基于51單片機(jī)的聲音定位系統(tǒng)電路與源程序設(shè)計(jì)

ID:58647 · 發(fā)表于 2021-7-11 18:49

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設(shè)計(jì)一套聲音定位系統(tǒng)。在一塊不大于 1m2 的平板上貼一張 500mm×350mm

的坐標(biāo)紙，在其四角外側(cè)分別固定安裝一個(gè)聲音接收模塊，聲音接收模塊通過導(dǎo)

線將聲音信號傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，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信號，判定聲響模塊所在的位置坐標(biāo)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖 1 所示。

2.1 要求

圖 1 聲音定位系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

(1) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)聲響模塊，含信號產(chǎn)生電路、放大電路和微型揚(yáng)聲器等，每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號持續(xù)時(shí)間約為 1s。要求聲響模塊采用 5V 以下電池供電，功耗不大于 200mW。

(2) 設(shè)計(jì)制作四路聲音接收模塊，由麥克風(fēng)、放大電路等組成，并分別與信息處理模塊相連接，以便將聲音信號傳送至信息處理模塊。

(3) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)信息處理模塊，要求該模塊能根據(jù)從聲音接收模塊傳來的信號判斷聲響模塊所在位置的 x、y 坐標(biāo)，并以數(shù)字形式顯示 x、y 坐標(biāo)值，位置坐標(biāo)值誤差的絕對值不大于 30mm。

3.1 說明

(1) 注意預(yù)留測量聲響模塊功耗的電流電壓和信號放大電路輸出信號的測試

點(diǎn)。

(2) 采用三個(gè)聲音接收模塊即可實(shí)現(xiàn)定位，第四個(gè)模塊可對定位作進(jìn)一步校正。

(3) 不允許聲響模塊與其他電路有任何連接，并要求在聲響模塊上做出明顯標(biāo)記，以便清晰判讀模塊所在坐標(biāo)數(shù)值。

(4) 注意聲音通過其它傳播介質(zhì)帶來的影響。二、總體設(shè)計(jì)與分析

為了實(shí)現(xiàn)本次設(shè)計(jì)的要求，系統(tǒng)必須具備以下功能：按鍵聲源發(fā)聲且持續(xù)時(shí) 間 1s、接收聲音、信號放大濾波、聲源定位等功能。其系統(tǒng)主要可以劃分為：聲響模塊、聲音接收模塊、控制器和顯示模塊。

在整體的方案上，聲響模塊利用 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路來達(dá)到每按鍵一次發(fā)聲一次

的功能。另外由于聲響模塊產(chǎn)生的聲音信號傳遞到接收模塊時(shí)是十分微弱的，所

以聲音接收模塊必須含有濾波，放大和比較等環(huán)節(jié)，以便觸發(fā)控制器進(jìn)行運(yùn)算和處理。本次設(shè)計(jì)采用了比較器 LM358 結(jié)合放大電路形成的聲音接收模塊。此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如下所示：

三、方案比較與選擇

3.1 處理器

圖 2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

方案一：采用 TI 公司生產(chǎn)的 MSP430 單片機(jī)。MSP430 系列單片機(jī)含有一種超高速、低功耗的同時(shí)具有精簡指令集（RISC）的 16 位處理器。該系列芯片片內(nèi) 資源豐富，中斷源的數(shù)量較多，足以滿足本次設(shè)計(jì)對中斷源的需求。同時(shí) MSP430 系列單片機(jī)運(yùn)算速度快，片內(nèi)硬件資源豐富，能夠?qū)崿F(xiàn)一些較為復(fù)雜的算法和數(shù) 據(jù)處理。但在短時(shí)間內(nèi)掌握 MSP430 的編程與開發(fā)具有一定的難度。

方案二：采用 STC 公司生產(chǎn)的 STC89C52RC 單片機(jī)。STC89C52RC 是 STC 公司生產(chǎn)的一種高性能 CMOS、低功耗的 8 位微控制器。其片內(nèi)含有五個(gè)可屏蔽中斷源，且容易對其進(jìn)行編程處理，基本可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。另外 STC89C52RC 單片機(jī)小系統(tǒng)的焊接較為簡單，后期調(diào)試工作也更加方便。綜上所述，方案一成本較高，并且考慮到短時(shí)間內(nèi)不易掌握，經(jīng)過討論采取方案二。

3.2 聲源裝置方案一：采用單片機(jī)產(chǎn)生聲音信號，經(jīng)過功率放大電路，驅(qū)動無源蜂鳴器發(fā)

聲，這可以通過程序?qū)崿F(xiàn)。但由于 STC89C52RC 單片機(jī)片內(nèi)資源有限，需要另外再焊接一個(gè)單片機(jī)小系統(tǒng)，較為浪費(fèi)資源。

方案二：采用 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路產(chǎn)生聲音信號，經(jīng)過三極管放大電路，驅(qū) 動無源蜂鳴器發(fā)聲。其通過內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生時(shí)基電路，外部只需簡單的驅(qū)動電路便可實(shí)現(xiàn)按鍵一次，聲音持續(xù)時(shí)間 1s 的功能。該電路結(jié)構(gòu)簡單，可外接 5V 電源，方便焊接與測試。

綜上所述，經(jīng)討論采取方案二。

3.3 聲音接收裝置方案一：采用壓電式聲敏傳感器。壓電式聲敏傳感器是利用壓電晶體的壓電

效應(yīng)制成一種能實(shí)現(xiàn)聲-電轉(zhuǎn)換器件。但壓電聲敏傳感器不是常用器件，價(jià)格較貴。

方案二：采用電容式駐極體話筒（咪頭）。該元件能將一般的聲音信號轉(zhuǎn)化為電信號。價(jià)格便宜，便于設(shè)計(jì)，之后再自行設(shè)計(jì)濾波與放大電路，一起構(gòu)成聲音信號接收模塊。

綜上所述，電容式駐極體話筒對于滿足設(shè)計(jì)要求綽綽有余，經(jīng)過討論采取方案二。

3.4 聲音信號放大電路方案一：采用聲控開關(guān)。聲控開關(guān)使用簡單，價(jià)格便宜，但是反應(yīng)不夠靈敏，

精度較低。方案二：采用多級放大整波電路，將接收的信號經(jīng)放大、濾波、電壓比較排

除噪聲干擾，精度高。綜上所述，雖然方案二電路復(fù)雜運(yùn)用模電知識，但是項(xiàng)目要求精度比較高，

所以采用方案二。3.5 顯示模塊

方案一：LCD1602 液晶顯示屏，是一種工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示 16x02

（16 列 2 行）即 32 個(gè)字符。對于本次設(shè)計(jì)而言，雖然其能基本完成顯示坐標(biāo)軸

上 X 與 Y 的值，但考慮在調(diào)試過程中，需要顯示時(shí)間差值和因中斷觸發(fā)產(chǎn)生的標(biāo)

志值。LCD1602 顯然做不到實(shí)時(shí)顯示，增加了調(diào)試的難度。

方案二：LCD12864 液晶顯示屏，是一種具有多種接口方式，內(nèi)部簡體中文字

庫的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊；其顯示分辨率為 128×64, 內(nèi)置 8192 個(gè) 16*16 點(diǎn)

漢字，和 128 個(gè) 16*8 點(diǎn) ASCII 字符集。利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方

便的操作指令，完全滿足本次設(shè)計(jì)中的顯示需求和調(diào)試需求。

綜上所述，經(jīng)討論采取方案二。四、電路設(shè)計(jì)

4.1 按鍵發(fā)聲模塊電路設(shè)計(jì)

聲音信號是通過 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路產(chǎn)生。通過按下開關(guān)按鈕后，下降沿觸

發(fā)，555 電路產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為 1s 的聲音信號，使三極管電路飽和導(dǎo)通并放大電

流，驅(qū)動無源蜂鳴器發(fā)聲。整個(gè)電路由 5V 紐扣電池供電，使用小功率三極管 A42

進(jìn)行放大電流，以實(shí)現(xiàn)低功耗。

按鍵發(fā)聲模塊的具體電路如下圖所示：

圖 4.1 按鍵發(fā)聲模塊電路

圖中公有兩個(gè) 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路，其中第一個(gè) 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路對按鍵延時(shí)防抖，產(chǎn)生準(zhǔn)確的負(fù)脈沖。第二個(gè) 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路中則產(chǎn)生持續(xù) 1s 的正脈沖�？梢� 555 單穩(wěn)態(tài)振蕩電路中，每來一次負(fù)脈沖，便輸出一個(gè)正脈沖，其寬度 Tw 由 RC 決定，滿足下列公式：

Tw = 1.1 × RC (s)

其中 R 在圖 4.1 中分別為 R22、R28；C 分別為 C17、C18。通過調(diào)節(jié) R28 即可產(chǎn)生持續(xù) 1s 的高電平信號。

4.2 聲音接收模塊電路設(shè)計(jì) 聲音接收模塊采用駐極體話筒作為聲電轉(zhuǎn)換元件。駐極體話筒輸出端是內(nèi)部

場效應(yīng)管的漏極 D 和源極 S，此電路采用源極輸出，漏極接地的連接方式，故在源極 S 與電源正極之間接入 10K 電阻。通過共基極放大電路放大電流信號，再經(jīng) 過由 LM358 組成的過零比較器電路輸出方波信號。電路中設(shè)置有 1K 的電位器 R18，以便調(diào)節(jié) LM358 比較器端的參考電壓，改變電路的靈敏度，使調(diào)試更為方便。

聲音接收模塊電路具體如下圖所示：

圖 3.2 聲音接收模塊電路由圖 3.2 可知，比較器輸入端參考電壓實(shí)際為：

本次設(shè)計(jì)采用 STC89C52RC 單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算處理和驅(qū)動 LCD12864 液晶顯示屏顯示定位結(jié)果，即利用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器 0 計(jì)時(shí)，由外部中斷 0、外部中斷 1 和定時(shí)器 1 觸發(fā)，檢測接收信號的下降沿，通過這種方式計(jì)算聲音傳播后，不同模塊接收到信號的時(shí)間差，通過時(shí)間差計(jì)算出聲源信號到接收模塊距離，然后由

單片機(jī)編程計(jì)算出聲源的位置坐標(biāo)，最終顯示在液晶屏上。

STC89C52RC 單片機(jī)小系統(tǒng)電路和 LCD12864 驅(qū)動電路如下圖所示：

五、算法與程序設(shè)計(jì)

5.1 數(shù)據(jù)處理原理：

圖 4.3 STC89C52RC 單片機(jī)模塊

本算法基于時(shí)間差算出未知點(diǎn)的坐標(biāo)點(diǎn)。從理論上分析，只需三個(gè)已知點(diǎn)就可以對聲音源進(jìn)行定位，我們首先先將問題簡化為二維平面內(nèi)對聲音源進(jìn)行定位。

如下圖所示，在一個(gè)平面內(nèi)分布有三個(gè)傳感器 A、B 和 C 坐標(biāo)分別為（0,350）、

（0，0）、（500，0）。當(dāng)平面內(nèi)某處 S(x,y)發(fā)出聲音時(shí)，3 個(gè)傳感器將先后接收到信號，設(shè)信號到達(dá) A,B 的時(shí)間差為 t1，到達(dá) B,C 的時(shí)間差為 t2，則有：

我們只需在單片機(jī)程序中將 x, y 所有可能值都帶入到上式中，檢查有哪些值滿足條件即可。

5.2 程序流程圖

圖 5.1 聲音定位系統(tǒng)等效平面圖

圖 5.2

5.3 子程序流程圖：

六、測試方案

6.1 主要的測試儀器、儀表

圖 5.3

本次主要使用的測試儀器與儀表有，函數(shù)信號發(fā)生器、示波器與數(shù)字萬用表。

6.2 測試方法在硬件測試中，按鍵發(fā)聲模塊通過示波器測試電路輸出波形，調(diào)節(jié)電位器改

變電阻值來調(diào)節(jié)觸發(fā)時(shí)間，保證發(fā)出的聲響持續(xù)時(shí)間為 1s；另外使用數(shù)字萬用表測量按鍵發(fā)聲模塊的功耗。聲音接收模塊通過數(shù)字萬用表，測量當(dāng)發(fā)聲模塊距接收模塊不同距離時(shí)，比較器輸出電壓，直至調(diào)節(jié)電位器，改變比較器靈敏度使輸

出電壓在要求距離內(nèi)能受到信號，并以下降沿觸發(fā)單片機(jī)。聲響模塊和接收模塊都可以使用函數(shù)發(fā)生器和示波器來檢測電路的連接是否正常。

在軟件測試中，我們組軟件調(diào)試的中心思想是分模塊調(diào)試。先將程序分為三個(gè)接受模塊，算法模塊，顯示模塊，我們在分塊調(diào)試時(shí)，將各個(gè)模塊的輸出都顯示出來以便于觀察各模塊是否正確。運(yùn)用這種方法，可以將軟件上的錯誤精確定

位到某一個(gè)環(huán)節(jié)，大大提高了調(diào)試的效率。以下是具體方法：

1、將程序中的標(biāo)志位 signalA,signalB,signalC 通過 LCD 屏幕顯示出來，以方便觀察是否所有傳感器都收到了信號。

2、將各信號間的時(shí)間差通過 LCD 屏幕顯示出來，以方便觀察各傳感器的響

應(yīng)速度以及接受信號的先后順序是否與實(shí)際一致。

3、在接入傳感器前，先用另一片單片機(jī)模仿傳感器發(fā)出的信號，并通過程序設(shè)置時(shí)間差等參數(shù)，用于檢查算法是否正確。

七、系統(tǒng)調(diào)試

7.1 按鍵發(fā)聲模塊

測試輸出電流（通過測量蜂鳴器串聯(lián)的 1Ω的電阻得到電流值），從圖中可知

為 0.042A：

圖 7.1.1

測試蜂鳴器兩端電壓，從圖中可知為 4.36V：

7.2 聲音接收模塊

圖 7.1.2

當(dāng)聲響模塊離接收模塊距離較近時(shí)，接收模塊輸出電壓達(dá)到 3.6V 左右。

圖 7.2.1

當(dāng)聲響模塊離接收模塊較遠(yuǎn)時(shí)（但坐標(biāo)仍屬于坐標(biāo)紙的范圍），接收模塊輸出

電壓將會變小。這個(gè)時(shí)候就需要調(diào)節(jié)電位器，改變電阻值以減小比較器 LM358 輸入端參考電壓的值。

7.3 LCD 液晶顯示模塊

圖 7.2.1

進(jìn)行測試時(shí)，LCD12864 液晶顯示模塊除了顯示坐標(biāo) X 與 Y 的值外，還會顯示 A、B、C 三個(gè)聲音接收模塊的中斷觸發(fā)標(biāo)志值（如下圖顯示屏中第一行所顯示的內(nèi)容，其中顯示值為 0 表示未觸發(fā)，為 1 則表示已觸發(fā)），以及 A、B 和 C 三個(gè) 聲音接收模塊依次收到信號時(shí)的計(jì)時(shí)時(shí)刻（其中從右到左依次為 0us,65us 和 68us，此時(shí)模塊 C 最先收到聲音信號），這樣方便系統(tǒng)調(diào)試。

下圖坐標(biāo) X 與 Y 值在誤差范圍內(nèi)，滿足測量要求。

八、數(shù)據(jù)測試與處理

圖 7.3.1

8.1 聲響模塊參數(shù)記錄表與測試數(shù)據(jù) 當(dāng)給聲響模塊供電時(shí)聲響模塊測試結(jié)果如下表所示：

測試內(nèi)容	測試結(jié)果
按鍵發(fā)生	能
聲音信號持續(xù)時(shí)間	1 .023s
功耗測試	183.12mW(4.36V,0.042A)

表 8.1

8.2 聲音接收模塊輸出電壓記錄表與測試數(shù)據(jù)

比較電路在不同靈敏度下，距聲源不同距離時(shí)聲音接收模塊輸出電壓測試結(jié)

果如下表所示：

表 8.2
從表 8.2 可以看出，當(dāng)電位器阻值較小時(shí)即比較器輸入端參考電壓接近 0 時(shí)
更易收到信號，但實(shí)際上這樣做也更容易受到干擾。接收模塊 C 相較于 A、B 模
塊了，由于焊接工藝的問題，靈敏度較低。合理調(diào)節(jié)電位器阻值之后，三個(gè)模塊
最終都能受到信號，滿足設(shè)計(jì)要求。
8.3 聲源實(shí)測坐標(biāo)記錄表對處于不同坐標(biāo)的聲源進(jìn)行了實(shí)際測量，最終得到了以下的一些實(shí)測數(shù)據(jù)如

下表所示：

從表中可以看出，除個(gè)別點(diǎn)外，坐標(biāo)紙的四個(gè)方向邊緣區(qū)域以及中間區(qū)域共
取了 5 個(gè)點(diǎn)，其實(shí)測坐標(biāo)基本滿足設(shè)計(jì)要求。而個(gè)別點(diǎn)的誤差可能是由于接收模塊放置的位置不準(zhǔn)確或聲源放置地不準(zhǔn)確而產(chǎn)生。
九、總結(jié)
本次設(shè)計(jì)以 STC89C52 為核心部件，利用了聲音檢測與辨識技術(shù),利用嚴(yán)密的數(shù)學(xué)方法實(shí)現(xiàn)和確定了聲源的準(zhǔn)確定位。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，力求硬件電路簡單，降低硬件成本，節(jié)約功耗。
在這次設(shè)計(jì)中，我們遇到了許多問題，這些問題我們之前從未遇到過，但最終我們都找到了解決這些問題的辦法，這對我們來說是一次很好的鍛煉。在程序設(shè)計(jì)與軟件調(diào)試的過程之中，由于我們同時(shí)使用了 STC89C52 單片機(jī)中的四個(gè)中斷進(jìn)行控制處理，對于單片機(jī)各個(gè)中斷的優(yōu)先級與觸發(fā)的考慮更為復(fù)雜，但只要結(jié)合函數(shù)信號發(fā)生器模擬聲音信號觸發(fā)單片機(jī)得到調(diào)試結(jié)果，并且根據(jù)這些
結(jié)果不斷改正程序，就能得到最優(yōu)的程序設(shè)計(jì)。另外在程序設(shè)計(jì)過程，由于子程序中數(shù)據(jù)處理十分重要，我們查閱了許多的資料，對于 C51 中的數(shù)據(jù)類型以及常用的庫函數(shù)也更加的熟悉。在硬件調(diào)試過程中，出現(xiàn)了聲音接收模塊電路不穩(wěn)定，易受到干擾，以及放大電路難以調(diào)試的問題。對于接下來設(shè)計(jì)之后，我們也會考慮重新設(shè)計(jì)相關(guān)電路，例如采用雙比較器電路進(jìn)行比較放大，來提高電路的性能。

電路原理圖