白利慧

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 長(zhǎng)治 046011）

基于MC9S128XS128單片機(jī)控制的聲音定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

白利慧

（山西機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院， 山西 長(zhǎng)治 046011）

本系統(tǒng)是基于MC9S128XS128單片機(jī)設(shè)計(jì)的聲音定位系統(tǒng)。電路主要由聲音處理模塊和數(shù)據(jù)處理模塊及顯示模塊組成。聲音模塊接收到聲音信息后，經(jīng)過(guò)處理將信號(hào)送至以MC9S128XS128單片機(jī)為核心的控制電路中，通過(guò)三角形定位算法得出聲源距離核心控制電路的距離，再將結(jié)果于液晶顯示屏上顯示出來(lái)，為實(shí)際應(yīng)用提供數(shù)據(jù)參考。

MC9S128XS128單片機(jī)；聲音定位；三角形定位算法

隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，人們?cè)谠絹?lái)越多的場(chǎng)合需要通過(guò)聲音的來(lái)源來(lái)判斷位置，以此提供必要的信息作為進(jìn)一步處理數(shù)據(jù)的依據(jù)。當(dāng)前聲音定位系統(tǒng)在實(shí)際生活中也得到了應(yīng)用。如漁船的聲吶，雷達(dá)等，通過(guò)聲音進(jìn)行測(cè)距。在高科技領(lǐng)域，很多國(guó)家都在研究智能機(jī)器人，聲音定位系統(tǒng)更是完善機(jī)器人功能的核心要件之一。聲音定位系統(tǒng)的普遍應(yīng)用將顯著提高人們生活的智能性，給人們生活帶來(lái)更多的便捷和舒適。

本文中，作者通過(guò)MSP430單片機(jī)最小系統(tǒng)PWM功能產(chǎn)生500Hz的基波頻率，并控制聲音持續(xù)發(fā)聲1s鐘，進(jìn)行聲源的模擬。再通過(guò)麥克風(fēng)獲取聲音數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性要求較高，綜合功耗和考慮和運(yùn)算速度要求，我們采用MC9S128XS128這款增強(qiáng)型16位單片機(jī)作為系統(tǒng)核心數(shù)據(jù)處理器，它能夠較好的完成系統(tǒng)的各項(xiàng)功能。通過(guò)測(cè)試，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目的。

一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件的原理

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖及原理

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)由MSP430單片機(jī)PWM功能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生500Hz頻率，再由三極管將信號(hào)放大后輸入蜂鳴器發(fā)聲。用麥克風(fēng)作為聲音信號(hào)的采集終端，經(jīng)過(guò)放大電路和鑒頻濾波電路對(duì)采集到的聲源信號(hào)做初步處理，最終將符合500Hz頻率要求的聲音信號(hào)輸入到系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理的核心MC9S128XS128單片機(jī)中，處理器進(jìn)行算法運(yùn)算后，通過(guò)液晶顯示器，將聲源信號(hào)的位置顯示出來(lái)，為使用者提供信息參考，實(shí)現(xiàn)聲音定位的功能。系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)框圖

（二）系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)

根據(jù)聲源模擬電路的設(shè)計(jì)要求，我們將按鍵開關(guān)連接在MSP430單片機(jī)上具有時(shí)鐘電路功能的端口，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)生1S鐘聲響的要求，也可以更便捷的控制聲音信號(hào)的產(chǎn)生。利用該單片機(jī)的輸出端口輸出PWM信號(hào)。當(dāng)開關(guān)閉合時(shí)，時(shí)鐘端口輸入高電平，并在輸出端口產(chǎn)生500Hz的方波，該信號(hào)持續(xù)1S鐘，方波信號(hào)再經(jīng)三極管放大后送入蜂鳴器，使蜂鳴器鳴響。該部分硬件電路圖如圖2所示。

圖2 聲源模擬電路

在聲源信號(hào)采集電路中，由于麥克風(fēng)采集到的聲音信號(hào)較弱，核心系統(tǒng)單片機(jī)MC9S128XS128無(wú)法識(shí)別，因此采用LM358芯片進(jìn)行二級(jí)放大，將信號(hào)放大為采集到的原始信號(hào)的100倍。聲源信號(hào)采集電路中的信號(hào)放大電路如圖3所示。

由于信號(hào)放大后會(huì)產(chǎn)生很多干擾信號(hào)，該部分電路設(shè)計(jì)了以LM567為核心的鑒頻濾波電路，通過(guò)RC電路實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，將高頻和低頻干擾頻率濾除，選出頻率為500Hz的信號(hào)輸入核心系統(tǒng)的單片機(jī)中按照算法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。鑒頻電路如圖4所示。

圖3 信號(hào)放大電路

圖4 鑒頻電路

系統(tǒng)設(shè)計(jì)中我們制作了規(guī)則形狀的木板，并在木板上制作了坐標(biāo)圖，在固定的位置上安裝聲音采集電路。在確定的范圍內(nèi)隨機(jī)放置聲源模擬硬件設(shè)備。我們?cè)O(shè)計(jì)了4個(gè)聲音信號(hào)采集電路，當(dāng)聲源發(fā)聲時(shí)，4個(gè)聲音接收模塊會(huì)將接收到的信號(hào)輸入系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)。由于聲源與4個(gè)聲音接收模塊的距離不同，單片機(jī)接收到到信號(hào)的傳播時(shí)間不同。通過(guò)核心系統(tǒng)單片機(jī)內(nèi)定時(shí)器，可以計(jì)算出采集到的不同聲音信號(hào)所形成的時(shí)間差，再由三角形算法編程求出聲源坐標(biāo)（X,Y），最終由系統(tǒng)單片機(jī)控制輸出，將位置坐標(biāo)值顯示出來(lái)。

二、系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件基本原理

（一）程序設(shè)計(jì)流程圖

按照硬件設(shè)計(jì)要求和實(shí)現(xiàn)功能的標(biāo)準(zhǔn)，我們結(jié)合三角形算法，進(jìn)行了軟件程序的編寫和測(cè)試。系統(tǒng)運(yùn)行，開始硬件的初始化，包括聲源模擬電路、系統(tǒng)核心單片機(jī)以及液晶顯示屏的功能初始化。由MPS430單片機(jī)判斷是否有按鍵按下，若有發(fā)出聲音，在核心單片機(jī)系統(tǒng)輸入信號(hào)后，開始按照算法計(jì)算坐標(biāo)，并通過(guò)液晶顯示屏顯示坐標(biāo)，程序流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

圖7 聲源與聲音采集硬件位置示意圖

（二）數(shù)據(jù)處理中算法的基本原理

系統(tǒng)麥克風(fēng)可以采集到蜂鳴器發(fā)出的聲音，由于聲源按照一定的周期發(fā)出聲音信號(hào)，而聲音在空氣中傳播的速度約為340m/s，當(dāng)聲音信號(hào)被四個(gè)位置的麥克風(fēng)接收時(shí)，由于傳播距離不同，每個(gè)麥克風(fēng)接收到的時(shí)間不同，我們以其中三個(gè)接收器接收到音頻信號(hào)的所形成的時(shí)間差作為變量，可以推算出可移動(dòng)聲源的具體位置。聲源信號(hào)與采集聲音信號(hào)硬件位置關(guān)系示意圖如圖7所示，并設(shè)定S0，S1，S2坐標(biāo)為已知。設(shè)聲速為C，音源到麥克風(fēng)S0，S1，S2的傳遞時(shí)間分別為t1，t2，t3，時(shí)間差為Δt1=t1-t2,Δt2=t3-t2,聲源發(fā)生的位置坐標(biāo)為(x,y)，極坐標(biāo)表示為(r,θ)，三個(gè)麥克風(fēng)坐標(biāo)分別為x0（0,0）,x1(0,450),x2(600,0)，表示并滿足

把(2)式展開并利用(1)式可得

DesignofanAcousticPositioningSystemBasedon MicrocontrollerMC9S128XS128

BAI Li-Hui
(Shanxi Institute of Mechanical&Electrical Engineering,Changzhi 046011,China)

An acoustic positioning system based on Microcontroller MC9S128XS128 is designed.The system mainly consists of an acoustic processing module,a data processing module and a display module.The acoustic module processes the acoustic information received and sends the acoustic signal to the control circuit which is based on Microcontroller MC9S128XS128.The triangle location algorithm is used to work out the distance between the acoustic source and the control circuit.Then the results will be shown on the liquid crystal display (LCD),which provides data reference for applications.

Microcontroller MC9S128XS128;acoustic positioning;triangle location algorithm

TP68.1

B

2016－11－13

白利慧（1982－），女，山西大同人，講師，研究方向：電子電氣。E-mail:lihuibai001@163.com.

1671－802X(2016)06－0020－03