基于MSP430单片机的声音定位系统

【摘要】本系统采用两片低功耗MSP430单片机作为控制器，控制整个声音定位系统的协调工作，利用Msp430g2553的I/O口输出基波频率为500HZ，持续时间约为1S的声音信号，再经过声音接收模块将接收到的信号送至MSP430F169信息处理模块处理。在一块平板上贴一张500mmx350mm的坐标纸，在其四角外侧分别固定安装一个声音接收模块，通过驻极体话筒检测音频信号，然后声音接收模块通过导线将频率为500HZ左右的声音信号传送至信息处理模块，此声音定位系统根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音时间差，判定声响模块所在的位置的X、Y坐标，并以数字形式在液晶上显示X、Y坐标值。

【关键词】低功耗MSP430单片机;声音定位;声音接收模块;声响模块

1.研究声音定位系统的目的与作用

声音是人类常用的工具，是传递和获取信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的声音，就可以判断出物体的方位。现在，人类已经进入信息化时代，声源定位技术的研究，使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息，这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。

综上所述，声音定位系统的研究对我们的军事、教育、生活等都有很重要的意义。所以，声音定位系统的研究是一项提升我国综合国力的长期项目，对我国科技发展有着十分重要的作用。

2.系统方案

2.1 系统任务

设计一个简单的声音定位系统，根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音时间差，判定声响模块所在的位置的X、Y坐标，并以数字形式在液晶上显示X、Y坐标值。

2.2 系统整体方案

根据题目的基本要求，为完成相应功能，本设计提出的方案如图2.1所示。整个系统划分为以下几个基本模块：电源模块、Msp430g2553小系统、声响模块、声音接收模块、信息处理模块、显示模块。

图2.1 系统总体框架

2.3 各模块方案

控制器模块采用TI公司的两片低功耗MSP430单片机作为主控制芯片。MSP430系列单片机是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令;大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算;还有高效的查表处理指令。这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

MSP430系列单片机能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如FFT等）。

MSP430单片机工作频率高，功耗低，有大量的寄存器以及片内数据存储器可参加多种运算，并且MSP430g2553小系统简单，可以很方便的做I/O口扩展，节约了资源。

声响模块用Msp430g2553单片机做声响模块。用Msp430g2553单片机产生一个较稳定的500HZ的方波信号，经三极管驱动后，送入高精度电子扬声器发声。这样做出的声响模块既简单，使用又方便，并且能够得到比较稳定的基波频率为500HZ的声音信号，此外，它的功耗小。

声音接收模块用LM567和放大器LM358组成声音接收模块。声音接收模块首先将接收到的微弱声音信号通过两级放大器放大，然后再通过中心频率为500HZ的带通滤波器滤除杂波，得到500HZ稳定的方波。此模块先由放大器LM358将声音放大，LM567 为通用锁相环电路音调译码器 ，广泛用于各种接收端的音码解调，因此用LM567进行音频放大，通过滤波网络，滤掉杂波，使接收到的方波信号比较稳定，而且做此模块需要的资源少，价格便宜。

图3.2 声响模块电路

信息处理模块根据接收到的声音传输时间差来对声响模块定位。声响模块发出的声音传到不同的接收器时间不同，根据不同的接收时间进行定时计数，做差值，可以判断出声响模块距离不同声音接收模块的位置差，从而确定出声响模块的具置坐标。

3.硬件电路设计与制作

3.1 电源部分

由于系统中各模块需要的电压不同，为了实现单电池供电，我们将7812、7805和LM317可调电压做到一个板子上，实现了12V电压、5V电压、可调电压三路电压输出功能。具体电路如图3.1所示：

图4.1 主程序流程图

3.2 声响模块电路设计

声响模块首先通过单片机定（下转第62页）（上接第34页）时器，在I/O口输出一个较稳定的500HZ的方波信号，通过三极管的放大后，送入高精度电子扬声器发声。

3.3 声音接收处理模块电路设计

通过驻极体话筒接收，将微弱的音频信号经LM358两级放大和LM567组成的滤波电路滤波后成500HZ的方波，如图3.3所示。

4.程序流程图

此系统的主程序流程图如图4.1所示。

5.结束语

测试结果表明，每按键一次发声一次，声音信号的频率能够稳定在500HZ左右，声音持续时间约为1s。

声响模块采用3V以下电池供电，功耗也没有超过200mW。四路声音接收模块将频率为500HZ左右的信号传送至信息处理模块，通过算法能够确定声响模块所在位置的X、Y坐标，并在液晶上显示坐标。

定位坐标测试：此声音定位系统根据声响模块通过空气传播到各声音接收模块的声音时间差，再通过单片机计算，判定声响模块所在的位置的X、Y坐标，并以数字形式显示出X、Y坐标值。

基本要求位置坐标值误差的绝对值不大于30mm，发挥部分要求位置坐标值误差的绝对值不大于10mm，测试结果如表1所示：

表1 坐标测试数据

测量

次数 实际坐标值（mm） 显示坐标值（mm） 绝对误差（mm）

1 （250，150） （260，144） 11.66

2 （320，250） （310，235） 18.02

3 （350，250） （350，263） 13.00

经计算得出，声响模块位置坐标值误差绝对值都不大于30mm，满足基本要求。

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