2012陕西电子竞赛声音定位系统报告

1、声音定位系统（D 题）摘要：系统以 M430F149 单片机作为主控制器，以 msp430g2 作为声响模块的控制 器，自制四个声音接收模块，含有麦克风、放大电路以构成系统。在坐标纸的四 角外侧分别固定安装一个声音接受模块，声音接收模块通过导线将声音信号传输 到信息处理模块，声音定位系统根据模块通过空气传播到各声音接收模块的声音 信号,来判定模块所在的位置坐标，并以数字形通过12864液晶显示x,y坐标值。 位置坐标值误差的绝对值不大于30mm。另外，可以改善接收信号的放大电路性 能,改进算法,进一步提高定位精度；控制声响模块可以以不间断的连续周期波 的形式发出声音信号，其基波频率为500Hz左右。当声响模块在坐标纸上移动时， 声音定位系统将能连续跟踪显示声响模块的 x、y 坐标值，随机停止声响模块的 移动，能立即稳定地显示声响模块的 x、y 坐标值，还可以具有显示声响模块移 动轨迹的功能。关键词：声音定位，M430F149单片机，MSP430G2单片机,1 系统方案系统总体设计框图如下图所示1.1控制器模块方案1：采用ATMEL公司的AT89C52作为系统的控制器。51单片机软件 编

2、程灵活，自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，成本低，被各个 领域广泛应用。但51单片机功耗较高，内存只有8Kb,考虑到本系统软件编程 较为复杂，对单片机内存要求较高，我们放弃了这个方案。方案2：选择欣世纪电子科技公司的DM430-L单片机，具有高性价比的MSP430 单片机最小系统板，使用非常简便，所有IO端口都用插针引出，并标注管脚 号，12864液晶接口，DM430-L系统板核心芯片采用MSP430F149,支持3.3V供 电通过板载的AMS1117-3.3稳压芯片为核心单片机提供3.3V电源。考虑题目要求低功耗及液晶显示，我们选择方案2。1.2声音起始发声模块采用蜂鸣器作为发声装置，为了使声音更响亮，我们应用了 msp430g2单片 机。1.3声音定位模块方案1：采用专门的声音传感器，精确度高，反应灵敏，但精度越高价格较 高。方案2：自行设计声音接收电路，以LM358双运放芯片为核心，加以稳压和消除 噪声的外围电路，就能很好的实现功能，且价格经济，经过测试完全能够达到题 目的要求。考虑到题目要求及性价比方面，我们选择方案2。1.4 电源模块采用12V和5V干电池分别给蜂

3、鸣器和声音接收器供电。1.5 显示模块方案1： LED数码管显示，数码管虽然价格便宜，但是耗能高，占用大量的 I/O 口，显示内容较少、单一，而且不能显示字符。方案2： LCD液晶显示，耗电量低，串行通信，占用很少的I/O，LCD液晶 不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。综合考虑，我们选择方案2。2 系统理论分析及计算2.1 声音信号处理方案选择根据题目要求中给出的图示,定位声源有两种方法：可以通过计算声源与A、B、C中任意两点之间的距离的方法来确定声源与接收器图 2.3 系统图A、 B、 C 的相对位置14J移 曲接收册接收湍A已知三角形的三边长度可求声源的坐标。i. 利用海伦公式，假设一个三角形的面积 W ，由以下公式求得： W 为 P(P-AB)(P-AS)(P-BS) 开平方 ，而公式里的 p 为半周长： p=(AB+AS+BS)/2 则纵坐标 H=2W/AB 同理可求横坐标。ii.由余弦定理求出角度 SAB, Cos SAB=(ASA2+ABA2-SBA2)/2AS*AB 然后由H=AS*sin SABii. 由相似定理和勾股定理解方程组求坐标。可以通过计算

4、声源发出的声音被A、B、C接收到的时间差来确定声源与A、B、C 的相对位置。前一种方法要求声源与接收器之间做到同步,从而确定声音从发出到接收之 间的时间。同步可以通过使用无线通信发送特定指令的方式来做。当声源需要确 定自己的位置时，发射特定指令通知接收端启动计时。该方法需要考虑无线通信 带来的声音发射和接收之间的时间误差，实际测定这个误差。后一种方法不需要在声源和接收器之间做同步，相对简单一些，采用差值确 定相对位置,模糊控制声源的移动.综合分析我们选择第二种方案。3 硬件电路的设计3.1控制器子系统设计单片机接收从声音收发电路输入的逻辑信号和脉冲信号，并将输入的信号进行处 理和运算，以控制电流或电压的形式输出给被控制的单元电路，完成各项任务要 求。3.2 声音接收器子系统设计及电路原理图声音通过麦克风发出后，经模拟放大电路放大，并转换成电压值。因为有不同频 率的声源如人声产生噪声干扰影响系统工作，为了消除干扰，根据不同频率声波 产生不同的电压原理，我们用电压比较器来区分人声等噪声，为产生稳定比较电 压，以 LM358 芯片为核心设计了稳压电路来稳定比较电压。该子系统具体电路原理图见附

5、图 5。4 程序的设计4.1 程序方案通过IAR软件编译对500mmX350mm的坐标纸，进行直角坐标系的建立，分析出 各点的具体位置的四个接收器的接收的信号大小，经过 M430F149 内部 AD 转换后 的电压值，建立函数联系，建立起数据库，再有此数据库分析信号的大小与强弱， 来显示出声源模块的具体位置，同时在 12864 液晶显示屏上显示出声源模块所在 坐标纸的具体坐标。4.2 程序#include #include cry12864.htypedef unsigned char uchar;typedef unsigned intuint;/*宏定义#define DataDir P4DIR #define DataPort P4OUT#define Busy 0x80#define CtrlDir P3DIR #define CLR_RS P5OUT&=BIT5; /RS = P3.0#define SET_RS P5OUT|=BIT5;#define CLR_RW P5OUT&=BIT6; /RW = P3.1#define SET_RW P5OUT|=BIT6;#defi

6、ne CLR_EN P5OUT&=BIT7; /EN = P3.2#define SET_EN P5OUT|=BIT7;函数名称：DispNchar功能：让液晶从某个位置起连续显示N个字符 参数： x-位置的列坐标y-位置的行坐标n-字符个数ptr-指向字符存放位置的指针返回值：无voidDispNChar(ucharx,uchar y, ucharn,uchar *ptr) uchari;for (i=0;in;i+)Disp1Char(x+,y,ptri);if (x = 0x0f)x = 0;y A= 1;voidLocateXY(ucharx,uchar y)uchar temp;temp = x&0x0f;y&= 0x01;if(y) temp |= 0x40; /如果在第2 行 temp |= 0x80;LcdWriteCommand(temp,1);函数名称： Disp1Char功能：在某个位置显示一个字符参数：X-位置的列坐标y-位置的行坐标 data-显示的字符数据返回值：无void Disp1Char(ucharX,uchary,uchar data)LocateX

7、Y( X, y ); LcdWriteData( data );voidLcdReset(void)CtrlDir |= 0X07;/控制线端口设为输出状态DataDir = 0XFF;/数据端口设为输出状态/规定的复位操作LcdWriteCommand(0X38, 0);Delay5ms();LcdWriteCommand(0X38, 0);Delay5ms();LcdWriteCommand(0X38, 0);Delay5ms();LcdWriteCommand(0X38, 1);LcdWriteCommand(0X08, 1);LcdWriteCommand(0X01, 1);LcdWriteCommand(0X06, 1);LcdWriteCommand(0X0c, 1);5 测试方案与结果/显示模式设置/显示关闭/显示清屏/写字符时整体不移动/显示开，不开游标5.1 测试方案根据题目要求，布置声音定位系统，反复判定模块所在的位置坐标，并以数字形通过12864液晶显示x,y坐标值。测试结果如下表：5.2 测试分析及结论次数12345误差55mm50mm40mm30mm25mm根据上述测试数据，可以得出以下结论：1该模块能根据从声音接收模块传来的信号判断声响模块所在位置的x、y坐标，并以数 字形式显示x、y坐标值，位置坐标值误差的绝对值不大于30mm；2声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW；3四路声音接收模块，由麦克风、放大电路等组成，并分别与信息处理模块相连接，将频率为 500Hz 左右的信号传送至信息处理模块； 综上所述，本设计基本达到了设计的要求。附件：1.音频放大电路原理图2.声音接收模块原理图

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