基于聲波的空間定位系統(tǒng)

摘 要：這是一種進(jìn)行聲源定位的裝置，利用波的特性，可以推知物體的空間位置。根據(jù)波的傳播特性，來確定未知對象的空間位置的思想在地震研究、無損檢測和全球定位系統(tǒng)等方面都有重要應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：聲音；定位；系統(tǒng)

1 方案論證與比較

1.1 聲響模塊方案選擇

在制作過程中，發(fā)現(xiàn)動圈式揚(yáng)聲器輸出的聲音頻率并不是完全由控制其通斷的方波信號頻率決定。經(jīng)分析這是因?yàn)閾P(yáng)聲器有諧振腔，其固有頻率一般為2-3Khz，由于方波存在和其固有頻率相同的信號成分，這個頻率的信號就會由于諧振而放大，故由500hz方波控制揚(yáng)聲器發(fā)出的聲音，其實(shí)有很強(qiáng)的非500hz噪音信號。為了解決這個問題，有兩種方案可供選擇。

1.2 用正弦信號來控制揚(yáng)聲器發(fā)出聲音

優(yōu)點(diǎn)：發(fā)出的聲音為準(zhǔn)確的500hz

缺點(diǎn)：方案實(shí)施較為復(fù)雜。要搭建一個文氏橋電路來產(chǎn)生正弦信號。此外，由于電源小于3V故必須升壓或者產(chǎn)生負(fù)電源來給運(yùn)算放大器供電，又由于題目要求功耗要小于200mw，要搭建如此的電路勢必要降低揚(yáng)聲器的功耗從而導(dǎo)致聲音信號強(qiáng)度的降低，為后續(xù)的信號處理帶來困難。

1.3 安裝諧振腔來使得聲源的諧振頻率在500Hz左右

通過在揚(yáng)聲器發(fā)生處安裝一個諧振腔來人為的改變其固有頻率來改善聲源的質(zhì)量。

優(yōu)點(diǎn)：實(shí)施簡易，并且在同樣大的功耗會大大增大聲源的振動強(qiáng)度，從而為后續(xù)的信號處理帶來便利。

缺點(diǎn)：無法使得諧振頻率準(zhǔn)備的為500hz。

經(jīng)過分析比較，權(quán)衡利弊采用第二種方案。

1.4 音頻接收和信號調(diào)理模塊的論證與選擇

通過4個排布成規(guī)則長方形的MIC并進(jìn)行前置放大，經(jīng)帶通濾波器濾除干擾之后送到回滯比較器進(jìn)行方波整形，再經(jīng)穩(wěn)壓管穩(wěn)壓后輸送給單片機(jī)進(jìn)行采樣處理。

1.5 控制系統(tǒng)的論證與選擇

方案一：使用普通單片機(jī)對信號的邊沿進(jìn)行采樣定時，可以測出頻率等等信息，但是普通單片機(jī)的引腳中斷不及時，內(nèi)部資源也不是很豐富，甚至不帶浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算功能。

方案二：使用FPGA進(jìn)行邊沿的判斷和運(yùn)算，速度快，精度高，缺點(diǎn)是難度大，成本高。

方案三：使用TI公司的launch pad開發(fā)板，主控芯片為msp430

G2553，它有豐富的內(nèi)部資源，性價比高，還有5路捕捉定時器，浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等功能。

綜合考慮采用方案三。

2 聲音定位系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)主要由聲響發(fā)生模塊、音頻接收模塊、信號調(diào)理模塊、主控模塊、電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的理論分析計(jì)算及電路與程序設(shè)計(jì)。

2.1 聲響模塊分析計(jì)算

聲響模塊主要由兩節(jié)5號電池3V供電，由單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，送至起開關(guān)作用的三極管推動揚(yáng)聲器進(jìn)行發(fā)聲.P2.1產(chǎn)生PWM波送進(jìn)由三極管組成的驅(qū)動電路.由歐姆定律估算揚(yáng)聲器的電流.由于要求發(fā)聲模塊總體功率不得大于200mW，所以我們給揚(yáng)聲器串接了22Ω的電阻，由于430單片機(jī)的功耗很小可以忽略不計(jì)，這樣發(fā)聲模塊總體的功率一定可以小于200mW。同時還有4個按鍵，其中一個用來控制復(fù)位，另外三個用來控制3種不同的發(fā)聲模式。

2.2 聲音接收放大器分析計(jì)算

本模塊由駐極體話筒和兩級運(yùn)算放大器組成，運(yùn)算放大器選用OPA2227，模塊用±5V供電，可以將駐極體話筒的毫伏級電壓信號放大到伏級。

如圖LS1駐極體話筒經(jīng)4.7K的電阻R5上拉偏置，產(chǎn)生的電壓信號經(jīng)C1濾波送入第一級運(yùn)算放大器，輸出后再經(jīng)1uF的電容濾波送至第二級放大器輸出，理論最大電壓增益，足可以把幾十毫伏的電壓信號放大到伏級。

2.3 數(shù)據(jù)處理原理分析、計(jì)算

聲音數(shù)據(jù)處理模塊主要由單片機(jī)，LM339電壓比較器組成的遲滯比較器，OPA2227和NE5532運(yùn)算放大器組成的帶通有源濾波器。3.3V穩(wěn)壓電源按鍵及顯示器件組成.主要負(fù)責(zé)捕捉從處理模塊出來的觸發(fā)信號，并計(jì)算到達(dá)的時間差，通過時間差作為輸入信息通過算法計(jì)算出聲源的位置。

其中，電壓遲滯比較器的門限寬度為：R1（Voh-Vol）/（Rf+R1），此處，Rf=51k，R2=4.7k，Voh=6v，Vol=-6v，故門限寬度為：1.01V。

經(jīng)上級兩級運(yùn)算放大器放大的信號峰值能夠達(dá)到接近10V，而且話筒比較靈敏而且運(yùn)算放大器放大倍數(shù)很大，雜音對信號的干擾很大所以我們加了二階有源帶通濾波器，濾除550Hz以外的高次諧波及高次雜波，經(jīng)過濾波器之后輸入滯回比較器滯回門限可以進(jìn)一步阻止由噪聲或者雜音造成的誤觸發(fā)，從而提高定位的準(zhǔn)確度。

根據(jù)以上方案設(shè)計(jì)出原理圖，做PCB板，實(shí)踐證明可以利用波的特性，推知物體的空間位置。

作者簡介：馬德魁（1991，4-），男，民族：漢，籍貫：河南省新鄉(xiāng)市，大連理工大學(xué)本科在讀。