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声音定位系统
2014年重庆理工大学电子设计竞赛
声音定位系统(C题)
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
1.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。
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。
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:
三、电路与程序设计
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,故此处要进行滤波处理。
滤波采用的是带通滤波器,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
4.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;
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左右的声音信号,同时单片机接收信号后开始进行计算,计算出的坐标值(x1,y1)通过TFTLCD屏显示出来。
2.测试结果与分析
该系统的软件部分设计经验证,实现了捕获、处理、定位功能,如图所示为当声源信号位于(200,100)mm位置时,通过单片机定位算法得到的位置坐标:
图4捕获的到的高电平及单片机处理得到的位置信息
该系统的缺陷为功率放大模块和滤波模块没有做好,滤波模块实际滤波中心频率约为460hz,带宽100hz。
效果不够理想。
五、思考与总结
经过几天的努力,终于基本完成了声音定位系统的制作与程序设计,在此过程中,收益颇多,熟悉了功放、滤波、放大等模块的制作以及如何利用STM32单片机完成一个系统设计等。
在此过程中也认识到了许多不足,为以后的学习指明了方向。
六、参考文献(略)
七、附录
1、主程序
#include"led.h"
#include"delay.h"
#include"key.h"
#include"sys.h"
#include"lcd.h"
#include"usart.h"
#include"timer.h"
#include"math.h"
//全局变量x,y为坐标,以坐标纸左下角为原点,单位mm
s32xx=0,yy=0;
u8xp=0,yp=0;
u8xp1=0,yp1=0;
u16cap_num1=0,cap_num2=0;
u32sum1=0,sum2=0;
s16t1=0,t2=0;
u16pointx[280];//定义点的位置数组
u16pointy[280];
u8DrawLine_flag=0;//定义画线标志位
externu8TIM5CH1_CAPTURE_STA;//输入捕获状态
externu16TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//输入捕获值
externu8TIM5CH2_CAPTURE_STA;//输入捕获状态
externu16TIM5CH2_CAPTURE_VAL;//输入捕获值
voidDisplay_Change(void);
//对声源信号进行处理,得到声源位置
//当t1、t2情况为负值时,情况如何?
voidpxf(intt1,intt2)
{
inta=500;
intb=350;
floatv=340;
floatc1=t1*v/1000;
floatc2=t2*v/1000;
floatdelta=(b*b-c1*c1)/(a*a-c2*c2);
floatsita=atan2(b,delta*a)+acos((c2*delta-c1)/sqrt(delta*delta*a*a+b*b));
floatR=(b*b-c1*c1)/2/(c1+b*sin(sita));
xx=-R*cos(sita);
yy=R*sin(sita);
}
intmain(void)
{
u32temp1=0,temp2=0;
u16i=0,j=0;
Display_Change();//通过读取A3管脚IO口的状态选择打点还是画线
delay_init();//延时函数初始化
NVIC_Configuration();//设置NVIC中断分组2:
2位抢占优先级,2位响应优先级
uart_init(9600);//串口初始化为9600
LED_Init();//LED端口初始化
LCD_Init();
TIM3_Int_Init(1999,719);//每5ms进一次定时器3中断,进行液晶屏显示
TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1);//以1Mhz的频率计数(每计数一次为1u秒)
POINT_COLOR=RED;
LCD_Clear(YELLOW);//背景色为黄色
LCD_ShowChar(10,210,'(',16,0);
LCD_ShowChar(90,210,')',16,0);
LCD_ShowChar(50,210,',',16,0);
while
(1)
{
for(i=0;i<400;i++)//进行400次输入捕获,理论应该执行800ms,待验证
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功完成一次捕获
{
cap_num1++;
temp1=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
temp1*=65536;//溢出时间总和
temp1+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//得到总的高电平时间
sum1+=temp1;
TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//开启下一次捕获
}
if(TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X80)//成功完成一次捕获
{
cap_num2++;
temp2=TIM5CH2_CAPTURE_STA&0X3F;
temp2*=65536;//溢出时间总和
temp2+=TIM5CH2_CAPTURE_VAL;//得到总的高电平时间
sum2+=temp2;
TIM5CH2_CAPTURE_STA=0;//开启下一次捕获
}
}
t1=sum1/cap_num1;//求平均值,提高捕获精度
printf("\r\n通道1High:
%dus\r\n",t1);
sum1=0;
cap_num1=0;
t2=sum2/cap_num2;
printf("\r\n通道2High:
%dus\r\n",t2);
sum2=0;
cap_num2=0;
pxf(t1,t2);
xp=xx/2.5;
yp=140-yy/2.5;
if(xp>10&&xp<210&&yp>10&&yp<150)//判断点的坐标是否在正常范围内
{
//把点存入数组
if(xp!
=xp1|yp!
=yp1)
{
pointx[j]=xp;
pointy[j]=yp;
j++;
if(j==280)//只存280个点的位置
{
j=0;
}
xp1=xp;//将上一次的位置值进行保存,与下一次进行比较,看是否有变化
yp1=yp;
}
}
}
}
2、定时器部分程序
#include"timer.h"
#include"led.h"
#include"usart.h"
#include"lcd.h"
externs32xx,yy;
externu8xp,yp;//注意:
对变量声明时不可以同时进行赋值
externu8xp1,yp1;
externu8DrawLine_flag;
//在定时器3中断中进行液晶显示
voidTIM3_Int_Init(u16arr,u16psc)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3,ENABLE);//时钟使能
//定时器TIM3初始化
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;//设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;//设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//设置时钟分割:
TDTS=Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM3,&TIM_TimeBaseStructure);//根据指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
TIM_ITConfig(TIM3,TIM_IT_Update,ENABLE);//使能指定的TIM3中断,允许更新中断
//中断优先级NVIC设置
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn;//TIM3中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=1;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;//IRQ通道被使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//初始化NVIC寄存器
TIM_Cmd(TIM3,ENABLE);//使能TIMx
}
//定时器3中断服务程序(声源位置显示)
voidTIM3_IRQHandler(void)//TIM3中断
{
if(TIM_GetITStatus(TIM3,TIM_IT_Update)!
=RESET)//检查TIM3更新中断发生与否
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM3,TIM_IT_Update);//清除TIMx更新中断标志
LCD_ShowNum(20,210,xx,3,16);//显示数字
LCD_ShowNum(65,210,yy,3,16);
LCD_DrawRectangle(10,10,210,150);//画矩形
LCD_DrawPoint(xp,yp);//画点
if((xp!
=xp1|yp!
=yp1)&&DrawLine_flag==1)
{
LCD_DrawLine(xp1,yp1,xp,yp);
ShowChinese(10,170);//显示汉字
}
}
}
//定时器5通道1和通道2输入捕获配置
TIM_ICInitTypeDefTIM5_ICInitStructure;
voidTIM5_Cap_Init(u16arr,u16psc)
{
GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;
NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5,ENABLE);//使能TIM5时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1;//PA0清除之前设置
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD;//PA0下拉输入
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
//初始化定时器时基参数TIM5
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period=arr;//设定计数器自动重装值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler=psc;//预分频器
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//设置时钟分割:
TDTS=Tck_tim
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode=TIM_CounterMode_Up;//TIM向上计数模式
TIM_TimeBaseInit(TIM5,&TIM_TimeBaseStructure);//根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
//初始化TIM5输入捕获1参数
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_1;//CC1S=01选择输入端IC1映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising;//上升沿捕获
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI;//映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;//配置输入分频,不分频
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00;//IC1F=0000配置输入滤波器不滤波
TIM_ICInit(TIM5,&TIM5_ICInitStructure);
//初始化TIM5输入捕获2参数
TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel=TIM_Channel_2;//CC1S=01选择输入端IC1映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity=TIM_ICPolarity_Rising;//上升沿捕获
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection=TIM_ICSelection_DirectTI;//映射到TI1上
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler=TIM_ICPSC_DIV1;//配置输入分频,不分频
TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter=0x00;//IC1F=0000配置输入滤波器不滤波
TIM_ICInit(TIM5,&TIM5_ICInitStructure);
//中断分组初始化
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM5_IRQn;//TIM5中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;//先占优先级2级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=0;//从优先级0级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE;//IRQ通道被使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);//根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器
TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1|TIM_IT_CC2,ENABLE);//允许更新中断,允许CC1IE捕获中断
//TIM_IT_CC1:
TIM捕获/比较1中断源
TIM_Cmd(TIM5,ENABLE);//使能定时器5
}
u8TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//输入捕获状态
u16TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//输入捕获值
u8TIM5CH2_CAPTURE_STA=0;//输入捕获状态
u16TIM5CH2_CAPTURE_VAL;//输入捕获值
//定时器5中断服务程序
voidTIM5_IRQHandler(void)
{
//通道1进行捕获
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//表示还未成功完成捕获
{
if(TIM_GetITStatus(TIM5,TIM_IT_Update)!
=RESET)//表示更新中断已经发生
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//表示已经捕获到高电平了
{
if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//判断高电平太长了
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//强制标记成功捕获了一次
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;
}
elseTIM5CH1_CAPTURE_STA++;
}
}
if(TIM_GetITStatus(TIM5,TIM_IT_CC1)!
=RESET)//表示捕获1发生捕获事件
{
if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//表示捕获到一个下降沿
{
TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次
TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);//得到高电平的值
TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Risi
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