12年TI杯D题声音定位系统竞赛论文.docx
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12年TI杯D题声音定位系统竞赛论文
2012年全国大学生电子设计竞赛
声音定位系统(D题)
【本科组】
2012年8月6日
摘要
声源定位,即确定一个或多个声源在空间中的位置,是一个有广泛应用背景的研究课题。
基于麦克风的声源定位技术在视频会议、声音检测及语音增强等领域有重要的应用价值。
声音定位技术是利用声学和电子装置发送接受并处理声音信号,以确定自然声源或认为声源位置的一种技术,有着十分广阔的应用前景。
民用:
电话会议、视频会议等;还可以帮助耳障患者等
工业:
机器故障的诊断等
军事:
对目标的识别、跟踪和定位,如用于智能发坦克地雷、反直升机地雷等
本设计阐述了基于单片机的声音定位系统的设计过程,并给出了主要电路图。
该系统是以声响模块为运动体的声音定位测控系统,控制器由STC89C52单片机组成,芯片同时对三个处于不同位置的声音接收模块的音频信号进行处理a和时间差测量,第四个接受装置则校验系统坐标显示的精确度。
可实现对声响模块的采集、处理和显示。
关键字:
声源定位、应用价值、声响模块、接受模块、时间差
Abstract
Soundsourcelocalization,whichdetermineoneormoresoundsourcepositioninspace,isawidelyusedbackgroundresearch.Soundsourcelocalizationbasedonmicrophonetechnologyinvideoconferencing,voicedetectionandspeechenhancementhasimportantapplicationvalueinthefield.Soundlocalizationtechnologyistheuseofacousticandelectronicdevicesendingandreceivingandprocessingthesoundsignal,todeterminethenaturalsoundsourceorthatthesoundsourcepositionofatechnology,hasabroadprospectofapplication.
Civil:
conferencecall,videoconferencing;alsocanhelpdeafpatients
Industry:
MachineFaultDiagnosis
Military:
totargetrecognition,trackingandpositioning,asusedinintelligentanti-tankmines,suchasantihelicoptermine
Thisdesignelaboratedbasedonsoundlocalizationsystemdesignprocess,andgivesthemaincircuitdiagram.Thesystemisbasedonsoundmoduleformovingbodysoundlocalizationsystem,controllerbytheSTC89C52chip,chipatthesametimeonthreedifferentpositionsofthesoundreceivingmoduleoftheaudiosignalsareprocessedandthetimedifferencemeasurements,fourthreceivingdevicecalibrationsystemforcoordinatedisplayaccuracy.Canberealizedonthesoundmoduleoftheacquisition,processinganddisplay.
Keywords:
acousticsourcelocalization,applicationvalue,soundmodules,receivingmodule,timedifference
目录
1系统方案1
1.1声响模块的论证与选择1
1.2四路声音接收的论证与选择2
1.3控制系统的论证与选择4
2系统理论分析与计算4
2.1具体算法分析5
2.1.1设计与计算5
2.1.2误差信号产生5
2.2控制理论简单算法6
2.3声响模块参数计算6
声响模块6
3电路与程序设计9
3.1电路的设计9
3.1.1系统总体框图9
3.1.2声响模块子系统框图与电路原理图9
3.1.3接收模块子系统框图与电路原理图9
3.1.4电源10
3.2程序的设计10
3.2.1程序功能描述与设计思路10
3.2.2程序流程图11
4测试方案与测试结果17
4.1测试方案17
4.2测试条件与仪器17
4.3测试结果及分析17
4.3.1测试结果(数据)17
4.3.2测试分析与结论17
附录1:
电路原理图19
附录2:
源程序20
声音定位系统(D题)
【本科组】
1系统方案
本系统主要由声响模块、四路声音接收模块、信息处理模块、电源模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
1.1声响模块的论证与选择
方案一:
采用蜂鸣器发声。
蜂鸣器是单片机上常见的外围电路中的一个组成部分,它具有体积小、功耗低、易于控制等优点。
另外,用按键控制蜂鸣器实现起来也是非常方便,所用的器件较少,经济性强。
但是由于蜂鸣器的频率虽然可以由单片机控制,但是要求500HZ以上的频率不满足题目设计的要求且放大作用不明显。
图1蜂鸣器
方案二:
采用简单的TTL扬声器驱动。
如图所示,一个TTL集成电路,如7404,可以有足够的音频作为声信号驱动一个小的扬声器。
扬声器可以是32或100欧姆。
该电路同样所用器件比较少,经济性强,而且该电路简单,容易控制。
但是只采用了一个电容滤波,因此滤波的效果达不到题目要求并且放大效果不理想。
图2TTL扬声器
方案三:
RC振荡电路。
可移动声源产生的信号为周期性音频脉冲信号。
利用RC振荡电路产生可调的周期性音频脉冲信号,经功率放大再由扬声器向外发送,该方案产生的音频信号高次谐波信号较大,经过电路的改进使高次谐波大大减小,调节滑动变阻器可以实现频率调节500HZ,可以满足设计要求。
电路图如图所示。
图3发声模块电路
综合以上三种方案,选择方案三。
1.2四路声音接收模块的论证与选择
方案一:
采用LM358。
接收器电路主要用于接收可移动声源发出的音频脉冲信号,然后传送给单片机(MCUl),由单片机1(MCUl)对接收器接收到声源信号的时间做处理,检测出当前小车的位置,然后通过无线发送给单片机2(MCU2)。
所以能不能很好地接收到音频信号是整过设计的关键。
设计考虑接收器的信号采集传感器采用MIC,将采集信号放大、滤波、整形,产生方波信号,传送给单片机,由于MIC灵敏度较高,受外界噪声干扰较大,中间加高通滤波电路,可实现对声源信号的接收。
然而,虽然电容受话器非常灵敏,但是在实际焊接过程完成后的校验中发现,受话器对声音信号的接受情况非常的不理想,用示波器显示接受电路输出端时,几乎没有任何反应。
证明此电路理论上可以实现设计的基本要求,但是在实际制作过程中,7引脚完全不能给单片机足够的信号即放大作用微弱。
因此该方案不能完全满足设计要求。
电路图如图4所示。
·LM358的封装形式有塑封8引线双列直插式和贴片式。
特性(Features):
·内部频率补偿
·直流电压增益高(约100dB)
·单位增益频带宽(约1MHz)
·电源电压范围宽:
单电源(3—30V);双电源(±1.5一±15V)
·低功耗电流,适合于电池供电
·低输入偏流
·低输入失调电压和失调电流
·共模输入电压范围宽,包括接地
·差模输入电压范围宽,等于电源电压范围
·输出电压摆幅大(0至Vcc-1.5V)
它接收声音范围仍然不满足要求也只有10cm左右故不能完成声音采集的要求。
图4LM358接收模块电路
方案二:
采用LM358和LM324两级放大。
LM324系列器件为价格便宜的带有真差动输入的四运算放大器。
与单电源应用场合的标准运算放大器相比,它们有一些显著优点。
该四放大器可以工作在低到3.0伏或者高到32伏的电源下,静态电流为MC1741的静态电流的五分之一。
共模输入范围包括负电源,因而消除了在许多应用场合中采用外部编置元件的必要性。
这样的话,就基本满足了设计的要求。
LM324的特点:
1.短跑保护输出
2.真差动输入级
3.可单电源工作:
3V-32V
4.低偏置电流:
最大100nA
5.每封装含四个运算放大器。
6.具有内部补偿的功能。
7.共模范围扩展到负电源
8.行业标准的引脚排列
9.输入端具有静电保护功能
图5LM358和LM324两级放大接收模块电路
综合以上三种方案,选择方案二。
1.3控制系统(信息处理)的论证与选择
方案一:
采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
方案二:
采用凌阳公司的16位单片机,它是16位控制器,具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高,尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时,由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。
如果单纯的使用凌阳单片机,在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。
从系统的稳定性和编程的简洁性考虑,我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。
方案三:
采用Atmel公司的8051单片机作为主控制器。
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51产品指令和引脚完
全兼容。
在单芯片上,拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash,使AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
AT89S52具有以下标准功能:
8k字节Flash,256字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
综合考虑采用方案三。
综合上述,我们整个系统发生部分采用RC振荡发生信号,接受部分采用LM358和LM324两级放大,控制部分的主芯片选用AT80C52单片机,通过面包板自己制作、焊接、分析、处理。
2系统理论分析与计算
声源定位算法目前主要有3类:
第一类算法是基于波束形成的方法。
这种算法能够用于多个声源的定位,但是它存在着需要声源和背景噪声先验知识以及对初始值比较敏感等缺点;第二类算法是基于高分辨率谱估计的方法。
这种算法理论上能够对声源方向进行有效估计,但是计算量较大,且不适于处理人声等宽带信号;第三类算法是基于到达时间差的方法。
由于这种方法原理简单,计算量较小,且易于实现,在声源定位系统中得到了广泛应用。
根据以上介绍,基于到达时间差声源定位算法包括2个步骤:
1)先进行时延估计,从中获得传声器阵列中相应阵元对之间的声音到达时延。
常用的方法有最小均方自适应滤波法、互功率谱相位法和广义互相关函数法。
2)利用时延估计进行方位估计,主要方法有角度距离定位法、球形插值法、线性插值法和目标函数空间搜索定位法。
与其他几种方法相比,基于广义互相关函数的方法计算量小、计算效率高。
优点明显,故时延估计采用此方法。
方位估计则采用精度适中、易于实现的角度距离定位法。
2.1具体算法分析
2.1.1设计与计算
该设计主要是根据接收器接收到声源信号的时间间隔来确定当前的位置S,如图2所示。
设S点到C点的距离为a。
S点到A点的距离为b;S点到B点的距离为c。
设S点的坐标设为l,h),假设由单片机测得接收器A、接收器B和接收器C接收到信号的时间间隔计算出b与a的距离差为c1;b与c的距离差为c2。
由图2中关系可得到如下方程:
则可根据测量的距离差△d=|c2-c1|求得相应的位置(l,h)。
图6计算编程原理图
2.1.2误差信号产生
该设计的误差信号产生主要有三个方面:
检波误差由声源信号产生的半波损失,其误差的大小与声源信号发射的频率有关。
当频率越小时,△d=|c2-c1|则越小。
如频率为5kHz的声源信号,其周期为O.2ms,则半波损失导致△d=0.1ms×340m/s=3.4cm,所以频率越大,半波损失越小。
单片机的测量时间产生的误差单片机晶振为12MHz,内部时钟经6分频后,时钟周期为O.5μs,测量时间误差为±0.5μs,则会产生一定的误差信号。
计算误差在计算声源位置的过程中,数据有一定的取舍,则会产生一定的误差。
2.2控制理论简单算法
该设计的控制理论简单算法主要考虑三种方案:
方案一:
根据计算出的△d=|c2-c1|的值来确定发声模块是否移动,当移动到△d=O时,控制接收模块停止。
方案二:
根据测得△d=|c2-c1|的具体值控制字PWM,PWM=K△d,其中k为比例调节,△d越大,K越大,从而控制发生模块。
方案三:
PID控制算法
在连续运动控制系统中,将偏差的比例(P),积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量。
控制系统中以驱动电机转速采样信息为反馈量,采用增量式数字PID控制算法,通过输出PWM信号对电机实现闭环控制。
计算公式为:
式中:
△un为第n次输出增量;en为第n次偏差;en-1为第n-1次偏差;en-2为第n-2次偏差。
增量式PID控制系统中的KP,KI,KD参数,一般经反复测试、分析,最终确定理想数值。
考虑到算法的简单可行和实际应用,采用方案一最简单,且能够实现接收模块的控制。
2.3声响模块和接收模块参数计算
2.3.1声响模块
RC桥式振荡电路可以选出特定频率的信号。
具体实现过程的关键是RC串并联选频网络,其理论推导如下:
可得选频特性:
即当f0=1/(2πRC)时,输出电压的幅值最大,并且输出电压是输入电压的1/3,同时输出电压与输出电压同相。
通过该RC串并联选频网络,可以选出频率稳定的正弦波信号,也可通过改变R,C的取值,选出不同频率的信号。
和扬声器并联的RC网络是一个茹贝尔网络,主要是使在一定频率上使其呈阻性。
设和C串联的电阻为R1,扬声器内阻为R2,电感为L,则整理此一端口网络函数虚部
为j[(1/wC-wL)(R1*R2+L/C)+(wR1*L-R2/wC)(R1+R2)],可以看出使其为阻性的话,
必须使其虚部为0,满足1/wC-wL=0,wR1*L-R2/wC=0同时成立,则解出
R1=R2,f=1/2*pi*(LC)^1/2。
所以R1等于扬声器的内阻,至于C取多大在于使哪段频率近阻性。
多出的一个电解电容是OTL放大器隔离直流用的,并且作为另半波时的能源,一般此电容在100UF左右,大功率的一般可采用OCL或BTL。
自激振荡条件
含外加信号的正弦波振荡电路,其中A,F分别为放大器回路和反馈网络的放大系数。
图2中若去掉Xi,由于反馈信号的补偿作用,仍有信号输出,如图3所示Xf=Xi,可得自激振荡电路。
自激振荡必须满足以下条件:
参数推导
则由式(8)及起振条件|A·F|》1,可得:
所以RF1,RF2和Rf的选取应满足式(9),但实际取值时,应让RF1略小于Rf。
RF2的取值也应适当,以满足式(6),实现自激振荡。
选频网络的频率推导公式为
根据式(8)、式(10)、式(11),即可确定电路中的元器件参数。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图7所示,发声模块由发声RC振荡电路发出声音信号,经过电容滤波和放大作用,在手动控制作用下沿500mm*350mm的坐标纸上移动,扬声器此时发出声音,频率为500HZ左右。
此时位于坐标纸上四个角落的四路接收装置在单片机控制下开始工作,当最近的一个接收器接收到声音信号时,立即产生中断通知单片机开始计时计算,通过上述计算方法依次进行计算,计算出的数据由单片机I\O口通过液晶显示屏显示出来。
事实上,接收器由三个接收装置就足够了,第四个接收器只是为了校验声音信号传来的时间的精确度,这里不做过多说明。
图7系统总体框图
3.1.2声响模块子系统框图与电路原理图
1、声响模块子系统框图
图8声响模块子系统框图
2、声响模块子系统电路
图9声响模块子系统电路
3.1.3接收模块子系统框图与电路原理图
1、接收模块子系统框图
图10接收模块子系统框图
3、接收模块子系统电路
图11接收模块子系统电路
3.1.4电源
电源由变压部分、滤波部分、稳压部分组成。
为整个系统提供
5V或者
12V电压,确保电路的正常稳定工作。
这部分电路比较简单,都采用三端稳压管实现,故不作详述。
只需保证声响模块电压在3V一下,频率在500HZ左右即可。
3.2程序的设计
3.2.1程序功能描述与设计思路
1、程序功能描述
根据题目要求软件部分主要实现键盘的设置和显示。
1)键盘实现功能:
设置频率值、频段、电压值以及设置输出信号类型。
2)显示部分:
显示电压值、频段、步进值、信号类型、频率。
2、程序设计思路
该设计的核心主要是发生声音信号的声响模块和接收信号的受话放大模块,由于声响模块不允许同单片机相连,所以使接收装置同单片机相连,实现同步检测。
1.声响模块
声响模块是基于芯片74HC00制作的,所以要掌握其各引脚的功能。
实际上,74HC00集成了4个与非门的芯片以实现上述功能。
将各引脚正确连接后,在VCC前接入一个开关(键盘)就可以实现发声功能。
图1274HC00
2.接收模块
接收模块是由LM358和LM324两级放大模块组成。
实际上,LM324集成了4个放大器,324暂时使用到了其中的两路。
我们假设用到的是1号和4号,那么14号引脚引出后与单片机的I\O口相连,只要声响模块传出信号,受话器接收到声音信号,就可以转化成输出的电信号与单片机通讯,就可以实现坐标显示功能。
图13LM358
图14LM324
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
图15主程序框图
2、声响模块子程序流程图
图16声响模块子系统框图
3、接收模块子程序流程图
图17接收模块子系统框图
4、单片机子程序流程图
图18单片机子系统框图
4测试方案与测试结果
4.1测试方案
硬件测试
利用示波器调试输出频率为500HZ,功耗低于200mW。
接收模块可以收到发声模块输出的波形。
4.2测试条件与仪器
测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,并且检查无误,硬件电路保证无虚焊。
测试仪器:
高精度的数字毫伏表,模拟示波器,数字示波器,数字万用表,指针式万用表。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果(数据)
3V档信号测试结果好下表所示:
(单位/V)
频率
470
490
490
500
510
520
530
540
电压
10.04
11.2
11.78
12.08
12.96
13.14
13.22
13.90
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,频率跟电压大致成正比例关系,由此可以得出以下结论:
1、发声模块的频率直接影响接收模块的接收频率。
2、频率在500HZ的时候,输出电压时最稳定的,此时测得的波形也是在稳定的,示波器显示清晰良好。
3、发声、接收模块的放大元件必须严格,否则将直接影响单片机。
当发声模块和接收模块的频率相符合时,单片机就收到了相应的电平信号。
综上所述,本设计达到设计要求。
附录1:
电路原理图
图19发射接收原理图
图20单片机最小系统及声源电路
附录2:
源程序
#include
#include
#include
#defineuintunsignedint
#defineucharunsignedchar
#definedelayNOP();{_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();};
uintDATA_H0,DATA_L0,DATA_H1,DATA_L1;//记录两次中断时长
//sbitvoice1=P3^2;
//sbitvoice2=P3^3;
sbitvoice3=P3^4;
ucharIRCOM[7];
sbitLCD_RS=P2^6;//LCD控制
sbitLCD_RW=P2^5;
sbitLCD_EN=P2^7;
ucharcodecdis1[]={"X:
---"};
ucharcodecdis2[]={"Y:
---"};
bitlcd_busy();
voidlcd_wcmd(ucharcmd);
voidlcd_wdat(uchardat);
voidlcd_init();
voidlcd_pos(ucharpos);
voiddelay(ucharx);
voiddelay1(uintms);
voidInterrupt_Init();
voidvoicechuli();
/*******************************************************************/
/**/
/*检查LCD忙状态*/
/*lcd_busy为1时,忙,等待。
lcd-busy为0时,闲,可写指令与数据。
*/
/**/
/*******************************************************************/
bitlcd_busy()
{
bitresult;
LCD_RS=
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