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声音定位系统（D题） 摘要：本系统以低功耗单片机MSP430为控制核心，通过移动声源模块和声音 信号接收模块，实现了在规定区域内对移动声源的精准定位。系统主要由声响模 块、声音接收模块及数据处理模块三个模块构成。其中声响模块由声音信号产生 电路、功率放大电路和扬声器构成，主要功能是实现声音信号的产生，在1.6V 电源供电的基础上利用三极管搭建功率放大电路实现对声音信号的放大。声音接 收模块主要由驻极体、滤波电路、信号放大电路及信号变换电路构成。主要实现 功能是声音信号的接收及信号的变换，将接收到的声音信号进行放大并转换成便 于控制器处理的信号。数据处理模块主要由控制器及显示屏组成，主要功能是对 采集到的信号进行处理，测量时间的差值，最后将分析的坐标结果进行显示，本 系统基本可以实现移动声源的坐标定位，并且声响部分功耗小于200mW满足题目 要求。 关键字：低功耗 声音采集 测量时差 定位显示。 一、系统方案 1.1 总体方案设计 如图1所示，本系统主要由声响模块、声音接收模块和显示模块构成。声响 模块的声音信号为500Hz的方波，该信号由单片机产生，声音信号经过由三极管 搭建的互补放大电路之后驱动扬声器发声。 接收电路的接收头采用驻极体话筒，利用放大电路将接收到的信号进行放 大，之后再经过带通滤波电路将有用的信号提取出来，然后经过信号变换电路将 信号变换为便于控制器处理的方波，最后单片机将接收到的信号进行处理，测量 出声音信号到达各个接收模块的时间差值，然后通过算法处理将具体的坐标计算 出来并进行显示。 图1系统总体框图 2.方案论证 2.1声响模块 方案1采用集成功放驱动扬声器，此方法可以使扬声器获得较大的功率，为 接收电路提供了方便，但缺点是功耗过大满足不了题目中低功耗的要求。 方案2采用三极管搭建互补放大电路，由于三级管的导通压降非常小，自身 消耗的功率几乎可以不计，所以可以达到很高的效率，同时电路具有较好的功率 放大效果，电路搭建简单方便，可以满足题目低功耗的要求，所以本模块采用此 方案。 2.2 算法设计 方案1：余弦定理法。 该方法可求出可移动声源当前所在位置，可以使声源到达任意指定的位置， 但是其计算量和数据量均较大，适合在具有较高处理速度和较大RAM的控制器上 运行，不满足题目中对于性价比的要求。 方案2：相位差法。 通过测量接收信号的相位差值来计算时间差值， 利用所得时间差值通过算法处理将坐标定位，操作方 法简单，计算量和数据量的相对于方案一减小很多， 而且便于电路测量，可以满足题目要求。所以采用此 方案。 二、理论分析与计算 2.1 声响模块 由题可知声响模块一定含有声音信号放大电路，如果采用集成功放，那么就 达不到功耗小于200mW的题目要求，而且要求电源小于3V供电，一般功放都是5V 以上供电，如果采取D-C变换进行升压则会降低系统的效率。考虑到以上种种因 素，本系统决定用普通三极管搭建互补放大电路，三极管采用8050，该三极管具 有导通电阻小，放大倍数高，自身功耗极低，经过测试如果采用3V进行供电， 三极管集电极电流小于50mA，导通电压极小几乎可以不计，可以达到较高的效率。 声音信号由TI公司的单片机MSP430产生，该单片机是一款超低功耗单片机，供 电电压最小可以达到1.8V，采用3V供电可以满足要求。这样整个系统就可以只 用一节小于3V的电池进行供电，工作电流小于80mA，满足题目中功耗小于200mW 的要求。 2.2 声音接收电路 根据2.1中分析，扬声器的获得的功率小于0.2W,采用驻极体接收时，需要调 整驻极体串接到电电源的电阻，得到它的共振点以获得较大的信号，如果隔直电 ∼ 容选取0.1uF的瓷片电容，经调试串接电阻选取18.3K是最佳的效果，在5 10cm 范围内可以获得大约80mV∼240mV的声音信号。考虑到声源距离接收电路的距离 最大要超过50cm，那么驻极体获得的信号只有几毫伏，那么就要求放大电路有一 个较高的放大倍数。根据以上分析决定放大芯片采用OP27,该放大器在题目要求 的低频范围下可以实现1000倍以上的放大倍数，放大电路采用同相放大，并在输 入端并接200K的电阻一匹配驻极体的输出电阻，反馈电阻