2014年重庆理工大学电子设计竞赛
声音定位系统（C题）
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摘要：本系统使用STM32产生频率为500Hz的正弦波信号，该信号用LM386进行功率放大及驱动后输入到蜂鸣器作为声源。接收部分使用拾音器进行接收，首先对接收的信号经过同相放大，使变化的电流信号转换为变化的电压信号。然后经过由OP07组成的有源带通滤波器，该滤波器的中心频率为500Hz，带宽为100Hz，增益为1倍，去除周围环境的声波，滤波后的信号正好是蜂鸣器发出的声音信号。再对滤波后的两路信号经过相移检测电路，可以把滤波后的正弦波转换为方波，以便单片机STM32对相位差信号进行捕获。声源定位是通过对四个拾音器接收到相位差信号进行处理，经过一套比较完善的算法可得声源的坐标，即可进行声源定位。
关键词：500Hz 声音定位 STM32
一、系统方案
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1.声音信号产生的选择
方案一：采用NE555产生频率为500Hz的方波用来作为声音信号。它的作用是用内部的定时器来构成时基电路。外部通过简单的电路可获得所得的信号。该电路搭建比较简单，原理易于理解，电路中元器件参数也比较好计算。
方案二：用单片机STM32来产生频率为500Hz的正弦波用来作为声音信号。该正弦波信号的产生实质上是将正弦波转换的到的数组存入单片机，经DA转换输出正弦波。
方案比较：方案一中，用NE555产生信源不是很稳定，波形不太规范且信号的频率不固定，这样的信号对本系统不太合适。方案二中，用软件来产生信号，该信号很稳定，是比较标准的频率为500Hz的正弦波信号，而且，产生波形比较灵活，从而为发挥部分做好准备。因此选择方案二。
2.声源的选择
方案一：采用低音扬声器作为声源。扬声器是一种把电信号转变为声信号的换能器件。将单片机产生的频率为500Hz的信号接在扬声器的接收端，扬声器能发出强度比较大的声音信号。
方案二：采用无源蜂鸣器作为声源。无源蜂鸣器在提供一定频率的正弦波震荡源时，能够发出声音。试验中用无源蜂鸣器发声时，声音比较清晰，但声音强度比扬声器稍弱。
方案比较：这里选择方案二。
3.滤波方案的选择
方案一：用RC无源滤波器。通过计算可以较方便的通过匹配电阻电容
得出所需要的通频带。该滤波电路抗干扰性较强，有较好的低频特性，并且选用标准的阻容元件易得。
方案二：用有源滤波器。有源滤波器是利用可关断电力电子器件，产生
与负荷电流中谐波分量大小相等、相位相反地电流来抵消谐波的滤波装置。
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有源滤波器除了滤除谐波外，同时还可以动态补偿无功功率。其优点是反映动作迅速，滤除谐波可达到95％以上，补偿无功细致。
方案比较：方案一中，谐波滤除率一般只有80％，对基波的无功补偿也是一定的，并且通频带比计算出的要宽，不太符合设计要求。方案二中，电路比较复杂，但通过匹配后能较好的完成带通滤波，能达到预期的要求。因此选择多路负反馈二阶有源带通滤波器，即方案二。
二、定位算法理论分析与计算
根据题目要求，A,B,C,D为声音接收模块，现对元坐标系进行坐标变换，以A点为坐标原点，建立笛卡尔坐标系，动点P(x,y)至点A,B,C,D的距离之差为一常数，建立数学模型：
x2?(y?b)2?x2?y2??t1v...........①（x-a)2?y2?x2?y2??t2v.............②（x-a)2?（y-b)2?x2?y2??t3v.......③令?t1v=C1????????x?Rcos?????t2v??C2??????y?Rsin?????t3v?C3原方程转化为： 2R(C1?bsin?)?b2?C12..............④2??????????????????????????????2R(C2?acos?)?a2?C2.............⑤??????????????????????????????2R(C3?acos?+bsin?)?a2?b2?C32.............⑥C1+bsin?b2?C12④得：=22⑤C2?acos?a?C2
b2?C12令2=?1，得： 2a?C24
C2?1?C1b?=arctan?arccos22?1a?1a?b2b2?C12R?2(C1?bsin?)
三、电路与程序设计
1. 声响模块电路设计
声响模块是由STM32单片机输出频率为500Hz的正弦波，然后从单片机引脚输出，输出的信号经过功率放大电路放大后，再接入到蜂鸣器，驱动发声。
2. 声音接收放大器电路设计
接收部分是用拾音器接收声音信号。由于拾音器接收到的信号在不经过放大时信号很小，不易检测，故后级利用放大电路将接收的信号进行处理。
图 1 放大电路
3. 测量、数据处理电路设计
根据要求只有当接收到的信号为500Hz时，我们才能保证接收到的信号是由声源发出的。而拾音器接收到的声音信号是任意频率的，故此 处要进行滤波处理。滤波采用的是带通滤波器，通过电容电阻的匹配，
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