基于MSP430F449单片机的声音导引系统

卞晓晓 王玉才

摘 要： 设计了由声音导引小车运动的系统，该系统可以利用声音信号实现实时物体定位。系统由地面部分和移动小车部分构成。地面装置通过MSP430F449单片机控制nRF24L01无线模块发出控制指令，小车接收到相应控制指令后车上的扬声器发声。地面部分根据发送指令到接收声音的延迟时间，计算小车的坐标位置，导引小车运动。通过设计放大滤波电路，减少了环境噪声对系统性能的影响，提高了定位精度。

关键词： MSP430单片机； 声音定位； 导引； 滤波器设计

中图分类号：TP368.1 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2014）06-41-03

0 引言

目前国内外在测距及定位技术方面常用到激光测距、超声波测距、GPS定位、Wi-Fi定位、超宽带定位等技术[1]。目前随着声音测距技术的发展，使得定位技术又有了快速发展，在视频会议、语音识别、目标定位和助听装置等领域有着重要的应用[2-3]。本文给出一种基于MSP430F449单片机，利用音频信号实现声音定位，并精确导引小车（声源在移动小车上）到达指定目的地的声音导引系统设计与实现方法。对该系统的研究有利于智能产品在各领域的应用推广。

1 系统设计

1.1 设计目标

设计一个由声音导引系统，该系统可以利用声音信号实现即时物体定位，从而控制物体运动到指定位置。该系统由地面部分和移动小车部分构成。其中地面部分包括单片机控制模块、放大滤波模块、无线收发模块、显示模块。移动小车部分包括单片机控制模块、发声模块、无线收发模块、电机控制模块等。地面装置通过MSP430F449单片机控制nRF24L01无线模块发出控制指令[4]，小车接收到相应控制指令后使车上的扬声器发声。地面部分根据发送指令到接收声音的延迟时间，计算小车的坐标位置，导引小车的运动。实物布局与坐标如图1所示。

1.2 原理与计算

需要测量的数据为无线电信号与声音信号之间的时间差，从而可得出小车距接收器a的直线距离La：

1.3 软件控制原理

移动小车由电机控制芯片L298，无线接收模块，发声模块构成。地面系统发出使小车准备运动的信号，发出信号的同时开始计时，到地面麦克风接收到声音信号时计时停止，通过两者的时间差计算出小车距目标的距离，进而发送指令控制小车运动。地面上的系统可以通过显示屏实时显示小车距地面接收器的距离La和Lb。小车控制部分流程图和地面控制部分流程图分别如图2和图3所示。

1.4 发声部分电路设计

选择高频喇叭作为声源。输入信号接在函数信号发生器上，麦克的接收信号接在示波器上，调节信号发生器频率，发现喇叭在输入频率为40KHz左右时，麦克能明显接收到信号，而且受语音信号和电机声音信号的干扰较小。由于在实际中单片机发出40KHz频率信号时功率较小，在信号加到扬声器之前，采用4069作为反向器构成放大电路。电路中增加9013、9012实现放大功能，得到了更好的效果，其电路如图4所示。

1.5 电机驱动部分

采用L298驱动两个直流电机。虽然没有使用步进电机，采用直流电机配上码盘以后能够达到理想的精确控制效果。实际设计中，小车走过1米，码盘计数500下，精度可达2mm。

1.6 无线模块部分

无线电通信部分采用nRF24L01无线模块。该模块采用2.4GHz全球开放ISM频段，最高工作速率2Mbps，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合；具有126频道，满足多点通信和跳频通信需要；内置硬件CRC检错和点对多点通信地址控制；体积小巧。模块可软件设地址，只有收到本机地址时才会输出数据，可直接由各种单片机控制[5]。该无线模块采用PCB天线，传输距离十米左右。由于声波接收电路的有效距离在十米以内，所以该无线模块可以很好地满足设计要求。

1.7 声音接收部分电路设计

采用普通的麦克作接收端，经过反复调试，使选频网络的接收频率在4.4KHz左右。喇叭的输入频率是喇叭的起振频率，并不是发出的声波频率。声音接收电路主要包括前置放大、选频网络、全波整流、直流放大及整形电路，电路图如图5所示。选用的频率范围避免了日光灯等环境噪声对接收电路的干扰。在测试过程中这样的频率范围也避免了小车运动中直流电机工作产生的干扰。

1.8 程序设计部分代码

2 结束语

该系统能够根据声音信号的返回时间实现实时声源定位，具有低功耗、响应速度快、性价比高、定位精度较高的特点，因此在测距、定位方面具有一定的应用前景。实际应用中，可以通过改变声音频率改善声音接收效果，使本系统具有更宽的定位范围。

参考文献：

[1] 胡胜，杨雷，宋跃等.基于ARM7的声音导引系统的设计[J].自动化与仪表，2010.25（12）：46-49

[2] 崔燕南，刘永康，李开良等.基于声音传感器阵列的空间定位系统[J].科技导报，2010.28（19）：46-49

[3] 吴锋，高下，李志宏等.声音空间定位测听系统的设计与实现[J].第四军医大学学报，2001.22（7）：656-658

[4] 秦龙.MSP430单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].电子工业出版社，2006.

[5] 刘志平，赵国良.基于nRF24L01的近距离无线数据传输[J].应用科技，2008.35（3）：55-58