尹彩霞 張謙述

【摘要】本系統(tǒng)采用兩片低功耗MSP430單片機作為控制器，控制整個聲音定位系統(tǒng)的協(xié)調(diào)工作，利用Msp430g2553的I/O口輸出基波頻率為500HZ，持續(xù)時間約為1S的聲音信號，再經(jīng)過聲音接收模塊將接收到的信號送至MSP430F169信息處理模塊處理。在一塊平板上貼一張500mmx350mm的坐標(biāo)紙，在其四角外側(cè)分別固定安裝一個聲音接收模塊，通過駐極體話筒檢測音頻信號，然后聲音接收模塊通過導(dǎo)線將頻率為500HZ左右的聲音信號傳送至信息處理模塊，此聲音定位系統(tǒng)根據(jù)聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標(biāo)，并以數(shù)字形式在液晶上顯示X、Y坐標(biāo)值。

【關(guān)鍵詞】低功耗MSP430單片機;聲音定位;聲音接收模塊;聲響模塊

1.研究聲音定位系統(tǒng)的目的與作用

聲音是人類常用的工具，是傳遞和獲取信息中非常重要的一種。不同物體往往發(fā)出自己特有的聲音，而根據(jù)物體發(fā)出的聲音，就可以判斷出物體的方位?，F(xiàn)在，人類已經(jīng)進入信息化時代，聲源定位技術(shù)的研究，使人們能更加有效地產(chǎn)生、獲取和應(yīng)用處理聲音信息，這對于當(dāng)今社會的發(fā)展具有十分重要的意義。

綜上所述，聲音定位系統(tǒng)的研究對我們的軍事、教育、生活等都有很重要的意義。所以，聲音定位系統(tǒng)的研究是一項提升我國綜合國力的長期項目，對我國科技發(fā)展有著十分重要的作用。

2.系統(tǒng)方案

2.1 系統(tǒng)任務(wù)

設(shè)計一個簡單的聲音定位系統(tǒng)，根據(jù)聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標(biāo)，并以數(shù)字形式在液晶上顯示X、Y坐標(biāo)值。

2.2 系統(tǒng)整體方案

根據(jù)題目的基本要求，為完成相應(yīng)功能，本設(shè)計提出的方案如圖2.1所示。整個系統(tǒng)劃分為以下幾個基本模塊：電源模塊、Msp430g2553小系統(tǒng)、聲響模塊、聲音接收模塊、信息處理模塊、顯示模塊。

圖2.1 系統(tǒng)總體框架

2.3 各模塊方案

控制器模塊采用TI公司的兩片低功耗MSP430單片機作為主控制芯片。MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式（7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址）、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器都可參加多種運算;還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

MSP430系列單片機能在25MHz晶體的驅(qū)動下，實現(xiàn)40ns的指令周期。16位的數(shù)據(jù)寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現(xiàn)乘加運算）相配合，能實現(xiàn)數(shù)字信號處理的某些算法（如FFT等）。

MSP430單片機工作頻率高，功耗低，有大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲器可參加多種運算，并且MSP430g2553小系統(tǒng)簡單，可以很方便的做I/O口擴展，節(jié)約了資源。

聲響模塊用Msp430g2553單片機做聲響模塊。用Msp430g2553單片機產(chǎn)生一個較穩(wěn)定的500HZ的方波信號，經(jīng)三極管驅(qū)動后，送入高精度電子揚聲器發(fā)聲。這樣做出的聲響模塊既簡單，使用又方便，并且能夠得到比較穩(wěn)定的基波頻率為500HZ的聲音信號，此外，它的功耗小。

聲音接收模塊用LM567和放大器LM358組成聲音接收模塊。聲音接收模塊首先將接收到的微弱聲音信號通過兩級放大器放大，然后再通過中心頻率為500HZ的帶通濾波器濾除雜波，得到500HZ穩(wěn)定的方波。此模塊先由放大器LM358將聲音放大，LM567 為通用鎖相環(huán)電路音調(diào)譯碼器 ，廣泛用于各種接收端的音碼解調(diào)，因此用LM567進行音頻放大，通過濾波網(wǎng)絡(luò)，濾掉雜波，使接收到的方波信號比較穩(wěn)定，而且做此模塊需要的資源少，價格便宜。

圖3.2 聲響模塊電路

信息處理模塊根據(jù)接收到的聲音傳輸時間差來對聲響模塊定位。聲響模塊發(fā)出的聲音傳到不同的接收器時間不同，根據(jù)不同的接收時間進行定時計數(shù)，做差值，可以判斷出聲響模塊距離不同聲音接收模塊的位置差，從而確定出聲響模塊的具體位置坐標(biāo)。

3.硬件電路設(shè)計與制作

3.1 電源部分

由于系統(tǒng)中各模塊需要的電壓不同，為了實現(xiàn)單電池供電，我們將7812、7805和LM317可調(diào)電壓做到一個板子上，實現(xiàn)了12V電壓、5V電壓、可調(diào)電壓三路電壓輸出功能。具體電路如圖3.1所示：

圖4.1 主程序流程圖

3.2 聲響模塊電路設(shè)計

聲響模塊首先通過單片機定（下轉(zhuǎn)第62頁）（上接第34頁）時器，在I/O口輸出一個較穩(wěn)定的500HZ的方波信號，通過三極管的放大后，送入高精度電子揚聲器發(fā)聲。

3.3 聲音接收處理模塊電路設(shè)計

通過駐極體話筒接收，將微弱的音頻信號經(jīng)LM358兩級放大和LM567組成的濾波電路濾波后成500HZ的方波，如圖3.3所示。

4.程序流程圖

此系統(tǒng)的主程序流程圖如圖4.1所示。

5.結(jié)束語

測試結(jié)果表明，每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號的頻率能夠穩(wěn)定在500HZ左右，聲音持續(xù)時間約為1s。

聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗也沒有超過200mW。四路聲音接收模塊將頻率為500HZ左右的信號傳送至信息處理模塊，通過算法能夠確定聲響模塊所在位置的X、Y坐標(biāo)，并在液晶上顯示坐標(biāo)。

定位坐標(biāo)測試：此聲音定位系統(tǒng)根據(jù)聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，再通過單片機計算，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標(biāo)，并以數(shù)字形式顯示出X、Y坐標(biāo)值。

基本要求位置坐標(biāo)值誤差的絕對值不大于30mm，發(fā)揮部分要求位置坐標(biāo)值誤差的絕對值不大于10mm，測試結(jié)果如表1所示：

表1 坐標(biāo)測試數(shù)據(jù)

測量

次數(shù) 實際坐標(biāo)值（mm） 顯示坐標(biāo)值（mm） 絕對誤差（mm）

1 （250，150） （260，144） 11.66

2 （320，250） （310，235） 18.02

3 （350，250） （350，263） 13.00

經(jīng)計算得出，聲響模塊位置坐標(biāo)值誤差絕對值都不大于30mm，滿足基本要求。

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