摘要本設計是一種基於微控制器的可移動聲源定位系統的研究與實現。採用c8051f330晶元為主體，搭建外圍電路組成聲響模組，產生500hz，功耗不高於200mw的聲音頻號。再通過fpga採集4個麥克接收的時間差，傳到以c8050f020為主體的控制模組通過一定的演算法計算，在128x64解析度的液晶顯示聲響模組的座標以及運動軌跡。
關鍵字：c8051f330；fpga；c8050f020；聲源定位；
一、方案論證與比較
1.1聲響模組方案比較
應要求：每按鍵一次發聲一次，聲音頻號的基波頻率為500hz左右，聲音持續時間約為1s。要求聲響模組採用3v以下電池供電，功耗不大於200mw。
分析知，為保證基波頻率為500hz左右，是以500hz的矩形波為主的訊號傳送，功率要求不大於200mw，那麼應以低脈寬來達到此要求。
方案一：採用模擬器件搭建乙個訊號發生電路，如自激電路，與邏輯閘電路配合，再經由三極體放大電路驅動揚聲器發聲。人為通過純電路產生某個可識別訊號，電路構造複雜，在接收模組中又易受干擾，而且難度過大，在接收模組亦難識別。
方案二：採用c8051f330微控制器發生符合要求的聲音頻號，再通過三極體驅動揚聲器發聲。此方案靈活方便，電路和程式簡單，權衡之下選擇方案二作為聲響模組設計方案。
1.2聲音接收模組方案比較
當聲音資訊通過空氣向四周振動傳送，利用麥克風對空氣振動的敏感性，提出利用麥克風採集聲音的方案。
方案一：設想聲音在空氣中傳播時，距離聲波越遠接收到的訊號也越小，通過麥克風放大電路檢測訊號大小來計算出點與聲源的距離。但實際操作中，由於距離與接收聲強關係未知，準確度較低，不能準確定位。
方案二：將麥克風接收到的聲音頻號，通過lf353前置放大電路，帶通濾波電路，再通過比較電路獲得與聲源模組相似的矩形波，再由資訊處理模組。該方案，電路簡單，與所傳送資訊吻合性高，抗干擾性強，故選用。
二、聲源定位分析計算
給座標紙四角的接收模組編號，左上：0，左下：1，右下：2，右上：3。其位置座標分別是聲源所在位置座標是（x，y）。則接收模組與聲源之間的距離為
i=0，1，2，32-12-2）
其中2-3）
令表示聲源與號接收模組和0號接收模組之間的距離差，則
2-4）
其中表示聲音傳播的速度，是接收模組測量值。
2-5）
式中，，將x，y，r視為未知數，則據式2-7可列出3個方程組成線性方程組。解出
三、單元電路分析與設計
3.1聲響模組電路設計
聲響模組電路基於c8051f330最小系統產生聲波訊號，經過三極體放大電路驅動揚聲器。通過按鍵開關控制模式選擇以及單次聲波輸出。電路圖如下：
圖2、復位電路和麥克風電路
圖3、按鍵電路及施密特觸發器電路
3.2聲音接收模組電路設計
聲音接收模組有幾部分組成，麥克風，一級放大電路，高通濾波電路，二級放大電路，低通濾波電路以及比較電路。電路原理圖詳見附頁。
麥克風接收到聲波訊號經過兩級放大電路處理，再經過高通濾波器已經低通濾波器，將不需要的雜波訊號濾除，最後經過比較器可以使正弦訊號變成矩形波訊號從而得到與輸入波形較為接近的波形，使資訊處理電路便於檢測計算。一級放大電路反相端輸入放大幾百倍，經二階高通濾波濾去低頻訊號，二級放大電路放大20倍，使訊號失真成方波。
四、系統程式設計
4.1聲響模組
為滿足題中的單次發聲和連續發生的要求，通過微控制器的i/o口控制按鍵實現，同時為了是發聲模組的功耗小於200mw,採用輸出含有題目要求的500hz基波的窄脈衝和一定時間的低電平的矩形波。
4.2資訊處理模組
整個系統通過fpga和微控制器進行資料檢測及處理，同時通過微控制器的按鍵進行切換顯示，其中最重要的是fpga和微控制器間的通訊，而微控制器通過讀取按鍵的值key進行不同處理，當key=1時顯示影象，當key=0時顯示軌跡。
圖 5 微控制器部分程式框圖
五、系統測試及結果分析
5.1 測試儀器
恆壓源 motech lps-305
萬用表 ut53 multimeter
示波器 oscilloscope gos-620
座標紙 350×500 mm2
5.2 測試資料
（1）聲音頻號指標測試
聲響模組每按鍵一次發聲一次，聲音頻號的基波頻率保持500hz左右，聲音持續時間為1.2s
（2）聲響模組功耗測試
通過測量聲響模組電流28.9ma，電壓為3v，功耗小於200mw，滿足題目要求。
（3）座標顯示測試
5.3測試結果分析
經過測試，本設計滿足了聲源模組的需求，輸出500hz聲波，功耗小於200mw。顯示定點座標時仍然有較大誤差。
六、結論
本系統使用自己建立的聲源模組發出固定的聲波訊號，並且利用自建的四路聲音接收模組和乙個基於fpga和微控制器的資訊處理模組來進行聲音的定位。在自己建立的區域內，通過聲源模組發出500hz的聲波型號，在四個角上的麥克風取樣後經過處理傳至fpga計算出4個訊號的時間差，從而利用微控制器計算並顯示出他們的座標，實現定位。
附頁：麥克風接收電路
一級放大電路及高通濾波電路
二級放大電路及低通濾波電路
比較電路
聲音定位系統
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聲音的技術評價
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