基于MSP430F449單片機的聲音導引系統

卞曉曉 王玉才

摘 要： 設計了由聲音導引小車運動的系統，該系統可以利用聲音信號實現實時物體定位。系統由地面部分和移動小車部分構成。地面裝置通過MSP430F449單片機控制nRF24L01無線模塊發出控制指令，小車接收到相應控制指令后車上的揚聲器發聲。地面部分根據發送指令到接收聲音的延遲時間，計算小車的坐標位置，導引小車運動。通過設計放大濾波電路，減少了環境噪聲對系統性能的影響，提高了定位精度。

關鍵詞： MSP430單片機； 聲音定位； 導引； 濾波器設計

中圖分類號：TP368.1 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）06-41-03

0 引言

目前國內外在測距及定位技術方面常用到激光測距、超聲波測距、GPS定位、Wi-Fi定位、超寬帶定位等技術[1]。目前隨著聲音測距技術的發展，使得定位技術又有了快速發展，在視頻會議、語音識別、目標定位和助聽裝置等領域有著重要的應用[2-3]。本文給出一種基于MSP430F449單片機，利用音頻信號實現聲音定位，并精確導引小車（聲源在移動小車上）到達指定目的地的聲音導引系統設計與實現方法。對該系統的研究有利于智能產品在各領域的應用推廣。

1 系統設計

1.1 設計目標

設計一個由聲音導引系統，該系統可以利用聲音信號實現即時物體定位，從而控制物體運動到指定位置。該系統由地面部分和移動小車部分構成。其中地面部分包括單片機控制模塊、放大濾波模塊、無線收發模塊、顯示模塊。移動小車部分包括單片機控制模塊、發聲模塊、無線收發模塊、電機控制模塊等。地面裝置通過MSP430F449單片機控制nRF24L01無線模塊發出控制指令[4]，小車接收到相應控制指令后使車上的揚聲器發聲。地面部分根據發送指令到接收聲音的延遲時間，計算小車的坐標位置，導引小車的運動。實物布局與坐標如圖1所示。

1.2 原理與計算

需要測量的數據為無線電信號與聲音信號之間的時間差，從而可得出小車距接收器a的直線距離La：

1.3 軟件控制原理

移動小車由電機控制芯片L298，無線接收模塊，發聲模塊構成。地面系統發出使小車準備運動的信號，發出信號的同時開始計時，到地面麥克風接收到聲音信號時計時停止，通過兩者的時間差計算出小車距目標的距離，進而發送指令控制小車運動。地面上的系統可以通過顯示屏實時顯示小車距地面接收器的距離La和Lb。小車控制部分流程圖和地面控制部分流程圖分別如圖2和圖3所示。

1.4 發聲部分電路設計

選擇高頻喇叭作為聲源。輸入信號接在函數信號發生器上，麥克的接收信號接在示波器上，調節信號發生器頻率，發現喇叭在輸入頻率為40KHz左右時，麥克能明顯接收到信號，而且受語音信號和電機聲音信號的干擾較小。由于在實際中單片機發出40KHz頻率信號時功率較小，在信號加到揚聲器之前，采用4069作為反向器構成放大電路。電路中增加9013、9012實現放大功能，得到了更好的效果，其電路如圖4所示。

1.5 電機驅動部分

采用L298驅動兩個直流電機。雖然沒有使用步進電機，采用直流電機配上碼盤以后能夠達到理想的精確控制效果。實際設計中，小車走過1米，碼盤計數500下，精度可達2mm。

1.6 無線模塊部分

無線電通信部分采用nRF24L01無線模塊。該模塊采用2.4GHz全球開放ISM頻段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制場合；具有126頻道，滿足多點通信和跳頻通信需要；內置硬件CRC檢錯和點對多點通信地址控制；體積小巧。模塊可軟件設地址，只有收到本機地址時才會輸出數據，可直接由各種單片機控制[5]。該無線模塊采用PCB天線，傳輸距離十米左右。由于聲波接收電路的有效距離在十米以內，所以該無線模塊可以很好地滿足設計要求。

1.7 聲音接收部分電路設計

采用普通的麥克作接收端，經過反復調試，使選頻網絡的接收頻率在4.4KHz左右。喇叭的輸入頻率是喇叭的起振頻率，并不是發出的聲波頻率。聲音接收電路主要包括前置放大、選頻網絡、全波整流、直流放大及整形電路，電路圖如圖5所示。選用的頻率范圍避免了日光燈等環境噪聲對接收電路的干擾。在測試過程中這樣的頻率范圍也避免了小車運動中直流電機工作產生的干擾。

1.8 程序設計部分代碼

2 結束語

該系統能夠根據聲音信號的返回時間實現實時聲源定位，具有低功耗、響應速度快、性價比高、定位精度較高的特點，因此在測距、定位方面具有一定的應用前景。實際應用中，可以通過改變聲音頻率改善聲音接收效果，使本系統具有更寬的定位范圍。

參考文獻：

[1] 胡勝，楊雷，宋躍等.基于ARM7的聲音導引系統的設計[J].自動化與儀表，2010.25（12）：46-49

[2] 崔燕南，劉永康，李開良等.基于聲音傳感器陣列的空間定位系統[J].科技導報，2010.28（19）：46-49

[3] 吳鋒，高下，李志宏等.聲音空間定位測聽系統的設計與實現[J].第四軍醫大學學報，2001.22（7）：656-658

[4] 秦龍.MSP430單片機C語言應用程序設計實例精講[M].電子工業出版社，2006.

[5] 劉志平，趙國良.基于nRF24L01的近距離無線數據傳輸[J].應用科技，2008.35（3）：55-58