声音定位系统

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1、2014年重庆理工大学电子设计竞赛声音定位系统（C题）22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

2、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221.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

3、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

4、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。22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

5、。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：22三、电

6、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22处要进行滤波处理。滤波采

7、用的是带通滤波器，通过电容电阻的匹配，最终滤波器的中心频率为500Hz，带宽为50Hz。拾音器接收到的信号经过带通滤波器后，能够将声源发出的信号滤出，正符合本题要求。图2二阶有源滤波电路滤波后的信号为正弦波，但该信号不便于用单片机进行处理，故在后级加入了相移检测电路。其基本功能是对两路正弦波信号进行比较，并根据比较结果输出一路方波信号。并由此来判断声音信号的位置差。能够用单片机然后用单片机进行捕获处理，效果比较满意。图3相移检测电路1.程序设计4.1该系统程序设计主要分为四部分：用STM32产生500hz正弦波

8、；22利用STM32的输入捕获捕获相移检测电路后的方波信号；利用定位算法，通过单片机对检测到的相位差信号进行处理，得到声源位置坐标；将得到的声源位置坐标送TFT屏显示，并将位置坐标存入数组中，实现连续显示声源位置轨迹的功能四、测试方案与测试结果1.测试方法与仪器声源定位测试方法：将声源放在坐标纸上的任意坐标，不让声源发声，记下坐标值（x0,y0）。然后启动声源，让声源发出1s左右的声音