基于MSP430單片機的聲音定位系統

尹彩霞 張謙述

【摘要】本系統采用兩片低功耗MSP430單片機作為控制器，控制整個聲音定位系統的協調工作，利用Msp430g2553的I/O口輸出基波頻率為500HZ，持續時間約為1S的聲音信號，再經過聲音接收模塊將接收到的信號送至MSP430F169信息處理模塊處理。在一塊平板上貼一張500mmx350mm的坐標紙，在其四角外側分別固定安裝一個聲音接收模塊，通過駐極體話筒檢測音頻信號，然后聲音接收模塊通過導線將頻率為500HZ左右的聲音信號傳送至信息處理模塊，此聲音定位系統根據聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標，并以數字形式在液晶上顯示X、Y坐標值。

【關鍵詞】低功耗MSP430單片機;聲音定位;聲音接收模塊;聲響模塊

1.研究聲音定位系統的目的與作用

聲音是人類常用的工具，是傳遞和獲取信息中非常重要的一種。不同物體往往發出自己特有的聲音，而根據物體發出的聲音，就可以判斷出物體的方位。現在，人類已經進入信息化時代，聲源定位技術的研究，使人們能更加有效地產生、獲取和應用處理聲音信息，這對于當今社會的發展具有十分重要的意義。

綜上所述，聲音定位系統的研究對我們的軍事、教育、生活等都有很重要的意義。所以，聲音定位系統的研究是一項提升我國綜合國力的長期項目，對我國科技發展有著十分重要的作用。

2.系統方案

2.1 系統任務

設計一個簡單的聲音定位系統，根據聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標，并以數字形式在液晶上顯示X、Y坐標值。

2.2 系統整體方案

根據題目的基本要求，為完成相應功能，本設計提出的方案如圖2.1所示。整個系統劃分為以下幾個基本模塊：電源模塊、Msp430g2553小系統、聲響模塊、聲音接收模塊、信息處理模塊、顯示模塊。

圖2.1 系統總體框架

2.3 各模塊方案

控制器模塊采用TI公司的兩片低功耗MSP430單片機作為主控制芯片。MSP430系列單片機是一個16位的單片機，采用了精簡指令集（RISC）結構，具有豐富的尋址方式（7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址）、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令;大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算;還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

MSP430系列單片機能在25MHz晶體的驅動下，實現40ns的指令周期。16位的數據寬度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能實現乘加運算）相配合，能實現數字信號處理的某些算法（如FFT等）。

MSP430單片機工作頻率高，功耗低，有大量的寄存器以及片內數據存儲器可參加多種運算，并且MSP430g2553小系統簡單，可以很方便的做I/O口擴展，節約了資源。

聲響模塊用Msp430g2553單片機做聲響模塊。用Msp430g2553單片機產生一個較穩定的500HZ的方波信號，經三極管驅動后，送入高精度電子揚聲器發聲。這樣做出的聲響模塊既簡單，使用又方便，并且能夠得到比較穩定的基波頻率為500HZ的聲音信號，此外，它的功耗小。

聲音接收模塊用LM567和放大器LM358組成聲音接收模塊。聲音接收模塊首先將接收到的微弱聲音信號通過兩級放大器放大，然后再通過中心頻率為500HZ的帶通濾波器濾除雜波，得到500HZ穩定的方波。此模塊先由放大器LM358將聲音放大，LM567 為通用鎖相環電路音調譯碼器 ，廣泛用于各種接收端的音碼解調，因此用LM567進行音頻放大，通過濾波網絡，濾掉雜波，使接收到的方波信號比較穩定，而且做此模塊需要的資源少，價格便宜。

圖3.2 聲響模塊電路

信息處理模塊根據接收到的聲音傳輸時間差來對聲響模塊定位。聲響模塊發出的聲音傳到不同的接收器時間不同，根據不同的接收時間進行定時計數，做差值，可以判斷出聲響模塊距離不同聲音接收模塊的位置差，從而確定出聲響模塊的具體位置坐標。

3.硬件電路設計與制作

3.1 電源部分

由于系統中各模塊需要的電壓不同，為了實現單電池供電，我們將7812、7805和LM317可調電壓做到一個板子上，實現了12V電壓、5V電壓、可調電壓三路電壓輸出功能。具體電路如圖3.1所示：

圖4.1 主程序流程圖

3.2 聲響模塊電路設計

聲響模塊首先通過單片機定（下轉第62頁）（上接第34頁）時器，在I/O口輸出一個較穩定的500HZ的方波信號，通過三極管的放大后，送入高精度電子揚聲器發聲。

3.3 聲音接收處理模塊電路設計

通過駐極體話筒接收，將微弱的音頻信號經LM358兩級放大和LM567組成的濾波電路濾波后成500HZ的方波，如圖3.3所示。

4.程序流程圖

此系統的主程序流程圖如圖4.1所示。

5.結束語

測試結果表明，每按鍵一次發聲一次，聲音信號的頻率能夠穩定在500HZ左右，聲音持續時間約為1s。

聲響模塊采用3V以下電池供電，功耗也沒有超過200mW。四路聲音接收模塊將頻率為500HZ左右的信號傳送至信息處理模塊，通過算法能夠確定聲響模塊所在位置的X、Y坐標，并在液晶上顯示坐標。

定位坐標測試：此聲音定位系統根據聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音時間差，再通過單片機計算，判定聲響模塊所在的位置的X、Y坐標，并以數字形式顯示出X、Y坐標值。

基本要求位置坐標值誤差的絕對值不大于30mm，發揮部分要求位置坐標值誤差的絕對值不大于10mm，測試結果如表1所示：

表1 坐標測試數據

測量

次數 實際坐標值（mm） 顯示坐標值（mm） 絕對誤差（mm）

1 （250，150） （260，144） 11.66

2 （320，250） （310，235） 18.02

3 （350，250） （350，263） 13.00

經計算得出，聲響模塊位置坐標值誤差絕對值都不大于30mm，滿足基本要求。

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