单片机声控定位系统doc汇总.docx
- 文档编号:17600622
- 上传时间:2023-07-27
- 格式:DOCX
- 页数:50
- 大小:1.46MB
单片机声控定位系统doc汇总.docx
《单片机声控定位系统doc汇总.docx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《单片机声控定位系统doc汇总.docx(50页珍藏版)》请在冰点文库上搜索。
单片机声控定位系统doc汇总
摘要
利用MCS-51作为硬件平台,在同一个平面内,使用NE555发出固定频率的声波,并且使用三个固定频率信号接收器来接收声音,在发第一次声音的时候开始计时,在第一个探头收到时截止。
由于声音是由物体振动产生,正在发声的物体叫声源。
声音以波的形式传播。
声音是声波通过任何物质传播形成的运动,并且声音在空气(15℃)中的速度是340m/s,所以可以用声音来计算出发声器与接收探头之间的距离,按上述方法做三次,经过计算,最后确定出发生器位置。
本次设计是基于MCS-51单片机的声控定位系统的设计,硬件部分主要是MCS-51单片机。
该系统采用了MCS-51作为控制电路核心。
单片机能够对采集的数字信号进行处理和判断,实现用声音定位出发声器的位置。
该设计的主要任务是根据外部控制和输入固定频率的声音信号量,这样可以实现对于一个物体的位置的确定。
关键词MCS-51平台;结构化程序语言;声音;数字信号采集
TheVoicepositioningsystembasedonArduino
Abstract
MCS-51hardwareplatformusing,inthesameplane,usingafixed-frequencysoundwavesissuedNE555andusingthreefixedfrequencysignalreceiverforreceivingsound,thesoundissuedwhenthefirststarttime,closingthefirstprobewhenclosed.Sincethesoundisproducedbyvibratingobjects,objectsbeingvocalsoundssources.Soundpropagationintheformofwaves.Soundisthemovementtoformsoundwavespropagatethroughanysubstance,andthespeedofsoundinair(15℃)inthe340m/s,soitcanbeusedtocalculatethedistancevoicesoundwaybetweentheprobeandthereceiver,threetimesbytheabovemethod,aftercalculation,thefinalizationofthegeneratorlocation.
ThisdesignisbasedontheMCS-51microcontrollervoicepositioningsystemdesign,hardwaremainlybytheMCS-51microcontroller.ThesystemusestheMCS-51asacontrolcircuitcore.Microcontrollerfordigitalsignalprocessingandcollectionofjudgments,implementersoundwithsoundlocalizationstartingposition.Themaintaskofthedesignisbasedonanexternalcontrolinputandtheamountoffixed-frequencysoundsignal,thiscanbeachievedforthedeterminationofthepositionofanobject.
KeywordsMCS-51platform;StructuredProgrammingLanguage;Sound;Digitalsignalacquisition
目录
摘要……
Abstract
第1章绪论1
1.1选题目的和意义1
1.2国内外现状1
1.3论文研究内容2
第2章开发环境及主要元器件3
2.1开发工具3
2.1.1MCS-51简介3
2.2使用的主要元器件6
2.2.1固定频率声音识别模块6
2.2.2LM5679
2.2.3固定频率发声器11
2.2.4NE55512
2.2.5LCD液晶显示器14
2.3本章小结16
第3章设计与实现17
3.1定位机理17
3.1.1强度差17
3.1.2时间差17
3.1.3音色差17
3.1.4位相差17
3.2系统基本流程图18
3.3程序设计思想:
19
3.3.1电平触发方式19
3.3.2整体平台设计20
3.3.3定位算法
(一):
20
3.3.4定位算法
(二):
21
3.3.5显示设计22
3.4本章小结24
第4章系统测试优化25
4.1测试基本内容26
4.1.1测试方法与仪器26
4.1.2测试数据完整性26
4.1.3测试结果分析26
4.2系统优化27
4.2.1程序优化27
4.2.2实体优化27
4.3本章小结29
结论30
致谢31
参考文献32
附录33
英文原文33
ThePhasetoDeveloptheSystem33
英文译文40
系统开发阶段40
第1章绪论
1.1选题目的和意义
人们经常借助听觉来判定发音物体的位置。
声音定位在人和动物的日常生活中着重要意义。
例如,当你独自行走时,突然听到一个响声.你会想到这个声音什么意思,对你有无威胁,它来自何方等等。
确定声音的方向和距离需要比较来自两耳的信息,虽然你会很快作出判断和反应,但声音定位过程是听觉系统复杂综合的功能。
现如今常用的定位系统都是应用超声波和无线电来进行的,例如雷达、声纳等等,而本次设计是利用我们大家能够听到的自然声来进行定位的,基于MCS-51单片机的声控定位系统的设计,硬件部分主要使用MCS-51单片机。
该系统采用了MCS-51作为控制电路核心。
单片机能够对采集的数字信号进行处理和判断,实现用可以听见的声音来定位出发声器的位置。
本次设计的意义是根据外部控制和输入固定频率的可以听见的声音信号量,经过接收处理,来实现对于一个发声物体的位置的确定。
1.2国内外现状
时至今日,声学的应用范围越来越广,在军事、医学、建筑等方面有举足轻重的地位,尤其是建筑声学更是建筑设计师们一直在研究的重点科目。
众所周知,大剧院是世界公认的工程技术难度最高的建筑,声学系统的建设更是核心难点,因此声音效果也成为了评判一家大剧院水准的重要衡量标准。
可喜的是近年来国内许多涉足声学设计的企业、单位也逐渐走向成熟,在这些组织中深圳中孚泰文化集团可为国内行业排头兵。
中孚泰是全球唯一一家专注于演艺建筑建设的企业,19年专注,中孚泰参与建设了全国60%的高端精品剧院建设,是唯一被有关部门授予“声学装饰科学研究院”的单位。
在中孚泰倾心打造的众多大剧院中,以广州大剧院、甘肃大剧院为代表在声音效果上已经超越了悉尼歌剧院,跻身国际一流水准。
现如今,语音识别步入了高速发展的时期,语音识别在某些领域已经走向成熟,同时随着多媒体时代的来临迫切要求语音识别系统从实验室走向应用,90年代初人们开始研究语音识别与自然处理结合,产生了基于口音识别和理解的人机对话系统。
90年代中期语音识别与机器翻译结合产生了直接语音翻译技术,并且应用到订票等各个领域。
1.3论文研究内容
在现在生活中,无论是军事,还是民用的方方面面,对于声波的利用可以说是多种多样,在军事上,人们利用超声波制作了千里眼和顺风耳,也就是雷达和声纳,这样使人们的视力和听力都得到了长足的发展,在战时更好的为人们预警,来保护友方安全;在生活中,我们用GPS等先进工具来进行定位,以至于不会迷路,找到自己所想要找的美景,医生们用超声波来清洁牙齿,使牙齿更亮白;在工业上,人们利用超声波来检查工件是否有裂痕,是否安全等。
我所研究的内容不只局限于超声波和次声波,而是利用大家都能听到的自然声音来进行声源的定位。
第2章开发环境及主要元器件
本章主要介绍系统研究设计需要的技术以及系统的主要功能,通过简单认识这些软件和开发技术来搭建一个好的开发环境供系统使用。
2.1开发工具
为了更好更有效的开发出系统,这里简单介绍一下所需要的开发工具和技术要求。
2.1.1MCS-51简介
MCS—51系列单片机的内部结构框图如图2―1所示
分析图2―1,并按其功能部件划分可以看出,MCS—51系列单片机是由8大部分组成的。
图2―2为按功能划分的MCS—51系列单片机内部结构简化框图。
这8大部分是:
一个8位中央处理机CPU。
128个字节(MCS—52子系列为256字节)的片内数据存储器RAM。
4KB(MCS—52子系列为8KB)的片内程序只读存储器ROM或EPROM(8031和8032无)。
18个(MCS—52子系列为21个)特殊功能寄存器SFR。
4个8位并行输入输出I/O接口:
P0口、P1口、P2口、P3口(共32线),用于并行输入或输出数据。
1个串行I/O接口。
2个(MCS—52子系列为3个)16位定时器/计数器。
1个具有5个(MCS—52子系列为6个或7个)中断源,可编程为2个优先级的中断系统。
它可以接收外部中断申请,定时器/计数器中断申请和串行口中断申请。
图2-1MCS-51系列单片机内部结构框图
图2-2MCS-51系列单片机内部结构简化框图
∙2.2.3单片机外部引脚说明
∙MCS—51系列单片机芯片均为40个引脚,HMOS工艺制造的芯片采用双列直插(DIP)方式封装,其引脚示意及功能分类如图2―3所示。
CMOS工艺制造的低功耗芯片也有采用方型封装的,但为44个引脚,其中4个引脚是不使用的。
∙
图2-3MCS-51系列单片机引脚及总线结构
(a)管脚图(b)引脚功能分类
1.主电源引脚Vcc和Vss
VCC(40脚):
接+5V电源正端;
VSS(20脚):
接+5V电源地端。
2.外接晶体引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚):
接外部石英晶体的一端。
在单片机内部,它是一个反相放大器的输入端,这个放大器构成了片内振荡器。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚接地;对于CHMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端。
XTAL2(18脚):
接外部晶体的另一端。
在单片机内部,接至片内振荡器的反相放大器的输出端。
当采用外部时钟时,对于HMOS单片机,该引脚作为外部振荡信号的输入端;对于CHMOS芯片,该引脚悬空不接。
3.控制信号或与其它电源复用引脚
控制信号或与其它电源复用引脚有RST/VPD、ALE/PROG、PSEN和EA/VPP等4种形式。
(1)RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
(2)(30脚):
当访问外部存储器时,ALE(允许地址锁存信号)以每机器周期两次的信号输出,用于锁存出现在P0口的低8位地址。
(3)(29脚):
片外程序存储器读选通信号输出端,低电平有效。
(4)(31脚):
为访问外部程序存储器控制信号,低电平有效。
4.输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
(1)P0口(39脚~32脚):
P0.0~P0.7统称为P0口。
(2)P1口(1脚~8脚):
P1.0~P1.7统称为P1口,可作为准双向I/O接口使用。
(3)P2口(21脚~28脚):
P2.0~P2.7统称为P2口,一般可作为准双向I/O接口。
(4)P3口(10脚~17脚):
P3.0~P3.7统称为P3口。
表2-3P3口第二功能表
2.2使用的主要元器件
2.2.1固定频率声音识别模块
此模块使用麦克风拾取声音信号,并对其进行2级放大处理,放大后的信号,使用LM567鉴频芯片,对信号进行鉴频识别。
使用精密电位器设定一个固定频率,LM567将麦克风的信号和设定信号频率对比,当频率相同时,输出一个开关信号量,已达到对固定频率进行音频识别的目标。
此驱动板适合于智能程控小车、机器人、声控开关等,可配合各种控制器使用。
模块电路原理图如图2-3所示:
图2-3固定频率声音识别模块电路原理图
该电路的放大器部分如图2-4所示,
图2-4识别模块放大电路部分电路图
它是两端放大,在前端把外界接收到的声音信号经过放大电路处理放大到100倍后传回后方的LM567芯片进行比较,等前方的频率和后方设置好的频率相当时,输出相应的信号,就这样实现了识别固定频率声音的作用。
如图2-5所示,图中的R13滑动变阻器的阻值来调节确定LM567的采样方波,这样就可以找到一个合适的位置来确定我们实验所需要的声音频率,再由前方放大电路发回来的放大信号对比以后输出,实现了对于固定声音频率的获取和识别的功能。
图2-5识别模块LM567部分电路图
参数指标:
1.板载放大器,对麦克风的声音进行100倍放大。
2.输入频率范围300Hz至20kHz。
3.距离,0-5m,此参数取决于音源的分贝数。
4.3v-12v直流供电;如果接5v单片机,请用5v。
模块电路原理图如图2-6所示:
图2-6固定频率声音识别模块结构图
接口说明:
GND:
电源地
VCC:
电源正极,3V至12V,直流。
如果使用5V单片机,请使用电流。
OUT:
输出,识别到设定频率的声音是,输出低电平。
FIN:
鉴频器信号输出管脚,可输入需要鉴别的频率,注意幅值小于0.2V。
FOUT:
鉴频器耦合频率输出管脚,该管脚输出频率器设定的鉴别频率。
ROUT:
放大器实时输出管脚,检查音频放大信号的实时输出。
注意事项:
1.电源正负极不要接反。
2.使用前应当调节滑动变阻器,把指示灯调灭才能开始使用,因为在环境中存在噪声,所以使用时应当把频率设置到噪声比较小的频率区域。
2.2.2LM567
LM567为通用锁相环电路音调译码器,LM567的工作方式非常复杂,其引脚图如图2-7所示:
图2-7LM567引脚图
这里仅将其基本功能概述如下:
当LM567的③脚输入幅度≥25mV、频率在其带宽内的信号时,⑧脚由高电平变成低电平,②脚输出经频率/电压变换的调制信号;如果在器件的②脚输入音频信号,则在⑤脚输出受②脚输入调制信号调制的调频方波信号。
用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。
主要用于振荡、调制、解调、和遥控编、译码电路。
如电力线载波通信,对讲机亚音频译码,遥控等。
①、②脚通常分别通过一个电容器接地,形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
②脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽:
电容值越大,环路带宽越窄。
①脚所接电容的容量应至少是②脚电容的2倍。
③脚是输入端,要求输入信号≥25mV。
④脚是电源正极
⑤、⑥脚外接的电阻和电容决定了内部压控振荡器的中心频率f2,f2≈1/1.1RC。
⑦脚是电源地
⑧脚是逻辑输出端,其内部是一个集电极开路的三极管,允许最大灌电流为100mA。
LM567的工作电压为4.75~9V,工作频率从直流到500kHz,静态工作电流约8mA。
2.2.3固定频率发声器
固定频率发声器的电路图如图2-8所示:
图2-8固定频率发声器电路图
该模块是由两个滑动变阻器来调节发声频率的元器件,其中由四个电容并联出的一个震荡电路来输出固定的声音频率,使得符合设计需要固定频率声音。
其中该电路是由单稳态触发器如图2-9所示:
2-9单稳态触发器电路图
单稳态触发器只有一个稳定状态,一个暂稳态。
在外加脉冲的作用下,单稳态触发器可以从一个稳定状态翻转到一个暂稳态。
由于电路中RC延时环节的作用,该暂态维持一段时间又回到原来的稳态,暂稳态维持的时间取决于RC的参数值。
单稳态触发器可以实现脉冲整形功能。
利用单稳态触发器能产生一定宽度的脉冲这一特性,可以将过窄或过宽的输入脉冲整形成固定宽度的脉冲输出。
如图2-10所示的不规则输入波形,经单稳态触发器处理后,便可得到固定宽度、固定幅度,且上升、下降沿陡峭的规整矩形波输出。
2-10脉冲整形
因此,我们可以利用这个特性,再加上利用滑动变阻器的调节得到我们想要的固定频率的声音。
2.2.4NE555
NE555是属于555系列的计时IC的其中的一种型号,NE555系列IC的接脚功能及运用都是相容的,型号不同、价格不同,其稳定性、还有省电程度、可产生的振荡频率也不大相同。
NE555是一个用途很广且相当普遍的计时IC,只需少数的电阻和电容,便可产生数位电路所需的各种不同频率之脉波讯号。
通过两个精确电位器来调节发出声音的频率。
NE555的结构图如图2-11所示:
图2-11NE555结构图
管脚信息:
Pin1(接地)-地线(或共同接地),通常被连接到电路共同接地。
Pin2(触发点)-这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。
触发信号上缘电压须大于2/3VCC,下缘须低于1/3VCC。
Pin3(输出)-当时间周期开始555的输出输出脚位,移至比电源电压少1.7伏的高电位。
周期的结束输出回到O伏左右的低电位。
于高电位时的最大输出电流大约200mA。
Pin4(重置)-一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。
它通常被接到正电源或忽略不用。
Pin5(控制)-这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。
当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。
Pin6(重置锁定)-Pin6重置锁定并使输出呈低态。
当这个接脚的电压从1/3VCC电压以下移至2/3VCC以上时启动这个动作。
Pin7(放电)-这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力,当输出为ON时为LOW,对地为低阻抗,当输出为OFF时为HIGH,对地为高阻抗。
Pin8(V+)-这是555个计时器IC的正电源电压端。
供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。
主要特点:
1.只需简单的电阻器、电容器,即可完成特定的振荡延时作用。
其延时范围极广,可由几微秒至几小时之久。
2.它的操作电源范围极大,可与TTL,CMOS等逻辑电路配合,也就是它的输出电平及输入触发电平,均能与这些系列逻辑电路的高、低电平匹配。
3.其输出端的供给电流大,可直接推动多种自动控制的负载。
4.它的计时精确度高、温度稳定度佳,且价格便宜。
2.2.5LCD液晶显示器
科学家发现一种物质在常态下是处于固态和液态之间,不仅如此,其还兼具固态物质和液态物质的双重特性。
在那个年代并没有对于此物质的适当称呼,因此就称之为液态的晶体。
由这种物质制造出来的显示器叫做液晶显示器。
液晶显示器的工作原理:
我们很早就知道物质有固态、液态、气态三种型态。
液体分子质心的排列虽然不具有任何规律性,但是如果这些分子是长形的(或扁形的),它们的分子指向就可能有规律性。
于是我们就可将液态又细分为许多型态。
分子方向没有规律性的液体我们直接称为液体,而分子具有方向性的液体则称之为“液态晶体”,又简称“液晶”。
液晶产品其实对我们来说并不陌生,我们常见到的手机、计算器都是属于液晶产品。
液晶是在1888年,由奥地利植物学家莱尼茨尔(Reinitzer)发现的,是一种介于固体与液体之间,具有规则性分子排列的有机化合物。
一般最常用的液晶型态为向列型液晶,分子形状为细长棒形,长宽约1nm~10nm,在不同电流电场作用下,液晶分子会做规则旋转90度排列,产生透光度的差别,如此在电源ON/OFF下产生明暗的区别,依此原理控制每个像素,便可构成所需图像。
其液晶显示器原理图如2-12所示:
图2-12液晶显示器原理图
LCD液晶显示器的基本特点:
1.具有低功耗、供应电压范围宽等特点。
2.具有16common和61segment输出,并可外接驱动IC扩展驱动。
3.具有2560位显示RAM(DDRAM),即80×8×4位。
4.具有与68系列或80系列相适配的MPU接口功能,并有专用的指令集,可完成文本显示或图形显示的功能设置。
本次设计使用的是LCD1602,其结构图如图2-13:
图2-13LCD1602结构图
1602液晶也叫1602字符型液晶,它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5*7或者5*11等点阵字符位组成,每个点阵字符位都可以显示一个字符,每位之间有一个点距的间隔,每行之间也有间隔,起到了字符间距和行间距的作用,正因为如此所以它不能很好地显示图形。
引脚说明:
1602采用标准的16脚接口,其中:
第1脚:
VSS为电源地。
第2脚:
VDD接5V电源正极。
第3脚:
V0为液晶显示器对比度调整端,接正电源时对比度最弱,接地电源时对比度最高(对比度过高时会产生“鬼影”,使用时可以通过一个10K的电位器调整对比度)。
第4脚:
RS为寄存器选择,高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。
第5脚:
RW为读写信号线,高电平1时进行读操作,低电平0时进行写操作。
第6脚:
E(或EN)端为使能(enable)端。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据端。
第15~16脚:
空脚或背灯电源。
15脚背光正极,16脚背光负极。
2.3本章小结
本章首先介绍了本系统的开发平台Arduino的定义以及其使用的优势,然后介绍了系统中使用的主要模块,包括固定频率声音识别模块、固定频率发声器、NS555和LM567的结构图、电路图,以及液晶显示器的部分电路图,还有模块的一些管脚信息、注意事项、和特点等。
第3章设计与实现
3.1定位机理
3.1.1强度差
高频的声音刺激,由于它的波长较短,如果一个高频声波来自一侧,头部本身就成为了声音传播的障碍物,使其到达侧耳中的音强受到耗损,这样在两耳之间形成了强度差,导致神经元单位发放频率的不对称。
一般成年人能准确定位2000-3000Hz的声音。
3.1.2时间差
来自正前方的声音同时到达双耳,来自正侧方的声音到达近侧耳朵的时间比远侧耳朵约快600ms,介于两者之间的声音到达双耳的时间差为0-600ms之间。
到达的时间对有特征的、突然发生的声源定位是很有用的。
3.1.3音色差
声波如果从右侧的某个方向上传来,则要绕过头部的某些部分才能到达左耳。
已知波的绕射能力同波长与障碍物尺度之间的比例有关。
人头的直径约为20cm,相当于1700Hz声波的波长,所以频率为1000Hz以上的声波绕过头颅的能力较差,衰减越大。
也就是说,同一个声音中的各个力量绕过头部的能力各不相同,频率越高的分量衰减越大。
于是左耳听到的音色同右耳听到音色就有差异。
只要声音不是从正前方(或正后方)来,两耳听到音色就会不同,这也是人们判别声源方位的一种依据。
3.1.4位相差
低频的声音刺激,它的波长较长,头的阻隔作用小,双耳听到的声音强度差别也较小。
在这种情况下,判定声源方位主要靠双耳感受声音位
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 单片机 声控 定位 系统 doc 汇总