2023年F题【基于声传播的智能定位系统】电赛，一拳打爆队

系统设计方案论证分析

本系统主要由扫频信号发生装置、功率放大电路、声电转换装置、电声转换装置、小信号放大电路、电压比较器电路、串口屏、STM32F407最小系统板等组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1、 扫频信号发生装置方案论证与选择
方案一：使用AD9854模块产生扫频信号
方案二：使用AD9959模块产生扫频信号
AD9959和AD9854都是ADI公司生产的数字频率合成器(DDS) 芯片，它们的主要区别在于以下几个方面:
（1）工作频率范围:AD9959的工作频率范围更广，可达到500 MHz，而AD9854的工作频率范围为0~52.5 MHz
（2）频率分辨率:AD9959的频率分辨率更高，可达到0.028 Hz，而AD9854的频率分 辨率为0.0291 Hz。
（3）数字接口: AD9959采用SPI接口进行控制和数据传输，而AD9854采用并行接口。
综上所述，AD9959和AD9854在工作频率范围、频率分辨率、输出通道数、数字接口和供电电压等方面存在差异，经过比较我们选择了采用SPI接口进行控制和数据传输的AD9959，使系统控制更加方便。

2、电声转换装置方案论证与选择
方案一：通过导电线圈使强磁铁发生振动。将磁铁吸在亚克力板上，并在外围放置线圈，给线圈供电，产生磁场，使磁铁发生振动，但实际测试发现，其振动无法传入亚克力板，故放弃此方案。
方案二：使用普通扬声器作为声源。将扬声器的音圈通过双面胶与亚克力板粘住，但发现扬声器并不能带动亚克力板发生震动使声音能够在亚克力板中传输。
方案三：使用骨传导喇叭，将骨传导喇叭的震动面通过双面胶与亚克力板粘住，发现可以使亚克力板产生有效震动传递声音。
综合以上方案，选择方案三。

3、声电转换装置方案论证与选择
方案一：将麦克风咪头紧贴亚克力板，接收从亚克力板传来的声音信号，但经实验发现，咪头容易受空气振动影响，无法确定收到的信号是来自亚克力板还是空气，不满足题目要求仅限于利用在平板材料内部的声波信号。
方案二：使用压电陶瓷片贴紧亚克力板，使用光固胶将陶瓷片与亚克力板粘紧，以便其更好的接收板面的振动，且与咪头相比，压电陶瓷片不易受空气振动影响，可以很好的满足题目设计的需求。
综合以上，选择方案二。

4、 显示方案的论证与选择
关于显示方案，我们选择采用串口屏显示，串口屏具有显示信息多、内容丰富、控制方便等特点，同时串口屏可独立运行基本程序，便于编码设计。

系统理论分析与计算

1、 敲击位置识别原理

如图所示，在三个Z区域的中心点分别放置一个声音接收装置，假设P点为敲击位置点，当敲击后振动信号由P点向四周扩散，由于距离不同，到达三个接收装置的时间有差异，我们通过测量这个时差就可以得到P点距离三个接收装置的距离差，在数学上可以将P点看成以AB为焦点和BC为焦点的双曲线的交点，当得到两个时间差比计算出距离差之后，就可以通过联立两个方程的到相应的横纵坐标，方程的解会有4个，可以根据判断距离P点最近的接收装置确定正确的解。

2、 关于发挥部分
（1）放置的物件进行探测和定位我们首先考虑的是在亚克力板周围缠绕线圈，当输入电压为特定频率时磁铁圆片产生谐振，使之发声进而通过基础部分的方法进行计算分析，但题目中要求电声/声电部件和必要的支撑固定部件必须都安装在平面板区域 Z 内因此不能实现；
（2）继而我们考虑将亚克力板和磁铁看作系统，得到冲激响应，通过机器学习和神经网络，通过不断实验构建数据集进行训练得到分类器；但由于时间有限未能完成，但经过不断测试观察冲激响应验证了这一方法的可行性。

五、总体设计框图