声音定位系统TI杯文档格式.docx
- 文档编号:22655938
- 上传时间:2023-02-05
- 格式:DOCX
- 页数:13
- 大小:174.88KB
声音定位系统TI杯文档格式.docx
《声音定位系统TI杯文档格式.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《声音定位系统TI杯文档格式.docx(13页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
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RC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TPS61070升压芯片将3V以下电压到5V提供。
方案比较:
方案一运算放大器OPA2227通过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,最终选择方案一。
1.2信号滤波和声源坐标计算方案
STM32单片机具有AD转换功能,处理速度可达到72M且有较大的RAM。
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控制显示相应坐标。
由OPA2227制作一个中心平率在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,对编程部分的要求比较高。
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,不需要重复测量可避免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声响模块部分的设计
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
定时控制。
2.2升降压斩波电路(Buck-BoostChopper)设计的原理计算
电路性能参数计算。
通带增益
中心频率
,通带宽度
选择性
。
2.3面积计算
海伦公式:
设三角形三边边长分别为a,b,c,则三角形面积为S=
,其中
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OPA2227通过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构成比较器,用8550三极管驱动扬声器。
而OP2340供电电压为2.7—7V可降低供电电压实现低功耗。
RC充放电电路控制时间实现1s定时电路图如图3-2所示。
图3-1500Hz声音信号产生电路图3-21s时间控制电路
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500Hz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
3.1.4MSP430单片机模块
图3-6MSP430单片机模块
本次设计选用的是MSP430F149单片机,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声源的位置坐标。
MSP430单片机模块如图3-6
3.1.5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。
MSP430单片机及短路保护电路采用的是+3.3V的供电电压,由于过压保护部分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
MSP430单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-IAREmbeddedWorkbench,是IARSystems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
EE1641B1
0.05%
南京新联电讯仪器有限公司
示波器
UTD2102CEL
3%
可调式直流稳压恒流电源
DK08006384
+0.1%
数字万用表
VC890D
4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心频率和带宽,并通过调节电路中的电位器达到对滤波器中心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时间控制电路通过示波器测试触发时间。
电源部分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
信号产生频率
505Hz
按键发生
能
声音信号持续时间
1s
功耗测试
191.7mW(2.7V,71mA)
(2)、带通滤波模块测试:
滤波模块调试中心频率和,带宽测试数据,结果如下表所示:
中心频率(Hz)
526
529
530
498
505
520
512
最高截止频率
(Hz)
627
605
604
593
584
586
580
最低截止频率
453
464
460
429
446
454
450
带宽
174
140
144
164
138
132
130
经过调试滤波器最后的中心频率在510Hz左右,带宽在90Hz左右。
(3)、比较输出模块测试:
波形信号经过整形结果及相关参数测试如下表所示:
波形频率(Hz)
波形周期(ms)
波形幅值(V)
1
500
2
4.9
1.95
4.7
3
4.8
4
507
1.97
5.3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,输出信号的频率比较稳定。
可满足系统要求。
(2)、带通滤波器测试中心频率为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较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在着声音的同频干扰,硬件的延时,程序算法的编写精度,这些都对电路的测试参数有很大的影响。
经过声音信号接收模块对接收到的声音信号进行滤波后500Hz的信号频率得到了接近3dB的放大,在对该信号进行后级放大电路和整形电路可以得到500Hz标准频率的电平信号。
由于生声音信号的波长较长测试最后选择将扬声器竖立放置这样可以增强接收信号的强度。
7.附录:
系统总体原理图
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 声音 定位 系统 TI