2012年大学生电子设计TI杯竞赛
声音定位系统（D题） 【本科组】
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摘要：本系统是用C8051F310单片机产生频率为500Hz的方波信号，该信号用三极管8550进行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单管放大，使变化的电流信号转换为变化的电压信号。然后经过由LM358组成的带通滤波器，该滤波器的中心频率为500Hz，带宽为50Hz，增益为10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。再对此级信号经过LM339比较器，可以把滤波后的正弦波转换为方波，以便单片机MSP430G2553进行检测。声源定位是通过对四个拾音器接收到信号的时间先后进行处理，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。然后经过后级的更精确的算法，当声源移动时，可实时检测到声源坐标。
关键词：500Hz 声音定位 MSP430G2553
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一、系统方案
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C8051F310来产生频率为500Hz的方波用来作为声音信号。方波信号的产生实质上是在定时器溢出中断次数达到规定次数时，将输出I/O管脚的状态取反。该程序比较容易实现，且不会占用单片机太多资源。
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的方波信号，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方波震荡源时，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：两种器件发出的声音都能被接收端检测出来。方案一中，扬声器需要消耗较大的功率，若将功率限制在200mW内，则扬声器发不能满足要求，且扬声器在上电后就会发声，而设计要求是有信号输入才发声。方案二中，蜂鸣器消耗的功率控制在200mW以内时，发出的声音强度比扬声器稍弱，但是能够满足设计要求。因此选择方案二。
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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。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、理论分析与计算
1. 声响模块分析、计算
声响模块是由蜂鸣器产生生源信号。该单独的声源模块供电电压为5V，经过测量后电路中的电流在35mA左右。功率计算公式： P=U*I；
经计算声源模块的功耗约为175mW左右，该系统要求的声响模块功率低于200mW，所以经过该计算本设计符合设计标准。
2. 声音接收放大器分析、计算
声音接收电路中在进行带通滤波的同时对接收到的信号进行了放大。带通滤波的中心频率为500Hz。 相关参数的计算：
Req=R13//R16=R13*R16/(R13+R16)
=31.8*1.68*1000/(31.8+1.68)=1.6K；
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fc= 1/(2*π*)
=10^8/(2*3.14*
Q=fc/BW=1/2*(R3/Req)1/2=9.97 3. 数据处理原理分析、计算
) =497.6Hz；
数据处理部分是将信号通过比较器进行处理。信号经过带通滤波后，其幅值可达到3.8V左右，而没有信号时噪声信号幅值比较小。声源信号经过比较器后可以被检测出来，比较器端输出3.3V的高电平，当没接收到有用信号时，比较器端输出0V低电平。再将这种信号输入到单片机中进行处理，很方便的能判断是否检测到有用声源信号。比较器是由LM339构成，在运放的同向端经过10K滑线变阻器分压，进行阈值设定，反相端输入滤波后的信号，输出端则会输出3.3V或0V的方波信号。
三、电路与程序设计
1. 声响模块电路设计
声响模块是由C8051F310单片机输出频率为500Hz的方波，然后从单片机引脚输出，输出的信号经过三极管后放大后，再接入到蜂鸣器。此时蜂鸣器的输出电流为35mA左右，供电电源为5V，发声模块的功率低于200mW，符合本题的要求。
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