【畢業(yè)設(shè)計(jì)正文】聲源定位系統(tǒng)-某某要點(diǎn)

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1、遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 0前言 聲音是我們所獲取的外界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，人們可以判斷出物體相對(duì)于自己的方位。有些應(yīng)用場(chǎng)合， 人們需要用機(jī)器來(lái)完成聲音定位這個(gè)功能，并且往往要求定位精度比較高。 2003年的美 伊戰(zhàn)爭(zhēng)期間，人民網(wǎng)、CCTV網(wǎng)站的軍事頻道、國(guó)防在線等網(wǎng)站均報(bào)道了裝配于美軍的狙 擊手探測(cè)技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)其中一部分就包含了聲源定位技術(shù)。 聲源定位作為一種傳統(tǒng)的偵察手段，近年來(lái)通過(guò)采用新技術(shù)，提高了性能，滿足了 現(xiàn)代化的需要，其主要特點(diǎn)是： 1）不受通視條件限制?？梢姽?、激光和無(wú)線電偵察器材需要通視目標(biāo)，在

2、偵察器材 和目標(biāo)之間不能有遮蔽物，而聲測(cè)系統(tǒng)可以偵察遮蔽物（如山，樹林等）后面的聲源。 2）隱蔽性強(qiáng)。聲測(cè)系統(tǒng)不受電磁波干擾也不會(huì)被無(wú)線電側(cè)向及定位，工作隱蔽性較 強(qiáng)。 3）不受能見度限制。其他偵察器材受環(huán)境氣候影響較大，在惡劣氣候條件下工作時(shí) 性能下降，甚至無(wú)法工作。聲測(cè)系統(tǒng)可以在夜間、陰天、霧天、和下雪天工作，具有全 天候工作的特點(diǎn)。 以下對(duì)美軍裝備的報(bào)道來(lái)自于《“巴格達(dá)之戰(zhàn)”考驗(yàn)英軍巷戰(zhàn)武器裝備》一文，該 文刊登于2003年4月8日國(guó)防在線美伊戰(zhàn)爭(zhēng)專題。“狙擊手聲測(cè)定位系統(tǒng)通過(guò)接收并測(cè) 量膛口激波和彈丸飛行產(chǎn)生的沖擊波來(lái)確定狙擊手的位置，通常僅能探測(cè)超音速?gòu)椡琛? 這種系統(tǒng)有單兵佩

3、掛型、固定設(shè)置型和機(jī)動(dòng)平臺(tái)運(yùn)載型。美國(guó) BBN系統(tǒng)和技術(shù)公司的聲 測(cè)系統(tǒng)，通過(guò)測(cè)量彈丸飛行中的聲激波特性來(lái)探測(cè)彈丸并進(jìn)行分類。該系統(tǒng)為固定設(shè)置 型，采用2個(gè)置于保護(hù)區(qū)兩側(cè)的傳聲器陣列或 6個(gè)分布在保護(hù)區(qū)內(nèi)的單向傳聲器。傳聲 器通過(guò)電纜或射頻鏈路與指揮節(jié)點(diǎn)相連。為了準(zhǔn)確定位，需事先確定傳聲器的距離，精 度要在1米以內(nèi)。該系統(tǒng)可探測(cè)到 90%的射擊，定位精度為方位 1.2、水平3。此 外，美國(guó)的“哨兵”和“安全”有效控制城區(qū)環(huán)境安全系統(tǒng)均是采用聲測(cè)定位技術(shù)的反 狙擊手系統(tǒng)。 美軍這一套聲源定位系統(tǒng)通過(guò)定位彈丸產(chǎn)生的特殊激波和沖擊波，探測(cè)出狙擊手的 位置，在戰(zhàn)場(chǎng)上有效保護(hù)戰(zhàn)士生命。而在民用方面，聲

4、源定位系統(tǒng)也有廣闊的應(yīng)用前 景。試設(shè)想一下未來(lái)的可視電話，如果在電話上裝上聲源定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)探測(cè)出人說(shuō)話 的方位，則我們可以控制可視電話的攝像頭跟蹤移動(dòng)的說(shuō)話人。無(wú)論人在屋里的哪一個(gè) 角落，攝像頭始終都可以將人拍在圖像正中間。這樣，我們可以在任意的位置使用固定 安裝的視頻電話。由于人在使用這種視頻電話時(shí)可以自由活動(dòng)，勢(shì)必使得電話交流更加 生動(dòng)有趣。而使用這種可視電話來(lái)進(jìn)行視頻會(huì)議將給與會(huì)者帶來(lái)很大的方便。 聲音給人們帶來(lái)了方便，豐富了人們的生活。而對(duì)聲源位置的確定能給大家有效的 利用聲音提供幫助。事實(shí)證明，聲源定位系統(tǒng)是一個(gè)很有意義的研究課題。 近年來(lái)，隨著嵌入式系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理能力越來(lái)越強(qiáng)

5、，使用它來(lái)構(gòu)建小型聲源定位系統(tǒng) 已經(jīng)現(xiàn)實(shí)。但是，現(xiàn)在市面上還很少有這樣的成品。其主要受限制于聲源定位對(duì)數(shù)據(jù)采 集的特殊要求，一般的定位系統(tǒng)少則幾個(gè)采集通道，多則十幾個(gè)甚至幾十個(gè)采集通道， 而且各通道之間要保持同步采集。現(xiàn)在比較流行的定位系統(tǒng)都使用傳聲器陣列，一般使 用8個(gè)以上的傳聲器，也就需要 8通道以上的同步采集設(shè)備與之相配。本論文的工作主 要是根據(jù)聲源定位系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求，開發(fā)了一個(gè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu) 建了一個(gè)聲源定位系統(tǒng)，然后嘗試了一種定位算法，試圖發(fā)現(xiàn)并解決一些聲源定位系統(tǒng) 實(shí)用化中存在的問(wèn)題。 23 1聲源定位系統(tǒng)簡(jiǎn)介 1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求及步驟 1.1.1

6、 設(shè)計(jì)要求 本次設(shè)計(jì)的系統(tǒng)需要具備如下設(shè)計(jì)要求： 1）聲源定位區(qū)域?yàn)?0cm*60cm的正方形； 2）聲源頻率在3 1kHz左右； 3）聲源定位誤差在土 5cm以內(nèi)； 4）能夠顯示定位坐標(biāo)； 5）功耗低、性價(jià)比高。 1.1.2 設(shè)計(jì)步驟 1）總體方案的選擇、分析、論證，并畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖； 2）硬件電路設(shè)計(jì)并進(jìn)行硬件焊接； 3）軟件編程； 4）進(jìn)行調(diào)試； 5）逐步修改，將所需的功能完全實(shí)現(xiàn)。 1.2 系統(tǒng)方案選擇與論證 1.2.1 聲源定位原理 方案一：仿人雙耳的聲源定位原理。人是我們最熟悉的一個(gè)聲源定位系統(tǒng)，人的兩 只耳朵是這個(gè)系統(tǒng)的主角。由于耳廓具有非常特殊

7、的形狀，聲音經(jīng)過(guò)耳廓的處理后，大 腦只需要根據(jù)兩只耳朵所接收到的聲音強(qiáng)度就能大致定位某一個(gè)聲源的位置。國(guó)外科學(xué) 家把人的頭部用球的模型來(lái)近似，在球相對(duì)的兩極各安裝一個(gè)傳聲器，給出了兩耳功能 的解析方程能夠有效的定位聲音的方向。然而要模擬制作出耳廓這樣具有特殊結(jié)構(gòu)的傳 感器是比較費(fèi)勁的。 方案二：基于到達(dá)時(shí)間差的聲源定位原理。人對(duì)聲源的定位主要用到了聲音幅度這 個(gè)物理量，而機(jī)器卻可以精確的測(cè)量聲音的相位。由于聲波在空氣中以一定速度傳播， 到達(dá)設(shè)置于不同位置的傳聲器的相位不同，根據(jù)這些傳聲器對(duì)同一聲音錄制的相位差 別，我們可以計(jì)算出同一聲音到達(dá)每對(duì)傳聲器的時(shí)間差值。如果我們得到了某個(gè)聲源發(fā) 出的

8、聲音到達(dá)一對(duì)傳聲器的時(shí)間差，合適的安排傳聲器的位置，可以使得雙曲面的交點(diǎn) 只有一個(gè)，這個(gè)點(diǎn)就是我們要的聲源位置。大多數(shù)聲源定位是基于到達(dá)時(shí)間差的方法， 提高對(duì)到達(dá)時(shí)間差估計(jì)的準(zhǔn)確程度是這種方法的關(guān)鍵。 基于以上分析，選擇方案二，采用基于到達(dá)時(shí)間差的聲源定位原理。 1.2.2 處理器模塊 根據(jù)題目要求，處理器模塊主要用于對(duì)傳聲器傳輸?shù)穆曉葱盘?hào)進(jìn)行接收、計(jì)算聲源 坐標(biāo)、以及顯示聲源坐標(biāo)。對(duì)于處理器的選擇有以下兩種方案。 方案一：采用FPGA（現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列）作為系統(tǒng)的控制器，由于 FPGA將所有的器 件集成在一塊芯片上，所以外圍電路較少，控制板的體積小，穩(wěn)定性高，擴(kuò)展性能好； 而且FPG

9、A采用并行的輸入/輸出方式，系統(tǒng)處理速度快，再加上 FPGA有方便的開發(fā)環(huán) 境和豐富的開發(fā)工具等資源可利用，易于調(diào)試；但是 FPGA成本偏高，算術(shù)運(yùn)算能力不 強(qiáng)，而且由于本次設(shè)計(jì)對(duì)輸出處理的速度要求不高，所以 FPGA高速處理的優(yōu)勢(shì)得不到 充分體現(xiàn)。 方案二：采用通用型 STC89C52單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控制器。由于單片機(jī)的算術(shù)運(yùn) 算功能強(qiáng)，軟件編程靈活，可用軟件較簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其成 本低、體積小和功耗低等優(yōu)點(diǎn)，使其在各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；另外，由于本設(shè)計(jì)中會(huì)用到 較多的算術(shù)運(yùn)算，因此非常適合利用單片機(jī)作為控制器。 基于以上分析，選擇方案二，采用 STC89C52單片

10、機(jī)作為處理器。 1.2.3 顯示模塊 方案一：采用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低功耗、耐老化和精度比較高等優(yōu)點(diǎn)，但數(shù) 碼管與單片機(jī)連接時(shí)，需要外接鎖存器進(jìn)行數(shù)據(jù)鎖存，使用三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)等，電路連 接相對(duì)比較復(fù)雜。止匕外，數(shù)碼管只能顯示少數(shù)的幾個(gè)字符，顯示內(nèi)容較少，基本上無(wú)法 顯示漢子。 方案二：采用LCD進(jìn)行顯示。液晶顯示屏（LCD）具有低功耗、無(wú)輻射危險(xiǎn)、平面 直角顯示以及影像穩(wěn)定等，可視面積大，畫面效果好，分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)、顯示 內(nèi)容多等特點(diǎn)。并且，液晶顯示器與單片機(jī)可直接相連，電路設(shè)計(jì)及連接簡(jiǎn)單。 基于以上分析，采用方案二，選擇液晶 1602進(jìn)行顯示。 1.2.4 傳聲器模塊

11、 方案一：采用超聲波接收探頭作為聲源接收電路的核心器件。但是超聲波探頭檢測(cè) 音頻的靈敏度較低，且成本較高。 方案二：采用駐級(jí)話筒。接收器由駐極話筒進(jìn)行接收，然后經(jīng)過(guò)放大器將微弱的聲 源信號(hào)放大，在經(jīng)過(guò)帶通濾波器濾除不需要的音頻信號(hào)，并進(jìn)行整形后輸入單片機(jī)進(jìn)行 運(yùn)算和處理。本方案具有檢波容易、功耗低、性價(jià)比高的特點(diǎn)。 基于以上分析，采用方案二。 1.2.5 電源模塊 方案一：采用普通電池做電源，輸出的直流電后經(jīng)多個(gè)穩(wěn)壓器得到理想的不同伏值 的直流電壓。采用該方法做電源，輸出電流能力大、移動(dòng)方便。缺點(diǎn)是直流電流放電受 自身影響大，放電時(shí)間受限不便長(zhǎng)時(shí)間工作，而且價(jià)格較貴，不符合本次設(shè)計(jì)的特

12、征要 求。 方案二：采用三端穩(wěn)壓集成電路。變壓器降壓后經(jīng)過(guò)橋式整流、濾波，再經(jīng)過(guò)三端 穩(wěn)壓器得到直流電源。這一電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、靈活，而且可長(zhǎng)時(shí)間工作，符合本次設(shè)計(jì)要 求。 基于以上分析，采用方案二，選擇集成穩(wěn)壓電源輸出直流電。 1.3 研究現(xiàn)狀 現(xiàn)今使用的聲源定位算法基本基于以上兩種種聲源定位原理。國(guó)際上經(jīng)過(guò)多年的研 究，聲源定位算法已經(jīng)比較的成熟，已經(jīng)有一些實(shí)際可用的定位系統(tǒng)。現(xiàn)在比較熱門的 方法是使用傳聲器陣列的定位方法，更為深入的研究除了能對(duì)單個(gè)靜止聲源定位外，還 可以對(duì)多個(gè)聲源定位。而國(guó)內(nèi)在這方面的研究就比較的匱乏。有人用物理手段來(lái)測(cè)量聲 音到達(dá)各傳感器的時(shí)間差，例如使用自制的時(shí)

13、差測(cè)量物理裝置在一個(gè)固體媒質(zhì)平面上進(jìn) 行聲源定位。一些人概括了傳聲器陣列定位方法，并就其中一種定位方法給出了實(shí)驗(yàn)結(jié) 果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果只有2組數(shù)據(jù)，過(guò)于簡(jiǎn)單，而且只限于確定聲音方向與傳聲器陣列的夾角， 沒有給出聲源位置的完整空間位置描述。因此，我們決定建立一個(gè)實(shí)際可用的能確定平 面空間中聲源位置的聲源定位系統(tǒng)，把我們的研究更推進(jìn)一步。不論何種聲源定位原 理，都需要分析兩個(gè)或多個(gè)傳聲器對(duì)同一段聲音采集的差別，根據(jù)這個(gè)差別得出定位結(jié) 果。這要求對(duì)聲音進(jìn)行同步采集，也就是要使用同一個(gè)采樣脈沖序列對(duì)多個(gè)傳聲器拾取 的聲音信號(hào)進(jìn)行量化。根據(jù)理論的推算，各路聲音采集的同步誤差要限制在微秒級(jí)別， 才不至于太影響定

14、位結(jié)果。另外。聲源定位系統(tǒng)如果要實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)動(dòng)聲源的定位，就要求 數(shù)據(jù)同步采集系統(tǒng)能實(shí)時(shí)的將采集數(shù)據(jù)傳輸至處理器供定位程序使用，其最大能容忍的 傳輸延遲由運(yùn)動(dòng)聲源的運(yùn)動(dòng)速度決定。而定位系統(tǒng)要在平面空間中定位聲源，一般采用 3 3個(gè)以上的采集通道，由 個(gè)獨(dú)立的傳聲器或者多個(gè)傳聲器陣列，這要求采集系統(tǒng)至少要有 于定位算法對(duì)聲源定位系統(tǒng)中聲音數(shù)據(jù)的采集提出了特殊的要求，建立實(shí)用的聲源定位 系統(tǒng)的關(guān)鍵是要使得數(shù)據(jù)采集能滿足算法要求。為此，采用三塊具有放大、濾波、整形 的傳聲器對(duì)聲源進(jìn)行同步采集，并實(shí)時(shí)的將數(shù)據(jù)傳輸?shù)教幚砥鳎@樣，就組成了一個(gè) 3路 同步聲音采集系統(tǒng)，最后加上處理器上的聲源定位程序，

15、就組成了一個(gè)完整的聲源定位 系統(tǒng)。 2聲源定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2.1硬件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 本系統(tǒng)所要完成的工作是：三點(diǎn)麥克風(fēng)陣列負(fù)責(zé)采集聲源信號(hào)；聲源信號(hào)經(jīng)過(guò)放 大、濾波和整形傳送給單片機(jī)；單片機(jī)根據(jù)得到的信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析；計(jì)算出聲 源坐標(biāo)后顯示在液晶上，整個(gè)過(guò)程由三端穩(wěn)壓集成電路供電。 本設(shè)計(jì)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)： 1）聲源采集范圍：60cm*60cm的正方形區(qū)域； 2）帶通濾波器通頻帶寬： 3kHz 1kHz; 3）聲源定位誤差：ex < 5cm, ey<5cm； 簡(jiǎn)單的系統(tǒng)組成原理如圖2-1所示。當(dāng)聲源在設(shè)定區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生時(shí)，三點(diǎn)麥克風(fēng)陣列依 次采集到聲音信號(hào)，經(jīng)過(guò)各自的放大、濾波、

16、整形后，經(jīng)由輸入接口送到單片機(jī)內(nèi)部， 單片機(jī)對(duì)傳來(lái)的信號(hào)進(jìn)行處理后，得到聲源坐標(biāo)，并將坐標(biāo)顯示在液晶上。整個(gè)過(guò)程由 三端穩(wěn)壓集成電源提供電能。 圖2-1系統(tǒng)組成原理圖 Fig.2-1 System composition principle diagram 系統(tǒng)的工作過(guò)程是：首先，三點(diǎn)麥克風(fēng)陣列分別固定在 60cm*60cm正方形區(qū)域的三 個(gè)頂點(diǎn)。當(dāng)聲源在這個(gè)區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生時(shí)，聲音會(huì)向四面八方擴(kuò)散，三點(diǎn)麥克風(fēng)會(huì)一次接收 到聲源的信號(hào)，但是由于聲音信號(hào)是微弱的，所以要經(jīng)過(guò)放大器進(jìn)行放大，放大后的聲 音信號(hào)也要經(jīng)過(guò)帶通濾波器的濾波，防止干擾信號(hào)的進(jìn)入，該帶通濾波器設(shè)置的通頻帶 寬為 3kH

17、z1kHz,由于此時(shí)的信號(hào)還是連續(xù)量，這種信號(hào)無(wú)法被單片機(jī)接收，所以該 聲音信號(hào)還要經(jīng)過(guò)最后一道工序，那就是整形，由比較器整形成 0V或5V的電平信號(hào)， 之后直接傳送給單片機(jī)，有單片機(jī)對(duì)三點(diǎn)聲源信號(hào)進(jìn)行分析與處理，計(jì)算出聲源坐標(biāo)后 會(huì)顯示在液晶屏幕上。例如，開始時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)處于待機(jī)狀態(tài)，在某一時(shí)刻，聲源產(chǎn)生后，三點(diǎn)麥克風(fēng)會(huì)有序的對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行采集，經(jīng)過(guò)放大、濾波、和整形后，傳送到單 片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)會(huì)自動(dòng)的對(duì)采集到的三點(diǎn)信號(hào)進(jìn)行聲源分析與數(shù)據(jù)處理，處理完畢后會(huì) 立刻顯示在液晶屏幕上。如果麥克風(fēng)采集到的聲源信號(hào)屬干擾信號(hào)，就會(huì)被帶通濾波器 的環(huán)節(jié)被衰減掉，不會(huì)傳到單片機(jī)內(nèi)。 系統(tǒng)的詳細(xì)框圖如圖

18、2-2所示。 電源 比較器 放大器 帶通濾波器 麥克風(fēng)2 單片機(jī) 液 晶 圖2-2系統(tǒng)詳細(xì)框圖 Fig.2-2 Diagram of the system in detail 系統(tǒng)在設(shè)計(jì)思想上摒棄了以往的一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，采用了模塊化結(jié)構(gòu)，最終用 戶通過(guò)與處理器進(jìn)行人機(jī)對(duì)話，完成所有的操作。信號(hào)傳輸?shù)奈锢硗ǖ朗翘幚砥鞯妮斎?引腳接口與從設(shè)的輸出端。所有的計(jì)算均在處理器內(nèi)進(jìn)行，從設(shè)是處理器的一個(gè)外部設(shè) 備。 處理器由單片機(jī)充當(dāng)，其主要功能包括 ：接收傳聲器發(fā)送過(guò)來(lái)的信號(hào)；對(duì)該信號(hào)進(jìn)行 數(shù)據(jù)分析與處理；在液晶屏幕上顯示計(jì)算結(jié)果等。 從設(shè)由傳聲器充當(dāng)，其主要功能包括：采

19、集聲源信號(hào)；對(duì)生源先好進(jìn)行放大、濾 波、整形；將整形后的信號(hào)傳輸給單片機(jī)等。 處理器的硬件電路主要由單片機(jī)及其外圍電路構(gòu)成，外圍電路主要包括：?jiǎn)?dòng)電 路、復(fù)位電路、晶振電路、液晶電路。 從設(shè)的硬件電路主要包括：放大電路、帶通濾波電路、比較（整形）電路、供電接口 電路等幾部分。 2.2 硬件電路設(shè)計(jì) 2.2.1 單片機(jī)最小系統(tǒng)及顯示模塊設(shè)計(jì) 1）單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)包括單片機(jī)及其接口電路、復(fù)位電路、晶振電路、程序 下載電路、供電及電源擴(kuò)展電路。 其中，單片機(jī)及其接口電路，用于給外設(shè)的連接提供輸入輸出接口，本次設(shè)計(jì)需要 連接的外設(shè)有傳聲器陣列和液晶模塊，該部

20、分電路如圖 2-3所示。 P10 1 2 3 4 5 0 7 8 9 10 11 12 13 14 15 帕 P10 P1T _ Pll P12 P12 P13 P13 P14 P14 P15 P15 P16 P16 P11 P17 P3C 1 2 3 4 5 6 7 9 10 11 n 13 14 15 怕 P30 P31 P31 P32 P32 P33" 733 ?W P弘 P充 P35 P26 P36 P37 P37 P3 OUT 1 PIO 1 U

21、I PIO PJ1 fl2 P13 PJ4 Pl； P16 P17 R5T/VPD F3Q限如 r31/ri

22、O1234567 P3N7654321D VCHJ加因如popompo小吹煙F2P2P2P2P2P2P2P2 39 PQU 友~poT 36 P03 35 F04 34 F05 史 田5 32 PCI7 31 VOC 3T 29 2S F2? LCDEN P27 27 F26 RD 兩 P5 PC voc 1 POO POO J A poi 1 2 P01 FE J 4 工 上 P02 J PD3 PD3 4 PD4 J o n 1 n P04 J JE P[J5 y iu ■i 4

23、F05 J Q P06 1 1 11 13 14 1年 1 Pa5 J 。 P07 P07 4 口 1J 就 F35 P25 35 F 助 P24 24 吟 恒 23 3 函 22 PZ】 P5F 21 ~P20- P20 圖2-3單片機(jī)及其接口電路 Fig.2-3 Single chip and its interface circuit 復(fù)位電路，類似計(jì)算機(jī)的重啟，若程序跑飛會(huì)進(jìn)入死循環(huán)，可選擇按復(fù)位按鈕。 stc89c52的復(fù)位引腳RST為下降沿復(fù)位，其復(fù)位電路如圖 2-4所示。 GND 圖2-4復(fù)位電路

24、 Fig.2-4 reset circuit 晶振電路，給單片機(jī)提供工作脈沖，類似人類的心跳，同時(shí)決定單片機(jī)的工作塑速 率。stc89c52單片機(jī)最大工作頻率可以達(dá)到 32M,其晶振電路如圖2-5。 C2 HI 30pF GNDI C9 I—1Y1 T XTAL xtall 30pF 圖2-5晶振電路 Fig.2-5 xtal circuit 程序下載電路，用于計(jì)算機(jī)與單片機(jī)之間的通訊，用戶將程序下載到單片機(jī)中需要 此電路，同時(shí)也可用于調(diào)試，其程序下載電路如圖 2-6。 P15 rst Pl? P16 10 g 6 4 2 9

25、7 5 3 1 P3 POWER 電源下載 POWER P30 P31 vcc ISP 供電及電源擴(kuò)展電路，作為與電源連接的接口, 并擴(kuò)展出多路以供其他外設(shè)供電使 3W SELFLOCK GMD 圖2-6程序下載電路 Fig.2-6 Program download circuit 用，其供電及電源電源接口電路錄入 2-7所示。 P1 D1 1K LED GND 5 7 P 11 6 5 10 12 電涯擴(kuò)展 7CC GND 圖2-7供電及電源擴(kuò)展電路 Fig.2-7 Power supply and p

26、ower expansion circuit 2）顯示模塊設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：本次設(shè)計(jì)采用LCD1602作為顯示模塊，只用于顯示聲源定位坐標(biāo)。 其液晶接口電路如圖2-8所示。 LCD1 □nnnnnnnnnnnnnnn □uuunnuuuunauucu 1602LCD 16（□液晶 GND*|||— j||-GND ——i —1||- GND R3 10K 圖2-8液晶接口電路 Fig.2-8 LCD interface circuit 2.2.2 傳聲器模塊設(shè)計(jì) 1）麥克風(fēng)電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：根據(jù)本次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，麥克風(fēng)采用駐極式小話筒，為使麥克風(fēng)

27、正常 工作，需要提供+12V電源。 麥克風(fēng)電路如圖2-12所示。 圖2-9麥克風(fēng)電路 Fig.2-9 mic-level signal 2）放大電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：由于麥克風(fēng)采集的聲音信號(hào)幅值很低，為了方便單片機(jī)的接收，需要放 大聲源信號(hào)，器件選擇LM324通用放大器。 放大器電路如圖2-10所示。 圖2-10放大電路 Fig.2-10 amplifying circuit 在系統(tǒng)運(yùn)作過(guò)程中，無(wú)法避免的一些直流信號(hào)干擾，圖中 C11作為濾波使用，有效將 直流干擾信號(hào)隔離在放大電路之外。 設(shè)輸入為Ui ,輸出為Uo ,放大倍數(shù)為K,反饋回路電流為I,根據(jù)‘虛短虛

28、斷’原理, 則: Ui =I R7 (2-1) U0 = I R (2-2) 所以： 「匕=旦=72 (2-3) Ui R7 即，該放大電路對(duì)聲源信號(hào)放大了 72倍。 3)濾波器電路設(shè)計(jì) 對(duì)于信號(hào)的頻率具有選擇作用的電路稱為濾波電路，它的功能是使特定頻率范圍內(nèi) 的信號(hào)通過(guò)，而阻止其他頻率信號(hào)通過(guò)。濾波電路按是否使用運(yùn)放分為有源濾波和無(wú)源 濾波，由于有源濾波具有更高的可靠性，本次系統(tǒng)采用有源濾波電路。按截止頻率的高 低可將濾波器分為低通、高通、帶通和帶阻，設(shè)低頻段截止頻率為 fp1 ,高頻段截止頻率 為fp2,頻率為fp1和fp2之間的信號(hào)能夠通過(guò)，低于fp1或高于fp2的信號(hào)

29、被衰減，這種電 路稱為帶通濾波電路，本次設(shè)計(jì)采用帶通濾波電路。 設(shè)計(jì)思想：由高通濾波器和低通濾波器組成的 3kHz 1kHz的帶通濾波器，為了便于 采集，實(shí)現(xiàn)聲源定位的模擬，此系統(tǒng)只針對(duì) 3kHz左右(較尖銳)的聲源進(jìn)行采集，如果 想采集其他頻率的聲音，可以調(diào)整濾波電路中 R或C的值。同時(shí)，由于在系統(tǒng)工作時(shí)，不 可避免的會(huì)引入噪聲或低頻干擾，噪聲是一種頻率很高的聲音，而低頻聲音頻率很低， 這些干擾都會(huì)在此帶通濾波中得到衰減。 帶通濾波器電路如圖2-11所示 圖2-11帶通濾波電路 Fig.2-11 bandwidth-limited circuit 由圖可知，前半部分為低通

30、濾波器，后半部分為高通濾波器。由圖中參數(shù)可以算出 其截止頻率： , 1 fp1 3.38kHz (2-4) fp2 2 二”C10C14 1.69kHz (2-5) % J RR5G2c13 其中，fp1為低通濾波器的上限截止頻率， fp2為高通濾波器的下限截止頻率，即帶 同頻率為1.69kHz與3.38kHz范圍內(nèi)，基本滿足本次設(shè)計(jì)聲源頻率在 3 1kHz左右的要求。 4）整形電路設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：由于經(jīng)過(guò)放大和濾波的聲源信號(hào)不是標(biāo)準(zhǔn)的電平信號(hào)，不能被單片機(jī)接 收，需要設(shè)計(jì)整形電路對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換。電路采用一塊比較器、二極管和下拉電阻組成。 整形電路如圖2

31、-12所示。 圖2-12整形電路 Fig.2-12 shaping circuit GND 設(shè)比較電壓為Uk,則: Uk= R13 電 0.01 (2-6) Rl2 R13 如果輸入信號(hào)的幅值低于Uk,則輸出的電壓為0V;若輸入信號(hào)的幅值高于Uk,則輸 出的電壓為12V。經(jīng)過(guò)分壓得到5V的電平信號(hào)。 但是由于分壓電阻、單片機(jī)的上拉電阻、比較器輸出信號(hào)的不標(biāo)準(zhǔn)等因素，會(huì)造成 一定的誤差，但是不影響單片機(jī)對(duì)信號(hào)的接收。 二極管的作用是：基于二極管的單向?qū)ㄐ?，有效防止單片機(jī)的輸出電流輸入到比 較器的輸出端，造成信號(hào)的混疊與斷續(xù)。 2.2.3 電源模塊設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)思想：該

32、單元采用成熟的三端穩(wěn)壓集成電路，即先通過(guò)變壓器將 220V變成土 18V,再經(jīng)過(guò)橋式整流、電容濾波、穩(wěn)壓管，得到土 12V和5V的電壓。 該電源電路如圖2-13所示。 圖2-13電源模塊電路圖 Fig.2-13 Power supply module circuit diagram 2.3 系統(tǒng)干擾措施 電路一旦引入干擾或噪聲，輕聲影響精度或其他性能指標(biāo)，重者會(huì)引起誤操作，甚 至造成元器件的物理?yè)p傷。 散熱設(shè)計(jì)對(duì)電子設(shè)備的有效性和可靠性也有很大的影響，溫度的變化直接影響元器 件工作的穩(wěn)定性和可靠性，晶體管工作點(diǎn)會(huì)隨溫度變化而變化，散熱設(shè)計(jì)對(duì)于大功率器 件更是必不可少的?？?/p>

33、之，散熱設(shè)計(jì)就是要對(duì)板上的元器件及整個(gè)板子進(jìn)行熱控制，使 他們規(guī)定的溫度范圍內(nèi)工作。 布局時(shí)考慮的問(wèn)題：元器件分布均勻、集成塊方向一致間隔相等、元器件排列盡量 緊湊以縮短兩線短降低連接阻抗、對(duì)功率較大的發(fā)熱元器件外加散熱器。考慮不同電路 單元之間互相干擾的問(wèn)題。例如：將敏感的電路單元原理易產(chǎn)生干擾的電路單元，會(huì)引 起誤操作，甚至造成元器件的物理?yè)p傷；例如下列常見干擾現(xiàn)象數(shù)值電路部分和模擬電 路部分分開，根據(jù)信號(hào)電平高低的不同，高電平電路和低電平電路分開，根據(jù)工作電流 的大小不同，大電流電路和小電流電路分開，布線時(shí)間考慮的問(wèn)題：導(dǎo)線力求路徑短 捷，以減小連接阻抗，導(dǎo)線拐彎處應(yīng)為圓弧形，以免在高

34、頻電路和布線密度高的情況下 影響電氣性能，合理的接地，印制板上的實(shí)際電路，接地端的數(shù)目可能是很大的，而且 可能是各種數(shù)字、模擬、高頻、低頻、大電流、小電流電路同時(shí)共存，根據(jù)不同單元的 特點(diǎn)，在總體上突出并聯(lián)一點(diǎn)，局部上采用串聯(lián)一點(diǎn)。在沒有布線的區(qū)域填充網(wǎng)格狀的 屏蔽地平面。 3聲源定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 3.1 軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介 系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各種功能。C語(yǔ)言本身帶有各種函數(shù)庫(kù)，算術(shù)運(yùn)算能力較 強(qiáng)，而本次設(shè)計(jì)中算術(shù)運(yùn)算又比較多且比較復(fù)雜，利用 C語(yǔ)言編程優(yōu)勢(shì)完全可以體現(xiàn)出 來(lái)。 系統(tǒng)的軟件部分主要在單片機(jī)上運(yùn)行，它為最終用戶提供友好的人機(jī)界面。用戶可 以方便地觀察聲源定位的坐標(biāo)。單片機(jī)在

35、接收完聲源信號(hào)后，由軟件自動(dòng)計(jì)算出聲源坐 標(biāo)，用戶可以很直觀在地屏幕上觀察測(cè)試的結(jié)果。軟件功能主要集中于“時(shí)差法定位聲 源坐標(biāo)”功能算法上，它需要完成：等待最先到達(dá)的聲源信號(hào)；記錄后兩次聲源信號(hào)的 達(dá)到時(shí)間；對(duì)時(shí)間數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到聲源坐標(biāo)。 開始時(shí)，系統(tǒng)對(duì)使用的模塊進(jìn)行初始化處理，包括定時(shí)器初始化和液晶初始化。然 后，系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)，等待第一次聲源信號(hào)的到達(dá)。 當(dāng)?shù)谝淮温曉葱盘?hào)達(dá)到后，系統(tǒng)先對(duì)該到達(dá)信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷該信號(hào)為那個(gè)傳聲 器先采集到的，判斷完成后，將自身定時(shí)器數(shù)值清零，進(jìn)入對(duì)應(yīng)的程序段，繼續(xù)等待下 一聲源信號(hào)的到來(lái)。例如，傳聲器 1最先采集到聲源信號(hào)，處理后送給單片機(jī)，單片

36、機(jī) 判斷該聲源信號(hào)為傳聲器 1先采集到的，立即清零定時(shí)器數(shù)值，然后跳入對(duì)應(yīng)程序段， 等待傳聲器2或傳聲器3的下一聲源信號(hào)到來(lái)。 當(dāng)?shù)诙温曉葱盘?hào)到達(dá)后，系統(tǒng)再次對(duì)該到達(dá)信號(hào)進(jìn)行判斷，判斷完成后，記錄此 刻的定時(shí)器數(shù)值記為t1,然后進(jìn)入對(duì)應(yīng)的程序段，繼續(xù)等待第三次聲源信號(hào)的到達(dá)。例 如，第一次達(dá)到的是傳聲器 1送來(lái)的信號(hào)，第二次聲源信號(hào)到來(lái)后，系統(tǒng)進(jìn)行判斷后， 確認(rèn)該信號(hào)是傳聲器2送來(lái)的信號(hào)，記錄從傳聲器1信號(hào)達(dá)到到傳聲器2信號(hào)到達(dá)所經(jīng) 歷的時(shí)間（即定時(shí)器數(shù)值），然后繼續(xù)等待第三次聲源信號(hào)的到達(dá)。 當(dāng)?shù)谌温曉葱盘?hào)到達(dá)后，立即記錄此刻的定時(shí)器數(shù)值記為 t2,然后跳入對(duì)應(yīng)程序 段。例如，第三次

37、到達(dá)的聲源信號(hào)是傳聲器 3送來(lái)的，記錄此時(shí)定時(shí)器數(shù)值 t2,至此， 聲源信號(hào)接收階段完畢。 當(dāng)兩次時(shí)差t1和t2數(shù)值全部更新完畢后，系統(tǒng)進(jìn)入聲源坐標(biāo)計(jì)算程序段，具體的計(jì) 算過(guò)程將在’時(shí)差定位算法子程序設(shè)計(jì)’中詳細(xì)闡述。 通過(guò)以上分析可以知道，系統(tǒng)的軟件相對(duì)來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，按照自頂向下的設(shè)計(jì)思想 和模塊化設(shè)計(jì)的觀點(diǎn)，設(shè)計(jì)出了下面的流程圖（僅一種情況）圖 3-1。 開始 定時(shí)器初始化 液晶顯示初始化 等待第一個(gè) 信號(hào)到達(dá) 清空定時(shí)器數(shù)值 等待下一信號(hào)的 到達(dá) 記錄 定時(shí)器時(shí)間t1 N 圖3-1軟件系統(tǒng)流程圖 Fig.3-1 Software system f

38、low chart 本程序是在 WindowsXP環(huán)境下采用keil4軟件編寫的，實(shí)現(xiàn)對(duì)聲源時(shí)差的記錄和聲 源坐標(biāo)的計(jì)算與顯示。上文己經(jīng)對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件功能作了明確的劃分，并對(duì)軟件的 功能提出了明確的要求。接下來(lái)將具體介紹軟件結(jié)構(gòu)，并對(duì)其中主要的模塊所涉及的技 術(shù)進(jìn)行詳細(xì)闡述。 3.2 軟件程序設(shè)計(jì) 3.2.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì) 主程序完成的

39、任務(wù)主要是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行進(jìn)行必要的初始化，并調(diào)用子程序來(lái)完 成各項(xiàng)任務(wù)。 初始化函數(shù)包括對(duì)定時(shí)器和液晶顯示的初始化，其中，選用的是定時(shí)器 0,用來(lái)存儲(chǔ) 聲源依次到達(dá)三點(diǎn)所需要的時(shí)間，而液晶的初始化是為顯示做必要的準(zhǔn)備。 系統(tǒng)主程序的流程框圖如圖3-2所示。 圖3-2主程序流程圖 Fig.3-2 The main program flow chart 圖中，坐標(biāo)測(cè)量函數(shù)與坐標(biāo)顯示函數(shù)實(shí)現(xiàn)的功能分別是坐標(biāo)的計(jì)算與坐標(biāo)的顯示。 在主程序中，這兩個(gè)函數(shù)將被循環(huán)調(diào)用。如果單片機(jī)運(yùn)算速度足夠快，可實(shí)現(xiàn)對(duì)連續(xù)的 聲音進(jìn)行實(shí)時(shí)采集、運(yùn)算和顯示。 主程序的編程界面如圖3-3所示： ，

40、山』 一 G void init_mcu() ?與5手看“我。叩1 1WJ Q NUEht . C FF -1■:1 Laur a. c + m ZiFC + 囪 4 i i*l vy q 十，)■“運(yùn)E TMOD=0kO1； TH0=0; TL^0； 丁Rg=l; void main() ( init_mcu(); init_1602C)； lnit_display(); while(l) ( mieasure(); dlsplay()j } 圖3-3主程序編程界面 Fig.3-3 The main program programming interf

41、ace 主程序的工作過(guò)程是這樣的：系統(tǒng)上電后，程序開始調(diào)用定時(shí)器初始化函數(shù)，打開 定時(shí)器T0,設(shè)置定時(shí)器工作方式為方式一，即 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器工作方式，并置位定 時(shí)器0工作允許位TR0o由于本次程序沒有用到定時(shí)器中斷，所以沒有對(duì)中斷允許喂 EA 和ET0置位。然后系統(tǒng)調(diào)用液晶初始化函數(shù)，這個(gè)函數(shù)包括打開 1602的顯示、設(shè)置為8 位數(shù)據(jù)接口、不顯示光標(biāo)、寫一個(gè)字符后地址指針自增一、顯示請(qǐng) 0、數(shù)據(jù)指針清0等。 接著進(jìn)入大循環(huán)中，不斷的依次調(diào)用坐標(biāo)測(cè)量函數(shù)和坐標(biāo)顯示函數(shù)，這樣，如果有聲源 產(chǎn)生，在宏觀上就可以看到液晶顯示器上顯示出聲源坐標(biāo)。 3.2.2 時(shí)差定位算法子程序設(shè)計(jì) 在

42、第一章我們概述了聲源定位的三種原理：模擬人雙耳的定位原理，基于到達(dá)時(shí)間 差的定位原理和基于聲壓幅度比的定位原理。在我們實(shí)現(xiàn)的室內(nèi)聲源定位系統(tǒng)中，我們 使用一種基于直達(dá)聲到達(dá)時(shí)間差的聲源定位算法。 可以想象，當(dāng)聲源發(fā)出時(shí)，由于聲源距離三個(gè)傳聲器的遠(yuǎn)近是不同的，所以三個(gè)傳 聲器一定是依次接收并傳送。這樣的話，單片機(jī)一定要一個(gè)一個(gè)的算出傳播時(shí)間。所謂 時(shí)差，就是在收到第一個(gè)傳聲器發(fā)來(lái)的信號(hào)后開始計(jì)時(shí)，等到接收到第二個(gè)傳聲器發(fā)來(lái) 信號(hào)，中間這段時(shí)間記為時(shí)間 1,等第三個(gè)傳聲器發(fā)來(lái)信號(hào)后，這段時(shí)間記為時(shí)間 2,根 據(jù)時(shí)間1與時(shí)間2可以計(jì)算出聲源坐標(biāo)。 程序流程圖如圖3-4所示。 是 定時(shí)器數(shù)

43、值清零 并繼續(xù)等待一 其他傳聲器 是 否 定時(shí)器數(shù)值清零 并繼續(xù)等待一 其他傳聲器 是 I 記錄時(shí)間 調(diào)用坐標(biāo)計(jì)算函數(shù) 否 圖3-4時(shí)差定位算法程序流程圖 Fig.3-4 Time localization algorithm process flow diagram 該過(guò)程所涉及的變量較多，為了便于下面的分析，這里羅列如下: 三個(gè)接收引腳標(biāo)號(hào)：a、b、c； 三個(gè)傳聲器標(biāo)志位：flag_a、flag_b、flag_c； 六個(gè)用于記錄時(shí)間差的變量：a_t1、a_t2； b_t1、b_t2; c_t1、c_t2; 一個(gè)用于超時(shí)判斷并返回主程序的標(biāo)志位：fl

44、ag_out ； 其編程界面如圖3-5所示： ElLh 如 告 直:《r ftajtct Flfit atj|； f；ptian：x lacli *L=dcr 3*1; id』 -J - - 2> ? i /叫 心? 國(guó)二]A 巴 WULU-B.-E . E -tsu. 金口:?f j -行70七1 H白粗皿0 1 J J CIEEit：. C ffll D12 D13 void measure() 克 bit flag_a=9; “傳聲器由檢剿標(biāo)志位 + 洞際- 014 bit "傳聲器El檢涮標(biāo)志位 生總市皿vC + 3 3d 1 D15 bi

45、t flag_c=0； 〃傳聲器（:檢測(cè)標(biāo)志位 軟 H 016 cut D18 DIS DOO 直1 鰭 期 W UK OS W 隘 陵 的0 D3I 境 酬 Jh bit flagl; bit flag2; ulnt a_tl=0fa_t2=0； Hint b_tl=0>b_t2=e； uint bit flag_out=^; while(l) ( if(a=-0) ( TNg皿 TL0=9; fla_a=l; break; ) if(b==e) 」 ] "聲源差1聚集完成標(biāo)志?也 〃聲源差2呆集完成標(biāo)志位 “傳聲器A光檢測(cè)到聲源的時(shí)同變

46、量 "借擊器日光檢測(cè)到聲源的時(shí)同變量 “傳聲器C先檢利到聲源的時(shí)代變親 〃測(cè)量完成標(biāo)志位 〃判斷傳聲器A是否檢池到信號(hào) “清空定時(shí)器 〃傳擊器4檢測(cè)完成 O ftrt】& ftrtart 圖3-5子程序編程界面 Fig.3-5 Subroutines programming interface 時(shí)差定位算法具體工作過(guò)程是這樣的：首先，主程序進(jìn)入等待狀態(tài)，等待聲源信號(hào) 的產(chǎn)生，表現(xiàn)在單片機(jī)內(nèi)部就是接受聲源的引腳產(chǎn)生低電平的跳變，如果無(wú)低電平跳 變，單片機(jī)將一直等待，如果產(chǎn)生低電平，先將定時(shí)器內(nèi)的計(jì)數(shù)清零，然后將對(duì)應(yīng)的標(biāo) 志位置1,則系統(tǒng)會(huì)進(jìn)入對(duì)應(yīng)的循環(huán)程序段內(nèi)。例如，如果

47、傳聲器 B先發(fā)來(lái)低電平信號(hào)， 即b=0,首先清空定時(shí)器TH0=0、TL0=0;然后置位flag_b=1,系統(tǒng)根據(jù)flag_b的置位情 況，選擇進(jìn)入對(duì)應(yīng)的程序段，該程序段內(nèi)繼續(xù)等待傳聲器 A或傳聲器C發(fā)來(lái)低電平信 號(hào)，假如傳聲器A發(fā)來(lái)第二個(gè)低電平信號(hào)，即a=0,立刻記錄此時(shí)定時(shí)器所存儲(chǔ)的時(shí)間為 b_t1,然后繼續(xù)等待最后一個(gè)傳聲器發(fā)來(lái)低電平信號(hào)，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)傳聲器發(fā)來(lái)信號(hào)后，即 c=0,立刻記錄此時(shí)定時(shí)器所存儲(chǔ)的時(shí)間為 b_t2,這樣，由于兩個(gè)時(shí)間差都得到了，接下 來(lái)調(diào)用坐標(biāo)計(jì)算函數(shù)，在那個(gè)函數(shù)里，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)時(shí)間差來(lái)求得聲源坐標(biāo)。 在上述過(guò)程中，如果聲音信號(hào)沒有及時(shí)到達(dá)，系統(tǒng)會(huì)進(jìn)行超時(shí)判斷，

48、超時(shí)之后會(huì)放 棄已經(jīng)記錄的數(shù)據(jù)，回到主函數(shù)，并繼續(xù)等待。 上面闡述的是單片機(jī)如何工作的，接下來(lái)分析坐標(biāo)是如何得到的。坐標(biāo)分析如圖 3-6 所示。 Fig.3-6 Coordinate analysis schemes 如圖，設(shè)。點(diǎn)為原點(diǎn)傳聲器、A點(diǎn)為x軸上傳聲器、B點(diǎn)為y軸上傳聲器，C為待 求聲源坐標(biāo)。 (3.1) 假定，O點(diǎn)最先檢測(cè)到聲源，以 O點(diǎn)為圓心做圓，連接 AC、BC,設(shè)圓周長(zhǎng)為r,圓 外長(zhǎng)度分別為ri、r2,設(shè)經(jīng)過(guò)ri需要時(shí)間為t1,經(jīng)過(guò)r2需要時(shí)間為t2,聲速為v (v=340m/s),可得： ri =vti 由圖，根據(jù)歐股定理，可得: 2 2 2 r

49、=x y 2 2 2 (r ri) =x (60- y) (r r2) =(60- x) y 將式3.3、式3.4、式3.5極坐標(biāo)化，得： 2 2 2r r2 r2 -60 - 二 co s -1 20 2 2 2r 〃 r1 一60 .sin -12 0 因?yàn)閟in2 H+cos2日=1 ,所以： 2 9 2 9 9 (2r r2 -r2 -602) (2r r1 - r1 -602) = (1 2 0)2 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 最后，將式3.1、式3.2代入式3.8,解得： — 22— 22_ _2 (2r vt2 -vt2 -602)

50、+(2r vti -vt1 -602)=(1 2。2 (3.9) 這樣，只要知道到達(dá)時(shí)間t1、t2,就可以由式3.9求出r,最后再由式3.3、式3.4和 式3.5求出x和V。 以上就是基于時(shí)差法聲源定位的原理分析。 # 遼寧工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4系統(tǒng)的仿真與調(diào)試 整個(gè)聲源系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)完成后，就可以進(jìn)行系統(tǒng)的總裝，然后進(jìn)入系統(tǒng) 整體調(diào)試和仿真階段。 4.1硬件聯(lián)調(diào) 1）系統(tǒng)總裝 本次聲源定位系統(tǒng)對(duì)聲源的捕捉范圍是 60*60 cm2,圖4.1為本次系統(tǒng)的安裝實(shí)物 圖4.1實(shí)物圖 Fig.4-1 Installation real figure

51、 圖中，AB、AC距離均為60cm, A、B、C三點(diǎn)分別安裝三個(gè)傳聲器，三點(diǎn)傳聲器分 別引出信號(hào)線和電源線，信號(hào)線連接單片機(jī)信號(hào)輸入引腳，電源線連接穩(wěn)壓電源 12V, 2）硬件調(diào)試 系統(tǒng)組裝完成后，需要進(jìn)行硬件的調(diào)試，如果硬件系統(tǒng)聯(lián)調(diào)沒有通過(guò)，軟件聯(lián)調(diào)就 無(wú)法進(jìn)行。 首先，打開電源，觀察單片機(jī)、傳聲器的電源指示燈是否點(diǎn)亮，如果指示燈不亮， 證明整個(gè)系統(tǒng)沒有供電，需檢查電源開關(guān)是否開啟或接觸不良，檢查導(dǎo)線是否有斷路， 檢查各個(gè)硬件模塊的電源與接地端是否虛焊等等。 如果系統(tǒng)電源供電正常，接著調(diào)試傳聲器是否正常工作。用電壓表分別測(cè)試三個(gè)傳 聲器輸出引腳的電平變化，經(jīng)過(guò)第二章的分析可知，

52、經(jīng)過(guò)傳聲器的放大、濾波、整形后 得到標(biāo)準(zhǔn)的低電平信號(hào)，當(dāng)有聲源信號(hào)產(chǎn)生，如果輸出端輸出低電平，證明傳聲器工作 正常。 最后調(diào)試單片機(jī)最小系統(tǒng)各個(gè)功能是否完善，如下載程序、復(fù)位功能、引腳是否有 相應(yīng)的電平輸出、液晶是否正常顯示等。 經(jīng)過(guò)以上步驟對(duì)硬件系統(tǒng)的聯(lián)調(diào)，各部分均工作正常。 4.2 軟件聯(lián)調(diào) 在硬件聯(lián)調(diào)成功后，可以進(jìn)行軟件聯(lián)調(diào)。在軟件聯(lián)調(diào)過(guò)程中，不但會(huì)發(fā)現(xiàn)軟件錯(cuò) 誤，也會(huì)發(fā)現(xiàn)一些在硬件調(diào)試階段未發(fā)現(xiàn)的硬件故障或設(shè)計(jì)欠缺，并予以修改。 軟件聯(lián)調(diào)主要針對(duì)以下幾個(gè)方面： 1）液晶是否可以正常顯示 2）聲源產(chǎn)生后，系統(tǒng)是否迅速做出判斷 3）系統(tǒng)是否能計(jì)算出較精確的坐標(biāo)值 經(jīng)過(guò)聯(lián)調(diào)

53、，以上問(wèn)題均已解決，可以達(dá)到系統(tǒng)要求。 4.3 系統(tǒng)調(diào)試 在硬件聯(lián)調(diào)和軟件聯(lián)調(diào)完成后，還應(yīng)進(jìn)行全系統(tǒng)的硬件、軟件統(tǒng)調(diào)，也即通過(guò)模擬 工作的實(shí)際環(huán)境等，研究、分析系統(tǒng)性能。 進(jìn)行本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)，總共進(jìn)行了三次模擬調(diào)試，前兩次調(diào)試均發(fā)現(xiàn)一些嚴(yán)重 的問(wèn)題，現(xiàn)將數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在下面的表格中，并加以分析和說(shuō)明。 1）調(diào)試過(guò)程一： 表4-1調(diào)試一的數(shù)據(jù) Tab.4-1 Commissioning a data 測(cè)試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,0 15,0 30,0 60,0 0,15 0,30 0,60 15,15 30,30

54、 60,60 測(cè)試數(shù)據(jù) X X X X X X X 17,19 23,27 X 由表4-1可知，10次測(cè)試有8次數(shù)據(jù)為X （X表示數(shù)據(jù)為亂碼），表明該系統(tǒng)存在 嚴(yán)重的干擾問(wèn)題，分析可知，整個(gè)測(cè)試裝置是平放在地面上的，裝置與地面是直接接觸 的，而且聲源的產(chǎn)生時(shí)通過(guò)敲擊地面實(shí)現(xiàn)的，猜測(cè)可能是因?yàn)榈孛媛曇舻膫鲗?dǎo)比空氣的 迅速，導(dǎo)致傳聲器最先采集的聲源信號(hào)是由大地送過(guò)來(lái)的，對(duì)傳聲器的采集造成了嚴(yán)重 干擾。 解決方案：我們選擇將裝置固定在一塊具有一定厚度的紙板上，并選擇在空氣中制 造聲源，進(jìn)而減小地面?zhèn)鲗?dǎo)對(duì)系統(tǒng)造成的干擾 2）調(diào)試過(guò)程二: 表4-2調(diào)試二的數(shù)據(jù) Tab

55、.4-2 Commissioning of the data 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 實(shí)際數(shù)據(jù) 0,0 15,0 30,0 60,0 0,15 0,30 0,60 15,15 30,30 60,60 測(cè)試數(shù)據(jù) X 22,17 37,15 37,22 14,23 16,22 X 24,43 27,36 79,63 由表4-2可知，10次測(cè)試數(shù)據(jù)只有2次為X,表明系統(tǒng)對(duì)大地傳導(dǎo)產(chǎn)生了很好的抗 干擾能力，但是新的問(wèn)題由出現(xiàn)了，即實(shí)際數(shù)據(jù)與測(cè)試數(shù)據(jù)相差較大，達(dá)不到系統(tǒng)要求 的士5cm的要求，所以需要繼續(xù)改進(jìn)。我

56、們猜測(cè)，會(huì)不會(huì)在聲源采集過(guò)程中，某個(gè)傳聲器 “聽不太清”，即第一次聲音沒有捕捉到，而把回聲或地傳導(dǎo)的聲音給捕捉了，如果這 邊聲源一產(chǎn)生，傳聲器就能采集到一定不會(huì)發(fā)生誤差過(guò)大的現(xiàn)象。 解決方案：給每個(gè)傳聲器的麥克都裝上喇叭，用來(lái)提高聲音采集的“清晰度”，提 高傳聲器捕捉第一次聲源信號(hào)的能力。 3）調(diào)試過(guò)程三： 表4-3調(diào)試三的數(shù)據(jù) Tab.4-3 Commissioning of the three data 測(cè)試次數(shù) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0,0 15,0 30,0 60,0 0,15 0,30 0,60 15,15 30

57、,30 60,60 測(cè)試數(shù)據(jù) 10,11 19,9 31,7 56,5 13,17 7,33 8,55 17,20 31,33 62,64 由表4-2可知，這次測(cè)試數(shù)據(jù)比較理想，不但沒有 X的出現(xiàn)，數(shù)據(jù)誤差也基本穩(wěn)定 在5cm左右的范圍內(nèi)，但仔細(xì)分析還可以發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)對(duì)邊界數(shù)據(jù)采集的誤差較大，這 個(gè)現(xiàn)象與傳聲器的擺放角度有一定的關(guān)系，可通過(guò)改變傳聲器結(jié)構(gòu)來(lái)解決，本次設(shè)計(jì)未 做到這一點(diǎn)。 5技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析 經(jīng)計(jì)算，該系統(tǒng)的器件所花費(fèi)的總額為 122.3元，其器件清單如下所示: 表5-1器件清單 Tab.5-1 Device list 器件名稱 數(shù)量 單

58、價(jià)（元） 金額（元） STC89C52單片機(jī) 2 4.5 9.0 覆銅板 10塊 0.5 5.0 晶振 3個(gè) 0.6 1.8 LCD1602 1塊 15.0 15.0 駐極話筒 3個(gè) 1.0 3.00 LM324N 3個(gè) 1.5 4.5 變壓器 1塊 22.0 22.0 整流橋 1個(gè) 2.0 2.0 穩(wěn)壓器 4個(gè) 3.0 12.0 電阻 0.01 5.0 電容 0.02 5.0 杜邦線 0.01 5.0 焊錫 1卷 33.0 33.0 經(jīng)濟(jì)分析：本次聲音定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以較低的開

59、銷，完成了較高的設(shè)計(jì)指標(biāo)，并且 在系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試的過(guò)程中，均沒有出現(xiàn)大的問(wèn)題，比如器件的燒毀等，所以，本次設(shè) 計(jì)具有較高的性價(jià)比。 47 6結(jié)論 本文參閱了大量相關(guān)文獻(xiàn)資料，首先對(duì)聲源定位研究課題的研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹， 并對(duì)三種聲源定位方法的優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍進(jìn)行了介紹，說(shuō)明了選擇基于時(shí)間差方法的 原因，對(duì)聲源定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹，提出了自己的數(shù)據(jù)采集系 統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。為了更準(zhǔn)確的闡述聲源定位原理，細(xì)致的分析了基于時(shí)間差聲源定位方法 的理論分析與定位過(guò)程。最后對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試與聯(lián)調(diào)，并針對(duì)測(cè)試結(jié)果對(duì)系統(tǒng)加 以改進(jìn)。通過(guò)研究可以得出以下結(jié)論： 1）基于聲壓幅度比的

60、定位方法是很經(jīng)典的定位聲源坐標(biāo)的例子。但它的應(yīng)用范圍有 一定的局限性，精度也比較差，為此，本設(shè)計(jì)適用了基于時(shí)間差的聲源定位法，該法具 有適用范圍光，測(cè)試速度快，精度高等優(yōu)點(diǎn)。 2）設(shè)計(jì)高質(zhì)量的傳聲器及前置放大器、帶通濾波器和整形電路有利于獲得正確的定 位結(jié)果。只有對(duì)聲源信號(hào)進(jìn)行正確的前置處理，系統(tǒng)才能更準(zhǔn)確對(duì)聲源坐標(biāo)進(jìn)行定位。 因此，必須提高傳聲器的性能。 3）對(duì)各種干擾要進(jìn)行必要的處理措施。最直接的是電源噪聲的影響，電源噪聲會(huì)影 響前置放大器的性能，回聲的干擾會(huì)影響系統(tǒng)的精度，系統(tǒng)的工作地點(diǎn)要盡量避免在高 電磁、高電壓的環(huán)境中等等。 本文只在定位系統(tǒng)上做了一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)，嘗試各種算法并

61、得到一個(gè)最滿意的結(jié)果 將是我們下一步要做的事情。 致謝 在此畢業(yè)設(shè)計(jì)結(jié)束之際，首先要感謝我的指導(dǎo)教師閆孝姮老師，在閆老師的悉心指 導(dǎo)下，我走過(guò)了本科生活的組以后一個(gè)重要環(huán)節(jié)，順利完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)。 特別感謝我的父母，對(duì)我16年學(xué)習(xí)生活長(zhǎng)期默默的支持和鼓勵(lì)，有了他們，才有我 的今天。 感謝我的同學(xué)們，在查找相關(guān)資料和繪圖過(guò)程中，我得到了同學(xué)們的熱情而友好的 幫助。畢業(yè)在即，愿老師桃李滿天下！愿父母身體健康！愿同學(xué)們前程似錦！愿好人一 生平安！ 參考文獻(xiàn) [1]邱關(guān)源，羅先覺.電路[M].第五版.北京:高等教育出版社，2000. [2]童詩(shī)白，華成英.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].第四版.北

62、京:高等教育出版社，2006. [3]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)[M].第三版.北京：清華大學(xué)出版社，2005. [4]張毅剛，彭喜元，董繼成.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].第一版.北京：高等教育出版社,2003. [5]何立民.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].第七版.北京：北京航天航空大學(xué)出版社，1990. [6]劉樂(lè)善.微型計(jì)算機(jī)接口及應(yīng)用[M].第七版.北京:華中科技大學(xué)出版社,1995. [7]高吉祥，王曉鵬，宋克慧.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)at競(jìng)賽培訓(xùn)教程 [M].第一版.北京：電子工業(yè)出版社,2011. [8]郭天祥.51單片機(jī)C語(yǔ)言教程[M].第四版.北京：電子工業(yè)出版社,2010. [9]楊

63、欣.電子設(shè)計(jì)從零開始[M].第二版.北京:清華大學(xué)出版社,2010. [10]陳可，聲源定位系統(tǒng)的研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)碩士 ,2003. [11]林志斌，徐柏齡.基于傳聲器陣列的聲源定位 [C].電聲技術(shù)，2004,38?41. [12]馮海濤，喬崇，邢濤.基于傳聲器陣列的聲源定位 [C].電聲技術(shù)，2003,34?37. [13]邵懷宗.基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位研究 [J].云南民族大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004,13(4):256~258 [14] Jie Huang:Ohnishi.N:Sugie.N. "A biomimetic system for loca

64、lization and separation of multiple so und sources"[J]. Instrumentation and Measurement. IEEE Transactions on Volume 44,Issue 3. Jue 1995. Page(s): 733-738. 附錄A 譯文 微機(jī)發(fā)展簡(jiǎn)史 第一臺(tái)存儲(chǔ)程序的計(jì)算開始出現(xiàn)于1950前后，它就是1949年夏天在劍橋大學(xué)，我 們創(chuàng)造的延遲存儲(chǔ)自動(dòng)電子計(jì)算機(jī)（EDSAC）。 最初實(shí)驗(yàn)用的計(jì)算機(jī)是由象我一樣有著廣博知識(shí)的人構(gòu)造的。我們?cè)陔娮庸こ谭矫?都有著豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且我們深信這些經(jīng)驗(yàn)對(duì)我們大有

65、裨益。后來(lái)，被證明是正確的， 盡管我們也要學(xué)習(xí)很多新東西。最重要的是瞬態(tài)一定要小心應(yīng)付，雖然它只會(huì)在電視機(jī) 的熒幕上一起一個(gè)無(wú)害的閃光，但是在計(jì)算機(jī)上這將導(dǎo)致一系列的錯(cuò)誤。 在電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們經(jīng)常陷入兩難的境地。舉例來(lái)說(shuō)，我可以使用真空二級(jí) 管做為門電路，就象在EDSAC中一樣，或者在兩個(gè)柵格之間用帶控制信號(hào)的五級(jí)管，這 被廣泛用于其他系統(tǒng)設(shè)計(jì)，這類的選擇一直在持續(xù)著直到邏輯門電路開始應(yīng)用。在計(jì)算 機(jī)領(lǐng)域工作的人都應(yīng)該記得 TTL、ECL和CMOS,到目前為止，CMOS已經(jīng)占據(jù)了主導(dǎo) 地位。 在最初的幾年，IEE （電子工程師協(xié)會(huì)）仍然由動(dòng)力工程占據(jù)主導(dǎo)地位。為了讓 IEE 認(rèn)識(shí)到無(wú)

66、線工程和快速發(fā)展的電子工程并行發(fā)展是它自己的一項(xiàng)權(quán)利，我們不得不面對(duì) 一些障礙。由于動(dòng)力工程師們做事的方式與我們不同，我們也遇到了許多困難。讓人有 些憤怒的是，所有的IEE出版的論文都被期望以冗長(zhǎng)的早期研究的陳述開頭，無(wú)非是些 在早期階段由于沒有太多經(jīng)驗(yàn)而遇到的困難之類的陳述。 60年代的鞏固階段 60年代初，個(gè)人英雄時(shí)代結(jié)束了，計(jì)算機(jī)真正引起了重視。世界上的計(jì)算機(jī)數(shù)量已 經(jīng)增加了許多，并且性能比以前更加可靠。這些我認(rèn)為歸因與高級(jí)語(yǔ)言的起步和第一個(gè) 操作系統(tǒng)的誕生。分時(shí)系統(tǒng)開始起步，并且計(jì)算機(jī)圖形學(xué)隨之而來(lái)。 綜上所述，晶體管開始代替正空管。這個(gè)變化對(duì)當(dāng)時(shí)的工程師們是個(gè)不可回避的挑 戰(zhàn)。他們必須忘記他們熟悉的電路重新開始。只能說(shuō)他們鼓起勇氣接受了挑戰(zhàn)，盡管這 個(gè)轉(zhuǎn)變并不會(huì)一帆風(fēng)順。 小規(guī)模集成電路和小型機(jī) 很快，在一個(gè)硅片上可以放不止一個(gè)晶體管，由此集成電路誕生了。隨著時(shí)間的推 移，一個(gè)片子能夠容納的最大數(shù)量的晶體管或稍微少些的邏輯門和翻轉(zhuǎn)門集成度達(dá)到了 一個(gè)最大限度。由此出現(xiàn)了我們所知道 7400系列微機(jī)。每個(gè)門電路或翻轉(zhuǎn)電