单片机声控定位系统doc

1、哈尔滨华德学院毕业论文摘 要利用MCS-51作为硬件平台，在同一个平面内，使用NE555发出固定频率的声波，并且使用三个固定频率信号接收器来接收声音，在发第一次声音的时候开始计时，在第一个探头收到时截止。由于声音是由物体振动产生，正在发声的物体叫声源。声音以波的形式传播。声音是声波通过任何物质传播形成的运动，并且声音在空气（15）中的速度是340m/s，所以可以用声音来计算出发声器与接收探头之间的距离，按上述方法做三次，经过计算，最后确定出发生器位置。本次设计是基于MCS-51单片机的声控定位系统的设计，硬件部分主要是MCS-51单片机。该系统采用了MCS-51作为控制电路核心。单片机能够对采

2、集的数字信号进行处理和判断，实现用声音定位出发声器的位置。该设计的主要任务是根据外部控制和输入固定频率的声音信号量，这样可以实现对于一个物体的位置的确定。关键词 MCS-51平台；结构化程序语言；声音；数字信号采集The Voice positioning system based on ArduinoAbstractMCS-51hardware platform using , in the same plane , using a fixed -frequency sound waves issued NE555 and using three fixed frequency signal

3、 receiver for receiving sound, the sound issued when the first start time, closing the first probe when closed. Since the sound is produced by vibrating objects , objects being vocal sounds sources. Sound propagation in the form of waves. Sound is the movement to form sound waves propagate through a

4、ny substance , and the speed of sound in air (15 ) in the 340m / s, so it can be used to calculate the distance voice sound way between the probe and the receiver , three times by the above method , after calculation, the finalization of the generator location.This design is based on the MCS-51 micr

5、ocontroller voice positioning system design , hardware mainly by the MCS-51 microcontroller . The system uses the MCS-51as a control circuit core . Microcontroller for digital signal processing and collection of judgments, implementer sound with sound localization starting position . The main task o

6、f the design is based on an external control input and the amount of fixed-frequency sound signal , this can be achieved for the determination of the position of an object .Keywords MCS-51 platform；Structured Programming Language；Sound；Digital signal acquisition 目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 选题目的和意义11.

7、2 国内外现状11.3 论文研究内容2第2章 开发环境及主要元器件32.1 开发工具32.1.1 MCS-51简介3 2.2 使用的主要元器件62.2.1 固定频率声音识别模块62.2.2 LM56792.2.3 固定频率发声器112.2.4 NE555122.2.5 LCD液晶显示器142.3 本章小结16第3章 设计与实现173.1 定位机理173.1.1 强度差173.1.2 时间差173.1.3 音色差173.1.4 位相差173.2 系统基本流程图183.3 程序设计思想：193.3.1 电平触发方式193.3.2 整体平台设计203.3.3 定位算法（一）：203.3.4 定位算法

8、（二）：213.3.5 显示设计223.4 本章小结24第4章 系统测试优化254.1 测试基本内容264.1.1 测试方法与仪器264.1.2 测试数据完整性264.1.3 测试结果分析264.2 系统优化274.2.1 程序优化274.2.2 实体优化274.3 本章小结29结 论30致 谢31参考文献32附 录33英文原文33The Phase to Develop the System33英文译文40系统开发阶段40- IV -第1章 绪 论1.1 选题目的和意义人们经常借助听觉来判定发音物体的位置。声音定位在人和动物的日常生活中着重要意义。例如，当你独自行走时，突然听到一个响声你会想

9、到这个声音什么意思，对你有无威胁，它来自何方等等。确定声音的方向和距离需要比较来自两耳的信息，虽然你会很快作出判断和反应，但声音定位过程是听觉系统复杂综合的功能。现如今常用的定位系统都是应用超声波和无线电来进行的，例如雷达、声纳等等，而本次设计是利用我们大家能够听到的自然声来进行定位的，基于MCS-51单片机的声控定位系统的设计，硬件部分主要使用MCS-51单片机。该系统采用了MCS-51作为控制电路核心。单片机能够对采集的数字信号进行处理和判断，实现用可以听见的声音来定位出发声器的位置。本次设计的意义是根据外部控制和输入固定频率的可以听见的声音信号量，经过接收处理，来实现对于一个发声物体的位

10、置的确定。1.2 国内外现状时至今日，声学的应用范围越来越广，在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位，尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。众所周知，大剧院是世界公认的工程技术难度最高的建筑，声学系统的建设更是核心难点，因此声音效果也成为了评判一家大剧院水准的重要衡量标准。可喜的是近年来国内许多涉足声学设计的企业、单位也逐渐走向成熟，在这些组织中深圳中孚泰文化集团可为国内行业排头兵。中孚泰是全球唯一一家专注于演艺建筑建设的企业，19年专注，中孚泰参与建设了全国60%的高端精品剧院建设，是唯一被有关部门授予“声学装饰科学研究院”的单位。在中孚泰倾心打造的众多大剧院中，以广州大剧院

11、、甘肃大剧院为代表在声音效果上已经超越了悉尼歌剧院，跻身国际一流水准。现如今，语音识别步入了高速发展的时期，语音识别在某些领域已经走向成熟，同时随着多媒体时代的来临迫切要求语音识别系统从实验室走向应用，90年代初人们开始研究语音识别与自然处理结合，产生了基于口音识别和理解的人机对话系统。90年代中期语音识别与机器翻译结合产生了直接语音翻译技术，并且应用到订票等各个领域。1.3 论文研究内容在现在生活中，无论是军事，还是民用的方方面面，对于声波的利用可以说是多种多样，在军事上，人们利用超声波制作了千里眼和顺风耳，也就是雷达和声纳，这样使人们的视力和听力都得到了长足的发展，在战时更好的为人们预警，

12、来保护友方安全；在生活中，我们用GPS等先进工具来进行定位，以至于不会迷路，找到自己所想要找的美景，医生们用超声波来清洁牙齿，使牙齿更亮白；在工业上，人们利用超声波来检查工件是否有裂痕，是否安全等。我所研究的内容不只局限于超声波和次声波，而是利用大家都能听到的自然声音来进行声源的定位。第2章 开发环境及主要元器件本章主要介绍系统研究设计需要的技术以及系统的主要功能，通过简单认识这些软件和开发技术来搭建一个好的开发环境供系统使用。2.1 开发工具为了更好更有效的开发出系统，这里简单介绍一下所需要的开发工具和技术要求。2.1.1 MCS-51简介MCS51系列单片机的内部结构框图如图21所示分析图

13、21, 并按其功能部件划分可以看出, MCS51系列单片机是由8大部分组成的。图22为按功能划分的MCS51系列单片机内部结构简化框图。 这8大部分是:一个8位中央处理机CPU。128个字节（MCS52子系列为256字节）的片内数据存储器RAM。 4 KB（MCS52子系列为8 KB）的片内程序只读存储器ROM或EPROM（8031和8032无）。18个（MCS52子系列为21个）特殊功能寄存器SFR。4个8位并行输入输出I/O接口: P0口、 P1口、 P2口、 P3口（共32线）, 用于并行输入或输出数据。1个串行I/O接口。2个（MCS52子系列为3个）16位定时器/计数器。1个具有5个

14、（MCS52子系列为6个或7个）中断源, 可编程为2个优先级的中断系统。 它可以接收外部中断申请, 定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。图2-1MCS-51系列单片机内部结构框图图2-2 MCS-51系列单片机内部结构简化框图· 2.2.3 单片机外部引脚说明· MCS51系列单片机芯片均为40个引脚, HMOS工艺制造的芯片采用双列直插（DIP）方式封装, 其引脚示意及功能分类如图23所示。 CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的, 但为44个引脚, 其中4个引脚是不使用的。·图2-3 MCS-51系列单片机引脚及总线结构（a） 管脚图 （b）引脚功

15、能分类1. 主电源引脚Vcc和Vss VCC（40脚）: 接+5 V电源正端; VSS（20脚）: 接+5 V电源地端。 2. 外接晶体引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）: 接外部石英晶体的一端。在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机, 该引脚接地; 对于CHMOS单片机, 该引脚作为外部振荡信号的输入端。 XTAL2（18脚）: 接外部晶体的另一端。在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。 3. 控

16、制信号或与其它电源复用引脚控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP等4种形式。（1）RST/VPD（9脚）: RST即为RESET, VPD为备用电源, 所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。（2）(30脚): 当访问外部存储器时, ALE（允许地址锁存信号）以每机器周期两次的信号输出, 用于锁存出现在P0口的低8位地址。（3） （29脚）:片外程序存储器读选通信号输出端, 低电平有效。（4） （31脚):为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。4. 输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口（1）P0口（39脚32脚）: P0.

17、0P0.7统称为P0口。（2）P1口（1脚8脚）: P1.0P1.7统称为P1口, 可作为准双向I/O接口使用。（3）P2口（21脚28脚）: P2.0P2.7统称为P2口, 一般可作为准双向I/O接口。（4）P3口（10脚17脚）: P3.0P3.7统称为P3口。表2-3 P3口第二功能表2.2 使用的主要元器件2.2.1 固定频率声音识别模块此模块使用麦克风拾取声音信号，并对其进行2级放大处理，放大后的信号，使用LM567鉴频芯片，对信号进行鉴频识别。使用精密电位器设定一个固定频率，LM567将麦克风的信号和设定信号频率对比，当频率相同时，输出一个开关信号量，已达到对固定频率进行音频识别的

18、目标。此驱动板适合于智能程控小车、机器人、声控开关等，可配合各种控制器使用。模块电路原理图如图2-3所示：图2-3固定频率声音识别模块电路原理图该电路的放大器部分如图2-4所示，图2-4 识别模块放大电路部分电路图它是两端放大，在前端把外界接收到的声音信号经过放大电路处理放大到100倍后传回后方的LM567芯片进行比较，等前方的频率和后方设置好的频率相当时，输出相应的信号，就这样实现了识别固定频率声音的作用。如图2-5所示，图中的R13滑动变阻器的阻值来调节确定LM567的采样方波，这样就可以找到一个合适的位置来确定我们实验所需要的声音频率，再由前方放大电路发回来的放大信号对比以后输出，实现了

19、对于固定声音频率的获取和识别的功能。图2-5 识别模块LM567部分电路图参数指标：1. 板载放大器，对麦克风的声音进行100倍放大。2. 输入频率范围300Hz至20kHz。3. 距离，0-5m，此参数取决于音源的分贝数。4. 3v-12v直流供电；如果接5v单片机，请用5v。模块电路原理图如图2-6所示：图2-6 固定频率声音识别模块结构图接口说明：GND：电源地VCC：电源正极，3V至12V，直流。如果使用5V单片机，请使用电流。OUT：输出，识别到设定频率的声音是，输出低电平。FIN：鉴频器信号输出管脚，可输入需要鉴别的频率，注意幅值小于0.2V。FOUT：鉴频器耦合频率输出管脚，该管

20、脚输出频率器设定的鉴别频率。ROUT：放大器实时输出管脚，检查音频放大信号的实时输出。注意事项：1电源正负极不要接反。2使用前应当调节滑动变阻器，把指示灯调灭才能开始使用，因为在环境中存在噪声，所以使用时应当把频率设置到噪声比较小的频率区域。2.2.2 LM567LM567 为通用锁相环电路音调译码器，LM567 的工作方式非常复杂，其引脚图如图2-7所示：图2-7 LM567引脚图这里仅将其基本功能概述如下：当LM567的脚输入幅度25mV、频率在其带宽内的信号时，脚由高电平变成低电平，脚输出经频率/电压变换的调制信号；如果在器件的脚输入音频信号，则在脚输出受脚输入调制信号调制的调频方波信号

21、。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。、脚通常分别通过一个电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。脚所接电容的容量应至少是脚电容的2倍。脚是输入端，要求输入信号25mV。脚是电源正极、脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f21/1.1RC。脚是电源地脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。LM567的工作电压为4.759V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。

22、2.2.3 固定频率发声器固定频率发声器的电路图如图2-8所示：图2-8 固定频率发声器电路图该模块是由两个滑动变阻器来调节发声频率的元器件，其中由四个电容并联出的一个震荡电路来输出固定的声音频率，使得符合设计需要固定频率声音。其中该电路是由单稳态触发器如图2-9所示：2-9单稳态触发器电路图单稳态触发器只有一个稳定状态，一个暂稳态。在外加脉冲的作用下，单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。由于电路中RC延时环节的作用，该暂态维持一段时间又回到原来的稳态，暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。单稳态触发器可以实现脉冲整形功能。利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性，可以将过窄或过

23、宽的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。如图2-10所示的不规则输入波形，经单稳态触发器处理后，便可得到固定宽度、固定幅度，且上升、下降沿陡峭的规整矩形波输出。2-10脉冲整形因此，我们可以利用这个特性，再加上利用滑动变阻器的调节得到我们想要的固定频率的声音。2.2.4 NE555NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号，NE555系列IC的接脚功能及运用都是相容的，型号不同、价格不同，其稳定性、还有省电程度、可产生的振荡频率也不大相同。NE555是一个用途很广且相当普遍的计时IC，只需少数的电阻和电容，便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。通过两个精确电位器来调节发出声音的

24、频率。NE555的结构图如图2-11所示：图2-11 NE555结构图管脚信息：Pin1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。Pin2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。Pin3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。Pin4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。Pin5 (控制) -这个

25、接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。Pin6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。Pin7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。Pin8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。主要特点：1只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广

26、，可由几微秒至几小时之久。2它的操作电源范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出电平及输入触发电平，均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。3其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载。4它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜。2.2.5 LCD液晶显示器科学家发现一种物质在常态下是处于固态和液态之间，不仅如此，其还兼具固态物质和液态物质的双重特性。在那个年代并没有对于此物质的适当称呼，因此就称之为液态的晶体。由这种物质制造出来的显示器叫做液晶显示器。液晶显示器的工作原理：我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性，但是

27、如果这些分子是长形的(或扁形的)，它们的分子指向就可能有规律性。于是我们就可将液态又细分为许多型态。分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体，而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”，又简称“液晶”。液晶产品其实对我们来说并不陌生，我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。液晶是在1888年，由奥地利植物学家莱尼茨尔（Reinitzer）发现的，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。一般最常用的液晶型态为向列型液晶，分子形状为细长棒形，长宽约1nm10nm，在不同电流电场作用下，液晶分子会做规则旋转90度排列，产生透光度的差别，如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别，依此

28、原理控制每个像素，便可构成所需图像。其液晶显示器原理图如2-12所示：图2-12液晶显示器原理图LCD液晶显示器的基本特点：1具有低功耗、供应电压范围宽等特点。2具有16common和61segment输出，并可外接驱动IC扩展驱动。3具有2560位显示RAM（DD RAM），即80×8×4位。4具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能，并有专用的指令集，可完成文本显示或图形显示的功能设置。本次设计使用的是LCD1602，其结构图如图2-13：图2-13 LCD1602结构图1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。它

29、由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形。引脚说明：1602采用标准的16脚接口，其中：第1脚：VSS为电源地。第2脚：VDD接5V电源正极。第3脚：V0为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高（对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度）。第4脚：RS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。第5脚：RW为读写信号线，高电平1时进行读操作，低电平0时进行写操作。第6脚：

30、E(或EN)端为使能(enable)端。第714脚：D0D7为8位双向数据端。第1516脚：空脚或背灯电源。15脚背光正极，16脚背光负极。2.3 本章小结本章首先介绍了本系统的开发平台Arduino的定义以及其使用的优势，然后介绍了系统中使用的主要模块，包括固定频率声音识别模块、固定频率发声器、NS555和LM567的结构图、电路图，以及液晶显示器的部分电路图，还有模块的一些管脚信息、注意事项、和特点等。第3章 设计与实现3.1 定位机理3.1.1 强度差高频的声音刺激，由于它的波长较短，如果一个高频声波来自一侧，头部本身就成为了声音传播的障碍物，使其到达侧耳中的音强受到耗损，这样在两耳之间

31、形成了强度差，导致神经元单位发放频率的不对称。一般成年人能准确定位2000-3000Hz的声音。3.1.2 时间差来自正前方的声音同时到达双耳，来自正侧方的声音到达近侧耳朵的时间比远侧耳朵约快600ms，介于两者之间的声音到达双耳的时间差为0-600ms之间。到达的时间对有特征的、突然发生的声源定位是很有用的。3.1.3 音色差声波如果从右侧的某个方向上传来，则要绕过头部的某些部分才能到达左耳。已知波的绕射能力同波长与障碍物尺度之间的比例有关。人头的直径约为20cm，相当于1700Hz声波的波长，所以频率为1000Hz以上的声波绕过头颅的能力较差，衰减越大。也就是说，同一个声音中的各个力量绕过

32、头部的能力各不相同，频率越高的分量衰减越大。于是左耳听到的音色同右耳听到音色就有差异。只要声音不是从正前方（或正后方）来，两耳听到音色就会不同，这也是人们判别声源方位的一种依据。3.1.4 位相差低频的声音刺激，它的波长较长，头的阻隔作用小，双耳听到的声音强度差别也较小。在这种情况下，判定声源方位主要靠双耳感受声音位相上的差别，即声波同一相位到达双耳的时间先后不同。听觉神经元在声波作用时，增加单位发放频率的现象，并不是发生在整个声波周期时间内，而是仅仅出现在声波周期的鞯一时相上。头两侧的听觉神经元中，有些对同相位声波产生同步性单位发放。神经元仅在声波某一相位时改 变单位发放频率，两侧神经元对同

33、相声波产生同步性单位发放的机制，称听觉神经元的锁相机制。低频声波达到双耳的相位不同，由于两侧神经元单位发放的锁相机制，导致一侧神经元增加单位发放频率，从而造成两侧神经元单位发放的不对称性，产生了时差效应，据此对声源进行准确的空间定位。声源方位的辨别可能是听觉中枢内的许多细胞活动的特殊空间和时间模式决定的，也可能是更高级的中枢分析加工的结果。总之，低频声音的定位通过位相差，位相差对提供声源定位有效的声音频率最高为1500Hz；而高频声音无法通过位相差来辨别它的来源，靠响度差来辨别。但位相差和晌度差的有效性还取决于头颅的大小，象小鼠这样的小动物，由于两耳靠得很近，对低频声音既不能通过相位差来辨别，

34、也不能靠响度差来定位，它们对高频声音的定位能力很强。许多动物对40000 Hz以上的高频声音很敏感。而象大象对低频声音的定位能力较强，听力的上限是10000Hz。这些都说明每个种系都对它们最有用的信息最敏感，人类也不例外。因此，本次设计选择利用测出时间来计算距离计算的方式来进行定位的。3.2 系统基本流程图系统流程图如图3-1所示：该图为本次设计的流程，过程主要是由一个按键触发的，当按下这个按键，这时候单片机就会接收到一个电平的变化，这样整个系统就开始运行了。发生器会发出声音，并且到接收器接收到声音时截止，并且测出每次发出声音的到结束使这个发生器发出声音的脉冲时间，使用这个时间与声速进行做积，

35、这样我们就得到了发生器和接收端的距离，反复进行三次并且计算出到达三个不同探头的距离，以便我们进行计算，最后确定出我们发生器的位置，来实现定位的功能。图3-1系统流程图3.3 程序设计思想：3.3.1 电平触发方式整个系统运行的开始有这个按键的触发开始。当触发器的向步控制信号正为约定“1”或“0”电平时，触发器接收输入数据，当单片机为非约定的电平时，触发器状态保持不变。鉴于它接收信息的条件是单片机接收到出现约定的逻辑电平故称它为电位触发方式触发器，简称电位触发器。其特点有：1只有当CLK变为有效电平，触发器才能接受输入信号，并按照输入信号将触发器的输出置成相应的状态。2在CLK=1的全部时间里，

36、S和R状态的变换都可以引起输入状态的改变。在CLK回到0以后，触发器保存的是CLK回到0以前瞬间的状态。3.3.2 整体平台设计设坐标纸为图中的矩形ABCD。声源在点O，接收器分别位于矩形四角A、B、C。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。分别经过时间Ta，Tb，Tc，后，接收器A、B、C接收到信号，然后可以计算出三个时间差值t1，t2，t3，声音传播速度为v。通过下列算法后可计算出声源O的坐标值（x,y）如图3-2所示：图3-2 平台设计图3.3.3 定位算法（一）：以A点位坐标原点，并且已知AC,CD的距离，并且单片机检测到的为三个时间点算出三个点到O（x,y）

37、点的距离，上面四个式子可用时间乘以距离来计算出Da，Db，Dc。解出：上式总共三个未知数等式，可以根据任意这三个式子解出一组解。由于测出的结果会有误差，所以可以将解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。该算法程序比较简短，适合用单片机处理。3.3.4 定位算法（二）：然后对（3）（4）分别对x,y求一介微分：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+；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。3.3.5 显示设计在液晶显示屏上显示O(x，y)的坐标值。点阵

38、LCD的显示原理是，在数字电路中，所有的数据都是以0和1保存的，对LCD控制器进行不同的数据操作，可以得到不同的结果。对于显示英文操作，由于英文字母种类很少，所以只需要8位（一字节）即可。1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM)已经存储了160个不同的点阵字符图形，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码，比如大写的英文字母“A”的代码是01000001B（41H），显示时模块把地址41H中的点阵字符图形显示出来，我们就能看到字母“A”。CGROM中字符码与字符字模关系对照表如图3-3所示：图3-3 CGROM中字符码与字符字模

39、关系对照表1602液晶模块的控制指令共有11条，如图3-4所示：序号指令RSR/WD7D6D5D4D3D2D1D01清屏00000000012光标复位000000001*3光标和显示模式设置00000001I/DS4显示开/关控制0000001DCB5光标或字符移位000001S/CR/L*6功能设置00001DLNF*7显示存储器地址设置0001显示存储的地址8数据存储器地址设置001数据存储的地址9读忙标志和光标地址01BF计数器地址10写数据到CGRAM或DDRM10要写的数据内容11从CGRAM或DDRAM读数据11读出的数据内容3-4 1602液晶模块的控制指令图1602初始化程序：

40、#define PortEn 9 /定义使能引脚为9#define PortRS 8 /定义数据/命令选择引脚8#define PortBL 7 /定义背光控制引脚7void lcdInit() Delay(15);lcdCmd(0x28); /功能设置，4位总线，双行显示Delay(10);lcdCmd(0x28); /功能设置，4位总线，双行显示Delay(10);lcdCmd(0x28); /功能设置，4位总线，双行显示Delay(10);lcdCmd(0x01); /清屏Delay(10);lcdCmd(0x06); /光标和显示模式设置Delay(10);lcdCmd(0x0c);

41、/显示开，无光标Delay(10); void setup() /设置引脚410为输出，控制1602液晶显示模块 pinMode(4,OUTPUT); pinMode(5,OUTPUT);pinMode(6,OUTPUT);pinMode(7,OUTPUT);pinMode(8,OUTPUT);pinMode(9,OUTPUT);pinMode(10,OUTPUT);/初始化1602液晶显示模块lcdInit();3.4 本章小结本章对整个系统进行全面的模块设计，根据之前的准备对各个模块进行的了解，实现了各模块的功能原理的运用。并对它们进行了具体描述和实现。- 44 -第4章 系统测试优化系统

42、测试是质量管理中最实际的行动。系统测试是有组织性、步骤性和计划性的。系统测试的种类可以根据测试形态、测试技术及测试模式来进行划分。就测试模式而言，测试方法可分为两种：白盒测试和黑盒测试。这两种方法的测试方向是不同的，白盒测试以测试的深度为主，而黑盒测试则是以测试的广度为主。白盒测试：又称结构测试，透明盒测试、逻辑驱动测试或基于代码的测试。白盒测试是一种测试用例设计方法，盒子指的是被测试的软件，白盒指的是盒子是可视的，你清楚盒子内部的东西以及里面是如何运作的。严格来说白盒测试有两大方面：数据流面和控制流面。数据流面就是测试资料进出系统的程序所经过的流程，控制流程面就是测试程序在执行过程中每个阶段

43、的流程。控制流程面有以下几个。一个程序句述都被执行到。分支覆盖：每一个程序的进出点都至少被执行过一次。条件覆盖：分支覆盖再加上所有判断情况都至少被执行过一次。条件组合覆盖：不同的组合的判断情况都至少被执行过一次。黑盒测试：又称为功能测试或数据驱动测试，是把测试对象看作一个黑盒子。测试人员并不需要对软件的结构有深层的了解，所进行测试着重与软件的功能。为了控制黑盒测试的执行，测试人员必须按照测试用例逐一进行，所以测试用例设计的好坏会直接影响到测试结果。测试用例覆盖：TestCase的每一个用例都被测试过。输入覆盖：测试过程中所输入的数据或资料必须一再地实验。输出覆盖：测试过程中程序所产生的行为、反

44、映及数据都必须一再地试验。所谓的测试用例就是将系统测试的行为活动，做一个科学化的组织归纳。而实际软件测试用例的目的，就是为了能将软件测试的行为转换为可管理的模式。基于时间因素的考虑，软件测试行为必须能够加以量化，才能进一步让管理阶层掌握所需要的测试时程，而测试用 例就是将测试行为具体量化的方法之一。 简单来说，测试用例就是设计一个情况，软件程序在这种情况下，必须能够正常运行， 并且达到程序所设计的执行结果。如果程序在这种情况下不能正常运行且重复发生，那就表示系统程序有缺陷存在。4.1 测试基本内容本节主要介绍了测试的各个内容。4.1.1 测试方法与仪器声源定位测试方法：将声源放在坐标纸上的任意

45、坐标，不让声源发声，记录是否显示坐标值O（x0,y0）。然后启动声源，让声源发出1s左右的声音信号，记录是否显示出坐标值O（x1,y1）。最后按键让该系统运行，通过LCD显示屏显示出来，测量后对比。仪器：直尺，万用表。4.1.2 测试数据完整性声音定位数据如图4-1所示：测试编号声源坐标（x,y）测量坐标（x,y）1（100,100）（113,121）2（150,150）（165,141）3（200,250）（215,264）4（250,300）（270,284）5（300,350）（314,367）图4-1声音定位数据4.1.3 测试结果分析测试结果与实际存在一定的误差，因声速会随外界环境的

46、不同而不同。声音的传播速度不仅与介质有关，还与温度有关，温度升高时在空气中的传播速度加快，温度降低时，在空气中的传播速度变慢。在空气中，音速又会依空气之状态(如湿度、温度、密度)不同而有不同数值。如摄氏零度之海平面音速约为331.5m/s(1193km/h)；一万米高空之音295m/s(1062km/h)；另外每升高1摄氏度，音速就增加0.607m/s。故温度越高，音速越大。气体中声速每秒约数百米，随温度升高而增大，0时海平面高度空气中声速为331.4米秒，15时为340米秒，温度每升高1，声速约增加0.6米秒。在整个系统运算中我们所用的声速为340m/s。这样计算出来的结果与实际值之间不可避

47、免的产生了误差，但这种误差是允许存在的，且对结果不会产生很大的影响。经测试最终能够满足基本要求。4.2 系统优化本节介绍系统的优化的各个内容。4.2.1 程序优化主要把程序进行了改进，并且是程序精简了许多，加入了一些函数和嵌套，使得程序更加的紧密，优化。函数优化：原本使用函数millis()改为pulseIn()函数，使计算声音传播的时间由毫秒级进步到微秒级，是测量结果更加精确。millis()函数是可获取机器运行的时间长度，单位ms。pulseIn()函数用来读取一个引脚的脉冲（HIGH或LOW）。例如，如果value是HIGH，pulseIn()会等待引脚变为HIGH，开始计时，再等待引脚

48、变为LOW并停止计时。返回脉冲的长度，单位毫秒。如果在指定的时间内无脉冲函数返回。计时范围从10微秒至3分钟。（1秒=1000毫秒=1000000微秒）语法：pulseIn(pin, value)pulseIn(pin, value, timeout)参数：pin:你要进行脉冲计时的引脚号（int）。 value:要读取的脉冲类型，HIGH或LOW（int）。 timeout (可选）：指定脉冲计数的等待时间，单位为微秒，默认值是1秒（unsigned long）。4.2.2 实体优化对一下内容进行了优化：滤波优化：考虑到会有一些相同频率的声音进行干扰，滤波是信号处理中的一个重要概念。滤波分经

49、典滤波和现代滤波。经典滤波的概念，是根据傅里叶分析和变换提出的一个工程概念。根据高等数学理论，任何一个满足一定条件的信号，都可以被看成是由无限个正弦波叠加而成。换句话说，就是工程信号是不同频率的正弦波线性叠加而成的，组成信号的不同频率的正弦波叫做信号的频率成分或叫做谐波成分。只允许一定频率范围内的信号成分正常通过，而阻止另一部分频率成分通过的电路，叫做经典滤波器或滤波电路。滤波电路图如图4-2所示：当流过电感的电流变化时，电感线圈中产生的感生电动势将阻止电流的变化。当通过电感线圈的电流增大时，电感线圈产生的自感电动势与电流方向相反，阻止电流的增加，同时将一部分电能转化成磁场能存储于电感之中；当

50、通过电感线圈的电流减小时，自感电动势与电流方向相同，阻止电流的减小，同时释放出存储的能量，以补偿电流的减小。因此经电感滤波后，不但负载电流及电压的脉动减小，波形变得平滑，而且整流二极管的导通角增大。在电感线圈不变的情况下，负载电阻愈小，输出电压的交流分量愈小。只有在RL>>L时才能获得较好的滤波效果。L愈大，滤波效果愈好。另外，由于滤波电感电动势的作用，可以使二极管的导通角接近，减小了二极管的冲击电流，平滑了流过二极管的电流，从而延长了整流二极管的寿命。图4-2滤波电路电路图外界环境优化：由于声音的传播速度和环境有很大关系，在不同环境和不同介质的情况下其传播速度也是不同的，气体中声

51、速每秒约数百米，随温度升高而增大，0时海平面高度空气中声速为331.4米秒，15时为340米秒，温度每升高1，声速约增加0.6米秒。所以，要选择，无风，温湿度适宜的环境来进行，这样不仅可以大大减少误差，也可以大幅度提升系统的稳定性，使系统测量的数据更加的精确等。线路优化：优化了线路，把线路的连接加固了一下，并且清除了一下虚连和断连现象，把连接的结构更加精简和美化。4.3 本章小结本章主要对此系统进行了各个模块的测试，对声控定位系统的设计与实现的测试主要使 用黑盒测试法和白盒测试法。第一阶段主要使用白盒测试法，测试的主要内容是：是否能正常运行；是否能正常操作；第二阶段主要使用黑盒测试法，测试的主

52、要内容是：是否实现了本系统的定位功能。最后还对本系统的软硬件进行了优化，优化了程序，算法，硬件电路和连接方式等，使系统的可靠性大大提高。结 论经过这么长的时间来对系统的分析、设计，使我对声控定位系统有了全面的了解与认识，在韩建辉老师的指导下完成此次毕业设计。下面是我对本系统的一些总结：1系统的特点，本系统是一个利用可见声来进行定位的系统，采用基于Arduino的单片机作为主控芯片来制作的一个小型的声控定位平台。本系统从功能上来说，是用来定位用的。并且可以在液晶显示屏上显示出来。2系统的不足和改进，本系统基本上满足了基本定位显示声源位置的需要。实现了定位要求的功能。在界面上力求做到美观明了、在操

53、作方面尽量避免由于外界环境和线路连接导致系统的出错现象。但由于时间仓促，本系统还存在一些不足之处，外表不够美观，需要进一步修饰和美化；线路的集成化可以进一步规范化，减少连接线冗余现象。3设计收获与心得，毕业设计是最能体现我们所学知识的时候，是对我们大学四年所学理论知识的一次巩固和提高。设计本系统的过程不仅是对我学过的知识的一次应用，更是对我综合处理问题、解决实际问题能力的培养和锻炼。通过本次毕业设计使我对系统开发有了深入的了解，我的编程能力也有了较大的提高。我在设计过程中也遇到了很多困难，但是通过指导老师和同学的帮助以及自己的努力，最终还是顺利地完成了毕业设计。虽然，毕业设计只有短暂的几个月，

54、但却使我充分认识到自身还存在很多不足的地方，还需要不断的努力来充实自己、完善自己，只有这样才能学无止境，以求得更大的发展。致 谢在毕业论文结束，毕业设计完成之际，首先向在这半年中给予我帮助的毕业设计指导老师韩剑辉老师致以深深的谢意。韩老师在教学任务繁忙的情况下，抽出时间帮助纠正我在设计当中出现的问题，并耐心地为我的论文作校正。他对我的支持，不仅是技术上的，还有心理上的鼓励和督促，他的指导和建议使我受益匪浅，没有他的帮助和指导，就不会有我今天的成果。四年时间过的很快，转顺即逝，回首过去，有成功过，有失败过，也有太多的时间在贪图安逸，导致在做毕业设计时候发现自己专业知识有太多的不足。昨天，永远属于

55、过去，过去不管成功或失败，永远属于死神，未来是属于自己。今天，我找到了正确的方向，不断增强自身的专业能力才是长久安逸之道，才能在这个社会生存，计算机专业与别的专业有所不同，它更新速度很快，所以人生路漫漫，应不断学习，不断进步。不管未来怎么样，我始终坚持着一点：努力不一定成功，放弃就一定失败。最后向关心和支持我学习的所有领导、老师、同学和朋友们表示真挚的谢意！感谢他们对我的关心、关注和支持！参考文献1 刘焕成.工程背景下的单片机原理及系统设计.清华大学出版社.20082 高洪志.MCS-单片机原理与应用技术编程.人民邮电出版社.20093 何立民.单片机应用技术选编.北京航空航天大学出版社.19944 胡汉才.单片机原理及其接口技术.清华大学出版社.19965 于用.51单片机 C语言常用模块.电子工业出版社.20036 刘迎春.MCS-51单片机原理及应用教程.清华大学出版社.20057 杨恢先，黄辉先.单片机原理及应用.人民邮电出版社.20068 徐爱钧.单片机高级语言C51应用程序设计.电子工业出版社.19989 李光飞.单片机课程设计实例指导.北京航空航天大学出版社.200710 周航.单片机在七彩霓虹灯设计中的应用.辽宁大学学报.201111 唐继贤.51单片机工程应用实例.北京航