声音定位系统技术报告

声音定位系统摘要本设计是一种基于单片机的可移动声源定位系统的研究与实现。采用c8051f330芯片为主体，搭建外围电路组成声响模块，产生500HZ，功耗不高于200MW的声音信号。再通过FPGA采集4个麦克接收的时间差，传到以c8050f020为主体的控制模块通过一定的算法计算，在128x64分辨率的液晶显示声响模块的坐标以及运动轨迹。关键字：c8051f330；FPGA；c8050f020；声源定位；一、方案论证与比较1.1声响模块方案比较应要求：每按键一次发声一次，声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW。分析知，为保证基波频率为500hz左右，是以500hz的矩形波为主的信号发送，功率要求不大于200mw，那么应以低脉宽来达到此要求。方案一：采用模拟器件搭建一个信号发生电路，如自激电路，与逻辑门电路配合，再经由三极管放大电路驱动扬声器发声。人为通过纯电路产生某个可识别信号，电路构造复杂，在接收模块中又易受干扰，而且难度过大，在接收模块亦难识别。方案二：采用c8051f330单片机发生符合要求的声音信号，再通过三极管驱动扬声器发声。此方案灵活方便，电路和程序简单，权衡之下选择方案二作为声响模块设计方案。1.2声音接收模块方案比较当声音信息通过空气向四周振动发送，利用麦克风对空气振动的敏感性，提出利用麦克风采集声音的方案。方案一：设想声音在空气中传播时，距离声波越远接收到的信号也越小，通过麦克风放大电路检测信号大小来计算出点与声源的距离。但实际操作中，由于距离与接收声强关系未知，准确度较低，不能准确定位。方案二：将麦克风接收到的声音信号，通过lf353前置放大电路，带通滤波电路，再通过比较电路获得与声源模块相似的矩形波，再由信息处理模块。该方案，电路简单，与所发送信息吻合性高，抗干扰性强，故选用。二、声源定位分析计算给坐标纸四角的接收模块编号，左上：0，左下：1，右下：2，右上：3。其位置坐标分别是（，）、（，）、（，）、（，）。声源所在位置坐标是（x，y）。则接收模块与声源之间的距离为i=0，1，2，3（2-1）（2-2）其中（2-3）令表示声源与号接收模块和0号接收模块之间的距离差，则（2-4）其中表示声音传播的速度，是接收模块测量值。（2-5）式中，，将x，y，r视为未知数，则据式2-7可列出3个方程组成线性方程组。解出三、单元电路分析与设计3.1声响模块电路设计声响模块电路基于c8051f330最小系统产生声波信号，经过三极管放大电路驱动扬声器。通过按键开关控制模式选择以及单次声波输出。电路图如下：图2、复位电路和麦克风电路图3、按键电路及施密特触发器电路3.2声音接收模块电路设计声音接收模块有几部分组成，麦克风，一级放大电路，高通滤波电路，二级放大电路，低通滤波电路以及比较电路。电路原理图详见附页。麦克风接收到声波信号经过两级放大电路处理，再经过高通滤波器已经低通滤波器，将不需要的杂波信号滤除，最后经过比较器可以使正弦信号变成矩形波信号从而得到与输入波形较为接近的波形，使信息处理电路便于检测计算。一级放大电路反相端输入放大几百倍，经二阶高通滤波滤去低频信号，二级放大电路放大20倍，使信号失真成方波。四、系统程序设计4.1声响模块为满足题中的单次发声和连续发生的要求，通过单片机的I/O口控制按键实现，同时为了是发声模块的功耗小于200mw,采用输出含有题目要求的500Hz基波的窄脉冲和一定时间的低电平的矩形波。4.2信息处理模块整个系统通过FPGA和单片机进行数据检测及处理，同时通过单片机的按键进行切换显示，其中最重要的是FPGA和单片机间的通信，而单片机通过读取按键的值Key进行不同处理，当Key=1时显示图像，当Key=0时显示轨迹。图5 单片机部分程序框图五、系统测试及结果分析5.1测试仪器恒压源MOTECHLPS-305万用表UT53MULTIMETER示波器OSCILLOSCOPEGOS-620坐标纸350×500mm25.2测试数据（1）声音信号指标测试声响模块每按键一次发声一次，声音信号的基波频率保持500Hz左右，声音持续时间为1.2s（2）声响模块功耗测试通过测量声响模块电流28.9mA，电压为3V，功耗小于200mW，满足题目要求。（3）坐标显示测试设定坐标值（x,y)显示坐标值（x’,y’）误差(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测试结果分析经过测试，本设计满足了声源模块的需求，输出500HZ声波，功耗小于200mW。显示定点坐标时仍然有较大误差。六、结论本系统使用自己建立的声源模块发出固定的声波信号，并且利用自建的四路声音接收模块和一个基于FPGA和单片机的信息处理模块来进行声音的定位。在自己建立的区域内，