声音定位系统TI杯

1、2021年TI杯D题：声音定位系统设计报告2021年8月摘要：该声音定位系统是以MSP430F14卵片机作为微处理器.系统由硬件电路将 接收到的声音信号进行滤波、放大和整形处理,通过单片机定时器和中断编程记录声音发 送的时间和各接收模块接收到信号的时间,最后运用数学公式通过程序算法计算出声源的坐标,并将算得的数据传送到 5110液晶彩屏显示.由OPA23401算放大器及RC振荡电路产生500Hz声源信号,通过RC充放电电路实现1s定时.接收模块有500Hz的带通滤波器、 放大整形电路.通过硬件电路对信号处理和软件编程对测到的数据处理后可以得到声源信 号的x、y坐标最终实现声音定位的功能.关键词

2、：MSP430F149微处理器,带通滤波器,RC振荡,液晶,声音定位1系统方案设计由运算放大器比拟功能将信号处理成 500Hz的方波信号用来驱动扬声器同时发送数据 到单片机.接收模块将接收到的信号经过中央频率为500Hz带宽为70Hz的滤波器,通过前级放大电路将信号放大到 Vp-p100mV最后经过后级放大和整形电路将信号处理成500Hz幅值为5V的方波.通过编程测出发送和接收到的时间差从而可计算出声源到接收模块的 距离,通过计算可得到声源的坐标.1.1 声音产生方案方案一：通过RC震荡电路产生频率500Hz幅度为Vp-p为2.8V的正弦声音信号,驱动 扬声器发出声音；1s定时由运算放大器及R

3、C充放电电路实现.方案二：使用竞赛提供的430单片机最小系统Lunchpad,由编程产生500Hz的正弦 声音信号,驱动扬声器发出声音信号；通过单片机定时器可实现准确的1s延时；430单片机供电可由TPS6107M压芯片将3V以下电压到5V提供.方案比拟：方案一运算放大器 OPA2227s过RC电路和RC充放电电路可以实现题目要 求,电路设计简单；且最终设计能够满足题目要求.方案二可产生出标准频率的声音信号 和可实现1s的准确计时.由于题目并未要求产生 500Hz准确的信号和1s计时,最终选择1.2 信号滤波和声源坐标计算方案方案一：STM3弹片机具有AD转换功能,处理速度可到达 72M且有较

4、大的RAIM通过 编写程序实现对接收端500Hz声音信号相位的测量,通过两个接收端的相位差可以计算出 各声源声源到接收端的距离,通过数学计算得到声源坐标,将数据传送到液晶并限制显示 相应坐标.方案二：由 OPA2227H作一个中央平率在 500Hz,带宽在100Hz左右的带通滤波器对 声音信号进行滤波.把接收的声音信号整形成方波信号发送给MSP430单片机,由单片机上升延触发中断和计时器完成对两次触发的计时,通过时间差可以计算出声源到各个接收 端的距离,最后由编程通过数学公式计算出声源的坐标.方案比拟：方案一通过编程可以完成 500Hz声音信号传输的相位差计算出声源坐标, 对编程局部的要求比拟

5、高.方案二通过测量两次触发的时间差来计算距离.由计算声音的 传播速度为340m/s, 500Hz的声音信号在一个周期可以传播 0.068m,而测试的范围在0.06m 内,即在不到一个周期声源信号可以传送到接收端,这样只需要测量出一次数据即可算出 距离,不需要重复测量可防止大量数据的存储处理.综合考虑最终选择方案二.1.3 总体电路方案由上述方案论证及方案选择可知,其总体方案框架如图1-1 ,1-2所示:图1-2方案一总体方案框架图图1-1方案二总体方案框架图2理论分析与计算发声1s的时间2.1声响模块局部的设计根据RC正弦波振荡饱和产生方波产生声音源,并根据电容的充放电可实现1s定时限制.2.

6、2 升降压斩波电路(Buck-Boost Chopper )设计的原理计算电路性能参数计算.通带增益Aup嬴Cb,中央频率fo康&博),通带宽度B 1& 4蔡),选择性Q WB0.2.3 面积计算海伦公式：设三角形三边边长分别为 a,b,c,那么三角形面积为 S=Jp(p_a)(p_b)(pC),其中 p (a b c)/2.3系统电路设计3.1 各单元模块功能3.1.1 声音产生和1s定时模块500Hz左右的声音信号是通过 OPA2227a过RC振荡电路产生的,电路图如图3-1所示 设置参数让波形饱和为500Hz的方波并经过OPA2340勾成比拟器,用8550三极管驱动扬 声

7、器.而OP234啾电电压为2.77V可降低供电电压实现低功耗.RC充放电电路限制时 间实现1s定时电路图如图3-2所示.图3-1 500Hz声音信号产生电路图3-2 1s 时间限制电路3.1.2 声音信号接收模块该模块设计通过电路前级放大电路、带通滤波电路、后级放大整形电路完成对声音信 号的处理.声响模块发出的声音信号通过柱体麦克风接收通过对信号进行放大处理,如图 3-3所示,由于周围不同声音的频率干扰所以选择带通滤波对频率在500 Hz左右的信号进行滤波将其余频段的信号尽可能滤除以检测声响模块发出的频率的声音信号并发送到单 片机,如图3-4所示,由于对电路进行放大和滤波电路处理之后需对信号波

8、形进行处理使 单片机能检测信号的上升沿给单片机进行数据处理计算时间,所以在滤波之后对波形进行 整形处理使信号能够有明显稳定的方波波形,以便单片机对上升沿时间进行检测,确定时差计算距离,实现定位.如图3-3所示图3-3信号前级放大电路3-4滤波器电路图3-5后级放大和整形电路3.1.4 MSP430单片机模块万善asssafiIIILT 匕I二三 T TTWF h图3-6 MSP430单片机模块本次设计选用的是MSP430F14邪片机,利用单片机内部定时器计计时,由中断 触发,检测接收信号的上升沿,通过这种方式计算声音传播的时间差,通过时间差计算出 声源信号到接收模块距离,然后由单片机编程计算出

9、声源的位置坐标.MSP430片机模块如图3-63.1.5 电源供电模块整个系统中声响模块由单独的两节 +1.5V电池供电,其余电路由正负5V电源统一供电, 电源采用LM7805与LM7905稳压芯片输出供电.MSP43W片机及短路保护电路采用的是 +3.3V的供电电压,由于过压保护局部继电器在工作时输出电流较大,用 LP2950-33LPRE3 输出3.3V供电可以满足供电要求.电源模块电路如图3-7所示.图3-7电源供电模块3.2 各单元模块的联接MSP43叶片机模块连接着声音接收模块,检测波形并计算时间交给单片机处理.整形 模块连接着滤波模块,滤波模块连接着前级放大模块,前级放大模块通过接

10、收声响模块发 出的声音信号,这样将整个系统级联起来.4系统软件设计4.1 软件设计原理及设计所用工具本设计所用工具为 C编译器-IAR Embedded Workbench,是IAR Systems公司的一款开 发工具.在本次设计中,软件实现的主要功能是,通过中断和计时器处理接收的信号,计算出 时间,然后计算出声响模块的位置坐标.4.2 软件设计结构图软件设计结构图如图4-1所示.图4-1软件设计结构图5系统测试5.1主要的测试仪器、仪表仪器型 号精度厂商函数信号发生器/计数器EE1641B10.05%南京新联电讯仪器 示波器UTD2102CEI. 3%可调式直流稳压恒流电源DK0800638

11、4+0.1%数字力用表VC890D4位半粤制5.2 系统测试5.2.1 测试方法在整个测试过程中,滤波器电路参数测试用直流正负双电源、示波器、信号源、数字 万用表测试,通过信号源扫频测量带通滤波器的中央频率和带宽,并通过调节电路中的电 位器到达对滤波器中央频率和带宽的调节直到满足系统要求；发声模块使用示波器测量信 号频率参数,1s时间限制电路通过示波器测试触发时间.电源局部先使用可调式直流稳压 恒流电源检测电路的连接是否正常.5.2.2 测试参数记录表及测试数据(1)、声响模块测试：当给声响模块供电时声响模块测试结果如下表所示：测试内容测试结果彳亘号产生频率505 Hz按键发生台匕 目匕声音信

12、号持续时间1 s功耗测试191.7 mW ( 2.7V, 71mA)(2)、带通滤波模块测试：滤波模块调试中央频率和,带宽测试数据,结果如下表所示:测试内容测试结果中央频率(Hz)526529530498505520512最高截止频率fh(Hz)627605604593584586580最低截止频率fl (Hz)453464460429446454450带宽174140144164138132130经过调试滤波器最后的中央频率在 510Hz左右,带宽在90Hz左右(3)、比拟输出模块测试：波形信号经过整形结果及相关参数测试如下表所示：测试 结果波形频率(Hz)波形周期(ms)波形幅值 (V)1

13、50024.925121.954.735121.954.845071.974.75.3 测试结果分析从测试结果可以看出,其实现的指标为：(1)、声音信号电路能够产生 500Hz的声音信号,输出信号的频率比拟稳定.可满足 系统要求.(2)、带通滤波器测试中央频率为 500Hz左右,带宽为70Hz左右(3)、测试整形电路输出波形.(4)、在坐标纸上移动声源示波器显示明显相位移动.(5)、通过定点坐标的测试声源信号到接收没块距离测试参数比拟稳定且能够看到数 值的变化,但将三个模块的接收数据通过主程序计算显示后发现测试的误差比单独测试单 个接收到声源的距离大.6结束语在调试电路中我们发现影响整个电路的因素有：硬件电路外界声音的干扰,可能来自 同频干扰,虽然有滤波,但是没有载波与检波那么可能存