壓進(jìn)行升壓處理，提供單片機(jī)和功放芯片的電源。MSP430單片機(jī)產(chǎn)生脈沖經(jīng)由功放芯片搭建的功率放大電路去驅(qū)動(dòng)喇叭發(fā)聲,發(fā)出特定頻率的音頻信號。方案二：由三極管構(gòu)成的簡易共射極放大電路，將低于3V的電源電壓進(jìn)行升壓處理，升壓后電壓提供給三極管集電極。由MSP430單片機(jī)產(chǎn)生脈沖波，脈沖經(jīng)共射極放大電路去驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，產(chǎn)生音頻信號。方案比較：方案一相對于方案二穩(wěn)定性強(qiáng)，但其輸出功耗較大，超出題目的功耗限制要求。方案二電路簡易，且經(jīng)實(shí)際電路測量可滿足題目要求。綜上所述,選擇方案二。

音頻接收電路方案一：用駐極體話筒作為聲電轉(zhuǎn)換元件，接收信號進(jìn)行同相放大，放大后的交流信號進(jìn)入電壓比較器比較輸出脈沖波。脈沖經(jīng)過555單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路進(jìn)一步整形。方案二：采用咪頭接收喇叭發(fā)射的音頻信號，接入由音頻運(yùn)放構(gòu)成的帶通濾波電路進(jìn)行濾波操作，再經(jīng)反相放大器進(jìn)行放大處理。濾波后的音頻信號經(jīng)峰值檢波電路進(jìn)一步放大，最后通過與電壓比較器的閾值電壓比較，輸出脈沖串。方案比較：方案一采用先放大比較后整形，噪聲容易被放大，干擾性差。方案二采用濾波、放大、檢波、放大、比較，逐級消除噪聲的影響。相對于方案一，方案二性能高，且經(jīng)實(shí)際電路測量可滿足題目要求。綜上所述，選擇方案二。定位方法方案一：兩點(diǎn)測距定位法。設(shè)置A、B兩個(gè)接收站點(diǎn)，通過測量聲源信號到A、B站點(diǎn)的時(shí)間，乘以聲速可求得聲響模塊到A、B站點(diǎn)的距離。根據(jù)三角形邊角關(guān)系，解三角可得聲響模塊與A、B站的位置關(guān)系。方案二：三點(diǎn)時(shí)差定位法。設(shè)置A、B、C三個(gè)接收站點(diǎn)，其中A為主站，B、C站為從站。三站接收聲響模塊發(fā)射的音頻信號，經(jīng)放大、濾波、檢波、整形后傳輸給主站A，根據(jù)分析三路波形的時(shí)序關(guān)系，進(jìn)而得出聲響模塊坐標(biāo)。方案選擇：方案一測量時(shí)間短于方案二，且數(shù)據(jù)處理難度較低。方案二采用三站測時(shí)定位，其定位精度明顯高于兩站測距定位。本題要求重在準(zhǔn)確定位聲源，故定位精度要求較高。綜上所述，選擇方案二。二、理論分析與計(jì)算1、音頻發(fā)射電路兩個(gè)1.2V干電池串聯(lián)的電壓無法驅(qū)動(dòng)功率放大芯片，需進(jìn)行升壓處理。由TPS61070構(gòu)成的升壓電路，如圖2所示，滿足綣=R2x(V。-1)，其中V口=500mV。1 Vfb fb取電阻R2為110K,輸出電壓為5V,則求得電阻R1取1M。其中電容C1、C2為4.7uF，電感L1為4.7uH。輸出+5V作為共射極放大電路的供電電源。+rY=芝\寸3MVL14.7uSW+rY=芝\寸3MVL14.7uSWVBATGNDTPS61070voutENFBU1TPS61070X7J>?丄丄己寸一702MVX.圖2TPS61070升壓電路2、音頻接收電路音頻接收電路主體結(jié)構(gòu)有放大電路、濾波電路、峰值檢波電路和電壓比較電路組成。由前置NE5532構(gòu)成低通濾波電路、后置NE5532構(gòu)成高通濾波器，組合形成帶通濾波電路，帶通濾波器計(jì)算公式：BW12兀JR1BW12兀JR1R2C]C2fH=fHfo二fH-fL其中f是低通濾波器的上限截止頻率；f是高通濾波器的下限截止頻率；L HBW是帶通濾波器的帶寬；f是帶通濾波器的中心頻率。根據(jù)計(jì)算公式，選擇合0適的電阻、電容，就可達(dá)到理想的帶通濾波電路。同時(shí)在帶通濾波器接入反饋電阻，使得帶通濾波器具有放大音頻信號的作用。帶通濾波電路濾波后信號經(jīng)反相比例放大器，輸出增益滿足Av=-RF。信號進(jìn)一步通過峰值檢波電路后進(jìn)行反VR0向放大。3、數(shù)據(jù)處理原理分析與計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于一組已知幾何位置的接收器，并利用接收器接收信號的相關(guān)性來確定聲源位置以及運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。直角坐標(biāo)系如圖3所示。設(shè)A為主站，B、C為從站，S為移動(dòng)聲源。通過測量S到A站和B站的時(shí)間差卜t，測量S到A站和C站的時(shí)間差△t，列出二元非線性時(shí)差方程組：AB AC盲x+0.05)2+(y—0.4)2Sa—Sb (x+0.05)2+(y+0.05)2—、：(x—0.55)2+盲x+0.05)2+(y—0.4)2AB vv& Sa—Sc J(x+0.05)2+(y+0.05)2—米用MATLAB軟件編程，可求得:x=0.83*tabA2*vA2-(1.67*tAB*v*(225.0*tabA3*vA3-400.0*tACA3*vA3-81.0*tAB*v+81.0*tAC*v+(-90000.0*t3A4*t,A2*vA6+18225.0*t3A4*vA4+180000.0*t3A3*t,A3*vA6-36450.0*tjA3*tA' ABAC AB ABAC ABA*vA4-90000.0*tA2*t人4"人6+101250.0嗆人2嗆人2恂人4_16812.5625嗆人2*?人2-64800.0嗆TOC\o"1-5"\h\zC ABAC ABAC AB A*tA3*vA4+13122.0*tg*t"*vA2 + 32400.0*匚』4“人4 - 24786.0*匚』2"人2 +BAC ABAC AC AC3690.5625)人(1/2)+800.0*?口嗆”人2"人3))/(450.0*匚/2"人2+800.0嗆*人2"人2-162.0)+0.25?A^B?A^C ?A^B ?A^C

y=2.22*t3*t,*vA2-1.11*t,A2*vA2-(2.2*t,*v*(225.0*t3A3*vA3-400.0*t,A3*vA3 -ABAC AC 、AC、 AB AC81.0*t*v+ 81.0*t*v+(-90000.0*匕/4嗆人2"人6+ 18225.0*匕/4“人4+180000.0*匚/3純?nèi)?恂人6 -ABAC36450.0*匚/3嗆"人4-90000.0*匚/2*匕』4"人6+101250.0*匚/2嗆"人2"人4-16812.5625*匚/ABAC ABAC ABAC AB2*vA2-64800.0*t*t人3“人4+13122.0*t*t"人2+32400.0*t人4“人4-24786.0*tFZABAC ABAC AC AC+3690.5625)人(1/2)+800.0嗆小嗆”人2"人3))/(450.0*匚/2"人2+800.0*^』2"人2-162.0)+AB?A^C AB AC0.175SBy/mmSB-?S(x,y)'、ScSA圖3直角坐標(biāo)系三、電路與程序設(shè)計(jì)1、音頻發(fā)射電路音頻發(fā)射電路主要由MSP430單片機(jī)、升壓模塊和共射極放大電路組成。將兩個(gè)1.2V干電池串聯(lián)的電壓經(jīng)升壓處理后，輸出+5V作為共射極放大電路的供電電源，電路如圖4所示?？刂芃SP430產(chǎn)生的脈沖,脈沖經(jīng)限流電阻流入放大電路的基極。8Q負(fù)載喇叭串聯(lián)電源與集電極之間,發(fā)射基波頻率為500Hz的音頻信號。

2、音頻接收電路音頻接收電路由放大電路、濾波電路、峰值檢波電路和電壓比較電路組成，電路如圖5所示。咪頭接收音頻信號經(jīng)由音頻運(yùn)放NE5532、電阻R1?R6和電容C1?C4組成有源帶通濾波器，通過一定頻率的音頻信號。兩片NE5532還起放大作用，將接收到音頻信號進(jìn)行雙級放大。帶通濾波電路濾波后信號經(jīng)反相比例放大器進(jìn)一步放大。三級放大后的信號通過由兩片OPA2227、電容、電阻和二極管1N4148組成的峰值檢測電路，通過一定幅值的信號。峰值檢波信號再一次經(jīng)0PA2227放大，放大后信號串聯(lián)電容輸入電壓比較器LM311的“+”端，該電容起隔直作用，電阻并聯(lián)到地為了讓電容放電。通過改變滑阻的阻值，調(diào)整LM311“-”端的電壓閾值，再與“+”端電壓進(jìn)行比較，輸出PWM波。V-8<U1A>^-r哂E5532l>斗R312kQ10nFC2T卜10nF910Q-C316kQIjOnF1OnFL22kQ4詡4148D2415kQCOPA2227Pc<OPA2227PS 1N4148OPA2C5V-8<U1A>^-r哂E5532l>斗R312kQ10nFC2T卜10nF910Q-C316kQIjOnF1OnFL22kQ4詡4148D2415kQCOPA2227Pc<OPA2227PS 1N4148OPA2C53pFR16470kQKey=AC?Tl-0.1pFR1225%1Ok0D1DV圖5音頻接收電路3、程序設(shè)計(jì)及其流程圖軟件部分是先控制聲響模塊MSP430單片機(jī)產(chǎn)生不同形式音頻信號，再經(jīng)信息處理模塊的MSP430單片機(jī)對音頻信號進(jìn)行捕獲比較，計(jì)算后坐標(biāo)送入12864液晶進(jìn)行顯示，程序主體框圖如圖6所示。

聲響模塊信息處理模塊聲響模塊信息處理模塊圖6程序主體框圖四、測試方案與測試結(jié)果1、測試方法：系統(tǒng)通過A、B、C三站音頻接收裝置，經(jīng)采集和分析聲響模塊發(fā)射的音頻信號，定位移動(dòng)聲源坐標(biāo)。三站中站點(diǎn)A設(shè)為主站，B、C站設(shè)為從站，利用三站時(shí)差定位法，經(jīng)解定位方程可求得移動(dòng)聲源所在位置。

2、測量儀器(如表1所示)表1測量儀器序號型號數(shù)量1TDS1102數(shù)字存儲(chǔ)示波器12EE1411型合成函數(shù)信號發(fā)生器13UT56MULTIMETER四位半數(shù)字萬用表143m卷尺13、測試數(shù)據(jù)(1)功耗測量輸出電流I=40mA 輸入電壓V=2.7V功耗W=V?I=2.7VX40mA=108mW(2)坐標(biāo)定位通過三點(diǎn)時(shí)差定位測得坐標(biāo)數(shù)據(jù)如表2所示。其中，x為聲源的實(shí)際橫坐標(biāo)，△x為測量值與實(shí)際值的誤差值；y為聲源的實(shí)際縱坐標(biāo)，△y為測量值與實(shí)際值的誤差值。△t為音頻信號到A站和B站的時(shí)間差，△t為音頻信號到AAB AC站和C站的時(shí)間差。表2坐標(biāo)定位測量次數(shù)x/mm△x/mmy/mm△y/mm△t/msAB△t/msAC1500-1350-20.810.382430-325020.710.19322002202-0.130.174100560-9-0.81-0.555308150-7-1.00-0.14(3)聲響模塊移動(dòng)軌跡圖根據(jù)題目發(fā)揮部分要求，當(dāng)聲響模塊在坐標(biāo)紙上按指定路徑移動(dòng)時(shí)，液晶顯示屏能動(dòng)態(tài)顯示聲響模塊移動(dòng)的軌跡，顯示的軌跡與聲響模塊移動(dòng)的路徑一致，如圖7所示。圖7液晶顯示軌跡圖4、測試結(jié)果分析根據(jù)測試結(jié)果，可以看出數(shù)據(jù)偏差小于10mm，完成了發(fā)揮部分位置坐標(biāo)值誤差的絕對值不大于10mm的要求。本次設(shè)計(jì)的誤差來源是傳輸過程延時(shí)作用。B、C站接收到音頻信號產(chǎn)生的PWM波需通過導(dǎo)線連接到A站，從而進(jìn)行捕獲比較，此過程存在傳輸延時(shí)，導(dǎo)致存在一定誤差。五、總結(jié)在整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程中，始終關(guān)注系統(tǒng)的性能指標(biāo)和運(yùn)行的穩(wěn)定性，根據(jù)測試結(jié)果，可以看出坐標(biāo)數(shù)據(jù)偏差小于10mm，完成了發(fā)揮部分定位誤差小于10mm的要求。通過按鍵控制MSP430發(fā)出脈沖波形式，可實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)部分聲音Is發(fā)聲和發(fā)揮部分連續(xù)發(fā)聲的要求。如果時(shí)間允許，該系統(tǒng)可添加無線傳輸模塊，在兩片MSP430單片機(jī)間實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信和無線自動(dòng)應(yīng)答功能，可以將電路中的突發(fā)情況及時(shí)反饋給聲響模塊的MSP430，并在液晶上及時(shí)地對數(shù)據(jù)進(jìn)行更正。六、參考文獻(xiàn)【1】黃爭.德州儀器高性