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电子设计大赛声音定位系统TI杯二等奖.pdf
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目 录
0 前言........................................................................................................................................... 1
0.1 摘要 ................................................................................................................................ 1
0.2 关键词 ................................................................................................................................ 1
1 总体方案设计及方案论证 ........................................................................................................... 1
1.1 系统总体设计方案及系统框图 ............................................................................................. 1
1.2 声响模块方案论正............................................................................................................... 2
1.3 声音接收处理模块方案论证................................................................................................. 3
1.3.1 声音接收模块.............................................................................................................. 3
1.3.2 声音处理模块方案论证 ............................................................................................. 3
1.4 显示模块方案论证............................................................................................................... 3
2.电路与程序设计............................................................................................................................. 3
2.1 声响模块.............................................................................................................................. 3
2.2 声音接收处理模块................................................................................................................ 5
2.2.1 声音接收模块 ........................................................................................................... 5
2.2.2 声音处理模块 ........................................................................................................... 6
2.3 显示模块............................................................................................................................. 6
2.4 程序设计与流程图............................................................................................................... 6
2.4.1 声响模块流程图................................................................................................................ 6
2.4.2 接收模块流程图......................................................................................................... 8
2.4.3 显示模块流程图......................................................................................................... 8
3 理论分析与计算............................................................................................................................. 9
4 系统测试 ....................................................................................................................................... 9
4.1 声响模块............................................................................................................................... 9
4.2 声音接收模块......................................................................................................................10
由于测试现场嘈杂,接收到了信号有一定的失真。.................................................................... 11
4.3 声音处理模块..................................................................................................................... 11
4.4 显示模块............................................................................................................................. 11
附录 1:...........................................................................................................................................12
附录 2:...........................................................................................................................................13

声音定位系统设计
声音定位系统设计
0 前言
随着科学技术的快速发展,声波测距定位将在声音定位系统中的应用越来越广。但就
目前技术水平来说,人们可以具体利用的测距技术还十分有限,因此,这是一个正在蓬勃
发展而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来,声音定位系统作为一种新型的非常重
要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,它将朝着更加高定位高精度的方向发展,
以满足日益发展的社会需求,如声纳的发展趋势基本为:研制具有更高定位精度的被动测
距声纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳
线列阵声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制更适合于浅海工作的潜艇声纳,特别是
解决浅海水中目标识别问题;大力降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境。无庸置疑,
未来的声音定位系统将与自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多定位系
统。随着测距的技术进步,测距系统将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发
展到具有创造力。在新的世纪里,面貌一新的声音定位系统将发挥更大的作用。
0.1 摘要
本设计采用以 MSP430G2553 单片机为声响模块控制芯片,以 STC89C52 单片机为声
音信号处理和显示模块的控制芯片,二者皆采用低成本、高精度、微型化数字显示声音定
位系统的硬件电路和软件设计方法。整个电路采用模块化设计,由声响模块、接收信号模
块、信息处理与显示模块组成。接收到的信号经单片机综合分析处理,实现定位显示的功
能。在此基础上设计了系统的总体方案,最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。相关
部分附有硬件电路图、程序流程图。经实验证明,这套系统软硬件设计合理、抗干扰能力
强、实时性良好,经过系统扩展和升级,可以有效地解决汽车倒车、建筑施工工地、一些
工业现场的位置监控以及运动物体的轨迹等。
0.2 关键词
MSP430G2553;STC89C52; 声波测距系统;显示模块
1 总体方案设计及方案论证
1.1 系统总体设计方案及系统框图
针对本课题的设计任务,进行分析得到:该声音定位系统设计主要由以下几个模块组
成:声响模块、声音信号接收模块、信息处理显示模块。在这几个模块中最主要的是声音
信号接收模块,其功能是对声响模块发出的信号进行采集并放大,采集到的信号容易失真、
不稳定,所以需要多次调试和修改电路。声响模块采用以MSP430G2553超低功耗16位单片
机为核心设计的电路,功能是通过驱动扬声器发出500hz方波信号。声音接收处理模块采用
驻极体接收,通过
多级放大整波电路,将接收的信号经放大、滤波、电压比较排除噪声干扰。
显示
第 1 页

声音定位系统设计
模块是基于STC89C52单片机为核心的电路,用液晶显示器12864显示出声音信号的位置和
移动轨迹。本设计的系统总体框图如图(1)所示。
声响模块 接收模块 显示模块
MSP430
单片机
放
大
电
路
扬
声
器
驻
极
体
信号
调理
电路
52
单
片
机
显
示
模
块
图(1) 系统总体框图
1.2 声响模块方案论正
方案一:用模拟电子技术知识搭波形震荡电路产生矩形波,经过分析和查阅资料得到
的矩形波电路如下图所示,经示波器观察波形后发现波形的质量不够高,所以放弃此方案。
方案二:
FPGA(Field-Programmable Gate Array),即现场可编程门阵列,它是在 PAL、
GAL、CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领
域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门
电路数有限的缺点。内 部有丰富的触发器 和 I/O 引 脚。开发费用最低,风险最小的器
件之一。采用高速 CMOS 工艺,功耗低,可以与 CMOS、TTL 电平兼容。但编程用的是
第 2 页

声音定位系统设计
Verilog 语言,而我们 所学习的是 c 语言,短期内不能 熟练运用此器件,所以放弃
方案二。
方案三: MSP430G2553 是一款超低功耗的单 片机,其供电电源只需 3v,符合本
设计的要求, 而且此单片机适用于新手初步学 习。
经过论证,最 终我们决定用 MSP430G2553 作声 响模块的处理,选用方案三
。
1.3 声音接收处理模块方案论证
1.3.1 声音接收模块
方案一:采用自制的电容式声音接收装置。自制的声音电容,电容的一个极性为基准板;
另一个极性为振动膜,在声波的振动下,该电容两极电压信号发生变化。该装置原理简单,
但易受干扰,信号稳定不利采集。
方案二:采用自制驻极体话筒接收器装置。驻极体话 筒 具有体积小、结构简单、电 声 性
能好、价格低的特点,广泛用于盒式录音机、无 线话筒 及声控 等电路中。属于最常用的电
容话筒。由于输入和输出阻抗很高,所以要在这种话筒外壳内设置一个场效应管作为阻抗
转换器,为此驻极体电容式话筒在工作时需要直流工作电压。
方案三:采用集成的声音传感器。市场上集成的声音传感器具有灵敏度高,反应灵敏,
且抗电磁场和射频干扰能力强等优点,但是价格较为昂贵,且不易改装调试,影响电路结
构使用的灵活性,因此其性价比偏低。
考虑方案简单可行性和价格成本,本系统采用方案二自制驻极体话筒接收装置。
1.3.2 声音处理模块方案论证
方案一:采用声控开关。声控开关使用简单,价格便宜,但是反应不够灵敏,精度较低。
方案二:采用多级放大整波电路,将接收的信号经放大、滤波、电压比较排除噪声干扰,精度高。
经综合论证,虽然方案二电路复杂运用模电知识,但是题目要求精度比较高,所以采用方案二。
1.4 显示模块方案论证
经综合考虑,采用 12864 液晶显示,12864 显示具有大量的信息、画面效果好、分辨率高,满足
题目要求。
2.电路与程序设计
2.1声响模块
MSP430 是业内功耗最低的 MCU 具有超低功耗运行模式和 7 种低功耗模式以及即时
唤醒功能,MSP430 采用了智能型模拟与数字外设,外设工作于低功耗模式,减少外部分
立器件与物料成本,具有 FRAM、USB、RF、电容式触摸 I/O、计量模块、LCD、ADC、
第 3 页
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