聲音定位系統（D題）摘要：本系統以MSP430F449為控制核心，制作一套聲音定位系統，系統分為聲響模塊、聲音接收和信號處理模塊。聲響模塊由單片機，功率放大模塊，微型揚聲器，和無線收發模塊CC1101組成，聲音信號的基波頻率為500Hz，聲音持續時間約為1s。聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗小于200mW。聲音接收模塊由麥克風、放大電路，濾波電路，比較器電路，無線收發模塊組成。通過四個接收模塊能確定聲響模塊的坐標值，液晶顯示屏能動態顯示聲響模塊移動的軌跡和坐標。人機界面友好，操作簡單方便。關鍵詞：聲音定位無線收發MSP430F449目錄一、方案的論證與選擇 11．500Hz方波產生方案的選擇 12.功率放大的選擇 13.無線收發模塊 14.接收電路的選擇 25.聲音信號處理 2二、系統總體設計方案及實現方框圖 2三、理論分析與計算 21.聲響模塊分析 22.聲音接收放大器分析 33.數據處理原理分析 3四、主要功能電路的設計 41.聲響模塊電路設計 42.聲音接收放大器電路設計 43.聲音接收濾波器的設計 44.相敏檢波電路 55.測溫電路 5五、系統軟件的設計 5六、測試數據與分析 61.測試方法與儀器 62.測試結果數據 63.測試結果分析 6參考文獻 7一、方案的論證與選擇1．500Hz方波產生方案的選擇方案一：由555產生一個穩定的500Hz載波信號，并由單片機控制它以產生間歇的發射波，此方法實現起來比較簡單。方案二：由非門進行振蕩產生500Hz載波信號，此方案信號比較穩定，但需要特定頻率的晶振，還可能需要分頻電路，實現起來較為麻煩。方案三：直接從FPGA分頻得到500Hz的方波發射信號，頻率穩定實現更為簡單。而且這種方法充分利用了FPGA資源，同時降低了硬件設計的復雜度，降低系統成本，但是考慮到功耗，我們并沒用采用此方案。方案四：利用單片機MSPF449產生500Hz。頻率穩定，實現簡單。功耗小，能在3V以下正常工作。考慮到本系統是用電池供電，所以采用方案四，此方案硬件電路簡單，功耗小，方便控制。2.功率放大的選擇方案一：采用LM386集成音頻功率放大器。具有自身功耗低，電壓增益可調、電源電壓范圍大，外界元件少和總諧波失真小等優點。方案二：采用TDA2822芯片。采用一塊雙路音頻放大集成電路。其主要特點是效率高、耗電省，靜態工作電流典型值只有6mA左右，該集成電路的電壓適應能力強(1．8V～15VDC)，即使在1.8V低電壓下使用，仍會有約100mW的功率輸出。剛開始的時候我們選擇TDA2822芯片，題目要求在3V以下能正常工作，功率小于200mW，但是在實際上效果不理想。后來采用了LM386，效果良好，在3V供電的情況下，功率在120mW左右。3.無線收發模塊方案一：采用PT2262/PT2272。它們是一對編解碼電路。PT2262/PT2272最多可有12位(A0-A11)三態地址端管腳(懸空、接高電平、接低電平)，任意組合可提供531441地址碼，但是，PT2262最多只有6位(D0-D5)數據端管腳，適用于無線遙控發射電路。方案二：采用CC1101模塊。CC1100

是一種低成本真正單片的UHF

收發器，為低功耗無線應用而設計。電路主要設定為在315、433、868

和915MHz

的ISM（工業，科學和醫學）和SRD（短距離設備）頻率波段，也可以容易地設置為300-348MHz、400-464

MHz

和800-928

MHz

的其他頻率。RF

收發器集成了一個高度可配置的調制解調器。這個調制解調器支持不同的調制格式，其數據傳輸率可達500kbps。通過開啟集成在調制解調器上的前向誤差校正選項，能使性能得到提升。 兩種方案都可以完成本系統的所需的無線收發功能，但考慮到方案二控制靈活，且傳送過程中誤碼率低，抗干擾能力強，適合相對運動的物體間不間斷的通信。而方案一在傳送過程中數據易受干擾且傳送時間較長，不適合對小車位置的實時監控，傳送的數據端管腳較少，不利于誤差信號的傳輸。故采用方案二。4.接收電路的選擇方案一：采用集成芯片CX20106A。CX20106A是一款集成前置放大、限幅比較、寬頻帶濾波器、檢波器及比較器、整形、滯后比較器的芯片。外圍電路簡單，控制方便。當有信號接收的時候7腳會產生一個低電平，這樣就可以判斷接收到信號的時間。但是這款芯片的中心頻率為38KHz，題目要求的是500Hz，所以不采用此方案。方案二：采用分立的放大和濾波電路。駐極體接收的信號非常微弱只有十幾道幾十毫伏，為了前后級采用射極跟隨器，信號再進入兩級放大和中心頻率為500Hz的帶通濾波，最后得到500Hz左右的正弦波，最后輸出接上比較器，進入單片機中斷。經過測試，題目對濾波的要求很高，人說話的雜音對信號的處理有很大的影響，雖然分立電路復雜，但是效果很理想，采用方案二。5.聲音信號處理方案一：由于聲源離各接收站距離不等，所以各接收站收到聲音信號所需時間不等，經過計算，進而可以判斷出聲響模塊的坐標。方案二：由于聲源離各接收站距離不等，所以各接收站收到聲音信號的強度不等，通過AD轉換器測出電壓大小，進而可以判斷出聲響模塊的大概方位，從而得出聲響模塊的坐標值。由于接收站離主控單片機有50cm距離，傳輸距離比較遠，需要導線比較長，容易受分布電容等干擾，直接傳輸電壓信號容易導致不精確，采用測時間差的方法。二、系統總體設計方案及實現方框圖系統分為可聲響模塊和聲音接收及信號處理模塊。聲響模塊由單片機，功率放大模塊，微型揚聲器，和無線收發模塊CC1101組成，聲音信號的基波頻率為500Hz，聲音持續時間約為1s。聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗小于200mW。聲音接收模塊由麥克風、放大電路，濾波電路，比較器電路，無線收發模塊組成。通過四個接收模塊能確定聲響模塊的坐標值，液晶顯示屏能動態顯示聲響模塊移動的軌跡和坐標。系統方框圖如圖一所示。圖1三、理論分析與計算1.聲響模塊分析在做聲響模塊時考慮到題目給出的電壓小于3V，功率小于200mW。我們采用的揚聲器的阻值是8歐，經計算得到的電流大約為80mA。采用LM386能達到要求。2.聲音接收放大器分析聲音信號經提取后為10mV到20mV左右，要經過放大，得到3V到5V信號。放大倍數500左右可調，采用兩級放大，第一級放大倍數為10倍，第二級放大50倍。剛開始只采用放大器和濾波器，濾波器的通帶為400Hz到600Hz。環境的雜音對信號的采集和處理有很大的影響，對測距產生干擾。故在后級加上相敏檢波電路。相敏檢波電路的選頻特性是指它對不同頻率的輸入信號有不同的傳遞特性。以參考信號為基波，所有偶次諧波在載波信號的一個周期內平均輸出為零，即它有抑制偶次諧波的功能。對于n=1,3,5等各奇次諧波，輸出信號的幅值相應衰減為基波的1/n，即信號的傳遞系數隨諧波次數增高而衰減，對高次諧波有一定抑制作用將調制信號ux乘以幅值為1的載波信號就可以得到雙邊帶調幅信號us，將雙邊帶調幅信號us再乘以載波信號，經低通濾波后就可以得到調制信號ux。經過分析計算，外界的環境對系統的影響減小的很小。3.數據處理原理分析圖二]圖二剛開始沒用無線收發模塊，在聲響模塊上安裝鍵盤。當有鍵按下時，可得幾個方程：ac-bc=v*(Tac-Tcb),dc-bc=v*(Tdc-Tcb),dc-ac=v*(Tdc-Tca),ab=60,db=45,cb*cb+bd*bd-cd*cd=2*bc*bd*cosb,cb*cb+ba*ba-ca*ca=2*bc*ba*cos,聯立可求得ac,bc,dc,進而求得聲響模塊的坐標值。由于計算很復雜，誤差很大，最終我們沒用采用此方案。我們采用時差的方法測出聲響模塊到接收頭的時間t，從而得到距離s=音速*t。為了得到準確的距離，就要時間t測得很準。另一方面我們溫度補償。音速u=331.3+(0.606c)m/s(c=攝氏氣溫)。如圖所示，當聲響模塊處于C點時，測得ca和cb，而ab是已知的，利用余弦定理cosa=(ca*ca+ab*ab-cb*cb）/(2*ac*ab),從而的x=cosa*ac-5，sina*sina+cosa*cosa=1,計算得出sina，y=sina*ac-5，再利用第四個接收電路作為矯正，從而得到很準確的坐標。四、主要功能電路的設計1.聲響模塊電路設計Lm386的內建增益為20，透過pin1和pin8腳位間電容的搭配，增益最高可達200。LM386可使用電池為供應電源，輸入電壓范圍可由4V~12V，無作動時僅消耗4mA電流，且失真低。LM386的內部電路圖及引腳排列圖如圖三所示。圖三2.聲音接收放大器電路設計由于麥克風采集的信號是幾十到幾百毫伏，所以要放大信號以免失真。前級放大電路是采用兩級反向放大，放大的倍數可調，前級粗調，后級細調。前級大概放大十倍，后級放大五十倍。如圖四所示。圖四3.聲音接收濾波器的設計基波頻率為500HZ，且頻帶要求非常的窄，所以我們選擇二階壓控電壓源帶通濾波器，該濾波器頻帶窄，衰減迅速，適合排除外界的干擾信號，提取有效信號。圖五4.相敏檢波電路該電路利用相敏檢波原理，CD4066設定一個基準頻率，當輸入頻率與基準頻率一樣時，后極輸出的直流量與輸入頻率與基準頻率相位余弦成一定關系，只要兩者頻率相等時，會輸出相應的直流量，再經過過零比較器判斷送入單片機判斷是否接受到信號。圖六5.測溫電路溫度傳感器如圖四所示，溫度傳感器輸出端接一上拉電阻，通過一根線與單片機通信，當溫度變化時，會立即把數據傳遞給單片機。圖七五、系統軟件的設計發送部分：使用CC1101通信模塊與接收單片機進行通信，當接收到接收機發送的信號時，發送單片機發送1S的方波信號或發送連續方波信號。通過單片機控制模塊開關導通來實現方波發送幅度大小控制。接收部分：當單片機掃描到鍵盤按下時，執行相應的操作，來實現信號的測量與讀取