声音定位系统TI杯.doc

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1、声音定位系统TI杯————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：2012年TI杯D题：声音定位系统设计报告2012年8月摘要：该声音定位系统是以MSP430F149单片机作为微处理器。系统由硬件电路将接收到的声音信号进行滤波、放大和整形处理，通过单片机定时器和中断编程记录声音发送的时间和各接收模块接收到信号的时间，最后运用数学公式通过程序算法计算出声源的坐标，并将算得的数据传送到5110液晶彩屏显示。由OPA

2、2340运算放大器及RC振荡电路产生500Hz声源信号，通过RC充放电电路实现1s定时。接收模块有500Hz的带通滤波器、放大整形电路。通过硬件电路对信号处理和软件编程对测到的数据处理后可以得到声源信号的x、y坐标最终实现声音定位的功能。关键词：MSP430F149，微处理器，带通滤波器，RC振荡，液晶，声音定位1系统方案设计由运算放大器比较功能将信号处理成500Hz的方波信号用来驱动扬声器同时发送数据到单片机。接收模块将接收到的信号经过中心频率为500Hz带宽为70Hz的滤波器,通过前级放大电路将信

3、号放大到Vp-p100mV，最后经过后级放大和整形电路将信号处理成500Hz幅值为5V的方波。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

4、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方案一：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

5、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。方案二：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。方案比较：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。

6、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：是500Hz声音产生声音接收运算放大器STM32单片机5110液晶显示驱动扬声器1s定时开关1s定时电路否图1-2方案

7、一总体方案框架图声音接收带通滤波器带通滤波器运算放大器比较器MSP430单片机5110液晶显示驱动扬声器驱动扬声器1s定时开关否1s定时电路500Hz声音产生是图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

8、,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