2012“TI”杯电子设计竞赛D题声音定位系统设计报告

2012年“TI”杯电子设计竞赛

摘 要

本设计采用TI公司生产的超低功耗单片机MSP430G2452和G2553分别作为定位系统的声源产生模块和信息处理模块，实现了声音信号的发生、信号收集处理和屏幕显示以及语音提示等功能。该设计采用2节家用1.5V电池供电，实现了低功耗状况下的声音定位系。声源接收单元信号反应灵敏，能较准确的得到信号并及时传送到信号处理单元。以MSP430为主的Launchpad也符合了低功耗的标准，并且可以实现信号的运算处理以及控制LCD液晶屏幕显示测试数据。在定位算法上采用的是归一正方形算法。通过调试修正以后，能实现基本的声源定位并显示。

关键词：声音定位 低功耗 MSP430

目 录

一．引言 3 1.1主要任务 3 1.2设计要求 4 二.方案设计与论证 4 2.1方案对比 4 2.1.1 声源模块 5 2.1.2 接收模块放大芯片 5 2.1.3 单片机MCU 6 2.1.4 显示模块 7 2.1.5 定位算法选择 8 三．硬件电路设计 9 3.1 系统框图 9 3.2声响模块 10 3.3 从单片机最小系统 10 3.4声音接收模块 11 3.5信号处理模块 12 3.6 语音模块 12 四. 软件设计 12 4.1 软件流程图 13 五.测试结果与分析 14 5.1 测试方法与仪器 15 5.2 测试数据 15 5.3 测试结果分析 15 5.4 测试结果 15 参考文献 16 附录一： 17 附录二： 18

附录三： 19

一、引言

1.1主要任务

设计一套声音定位系统。在一块不大于1m2的平板上贴一张500mm×350mm的坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模块，声音接收模块通过导线将声音信号传输到信息处理模块，声音定位系统根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音信号，判定声响模块所在的位置坐标。系统结构示意图如图1所示。

图1 声音定位系统结构示意图

1.2设计要求

【1】. 基本要求

(1) 设计制作一个声响模块，含信号产生电路、放大电路和微型扬声器等，每按键一次发声一次，声音信号的基波频率为500Hz左右，声音持续时间约为1s。要求声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW。

(2) 设计制作四路声音接收模块，由麦克风、放大电路等组成，并分别与信

息处理模块相连接，以便将频率为500Hz左右的信号传送至信息处理模块。

(3) 设计制作一个信息处理模块，要求该模块能根据从声音接收模块传来的信号判断声响模块所在位置的x、y坐标，并以数字形式显示x、y坐标值，位置坐标值误差的绝对值不大于30mm。

【2】. 发挥部分

(1) 改善接收信号的放大电路性能，改进算法，进一步提高定位精度。 (2) 控制声响模块以不间断的连续周期波的形式发出声音信号，其基波频率为500Hz左右。当声响模块在坐标纸上移动时，声音定位系统能连续跟踪显示声响模块的x、y坐标值，随机停止声响模块的移动，能立即稳定地显示声响模块的x、y坐标值，误差的绝对值不大于10mm。

(3) 具有显示声响模块移动轨迹的功能。当声响模块在坐标纸上按指定路径移动时，液晶显示屏能动态显示声响模块移动的轨迹，显示的轨迹与声响模块移动的路径一致。

(4) 其它。

二． 方案设计与论证

2.1方案对比

本设计分以下几个模块组成：声响模块、声音接受模块、信号处理模块。

现对模块的选用方案进行论证。

2.1.1 声源模块

设计要求声响模块采用3V以下电池供电，功耗不大于200mW。 方案一：有源蜂鸣器

蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器，采用直流电压供电，广泛应用于计算机、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器等电子产品中作发声器件。

方案二：无源蜂鸣器

有源和无源的区别：这里的“源”不是指电源。而是指震荡源。也就是说，有源蜂鸣器内部带震荡源，所以只要一通电就会叫。而无源内部不带震荡源，所以如果用直流信号无法令其鸣叫。必须用2K~5K的方波去驱动它。有源蜂鸣器往

往比无源的贵，就是因为里面多个震荡电路。

方案三：喇叭

8欧0.5瓦喇叭价格实惠，声音响亮，声音纯度较高，并且完全满足本次设计的需求，故本次采用的是喇叭作为发声源。

综上所述，选取便宜可控的喇叭更符合设计需要。

2.1.2 接收模块放大芯片

方案一：LM358

LM358 内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

图2 lm358结构图

方案二：LM368

LM386是美国国家半导体公司生产的音频功率放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20。但在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至 200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅为24mW，使得LM386特别适用于电池供电的场合。

图3 lm386管脚图

方案三：LM393

LM393是高增益,宽频带器件，象大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。这种现象仅仅出现在当比较器改变状态时，输出电压过渡的间隙，电源加旁路滤波并不能解决这个问题，标准PC板的设计对减小输入—输出寄生电容耦合是有助的。减小输入电阻至小于10K将减小反馈信号，而且增加甚至很小的正反馈量(滞回1.0~10mV)能导致快速转换,使得不可能产生由于寄生电容引起的振荡，除非利用滞后，否则直接插入IC 并在引脚上加上电阻将引起输入—输出在很短的转换周期内振荡，如果输入信号时脉冲波形，并且上升和下降时间相当快，则滞回将不需要。

图4 lm393管脚图

由于接收信号微弱，要得到更精准的声源信号，选取了工作电源范围更宽、输入失调电压更小的LM393。

2.1.3 单片机MCU

方案一：MSP430

MSP430系列单片机是美国德州仪器公司（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处

理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

方案二：AT89C51

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器的低电压、高性 …… 此处隐藏：2384字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……