基于STM32的聲音定位系統(tǒng)

1、基于STM32的聲音定位系統(tǒng)基于STM32的聲音定位系統(tǒng)引言1.1討論背景及意義隨著科技的進(jìn)步，定位已經(jīng)在我們的日常生活中扮演的角色越來越重要。確定一個(gè)聲源在空間中的位置是一項(xiàng)有寬闊應(yīng)用背景的好玩討論，將來可以將語音聲源定位應(yīng)用在可視電話、視頻會(huì)議等系統(tǒng)中檢測(cè)說話人的位置。聲源定位通過測(cè)量物體發(fā)出的聲音對(duì)物體定位，與使用聲納、雷達(dá)、無線通訊的定位方法不同，前者信源是一般的聲音，是寬帶信號(hào)，而后者信源是窄帶信號(hào)。對(duì)聲源位置確實(shí)定能給大家有效的利用聲音提供關(guān)心。事實(shí)證明，聲源定位系統(tǒng)是一個(gè)很有意義的討論課題。1.2設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套聲音定位系統(tǒng)。在一塊不大于1m2的平板上貼一張500mm×

2、350mm的坐標(biāo)紙，在其四角外側(cè)分別固定安裝一個(gè)聲音接收模塊，聲音接收模塊通過導(dǎo)線將聲音信號(hào)傳輸?shù)叫畔⑻幚砟K，聲音定位系統(tǒng)依據(jù)聲響模塊通過空氣傳播到各聲音接收模塊的聲音信號(hào)，判定聲響模塊所在的位置坐標(biāo)。同時(shí)對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)，要求：1設(shè)計(jì)制作一個(gè)聲響模塊，含信號(hào)產(chǎn)生電路、放大電路和微型揚(yáng)聲器等，每按鍵一次發(fā)聲一次，聲音信號(hào)的基波頻率為500Hz左右，聲音持續(xù)時(shí)間約為1s；2設(shè)計(jì)制作四路聲音接收模塊，由麥克風(fēng)、放大電路等組成，并分別與信息處理模塊相連接，以便將頻率為500Hz左右的信號(hào)傳送至信息處理模塊。3設(shè)計(jì)制作一個(gè)信息處理模塊，要求該模塊能依據(jù)從聲音接收模塊傳來的信號(hào)推斷聲響模塊所在位置的x、y

3、坐標(biāo)，并以數(shù)字形式顯示x、y坐標(biāo)值4具有顯示聲響模塊移動(dòng)軌跡的功能。當(dāng)聲響模塊在坐標(biāo)紙上按指定路徑移動(dòng)時(shí)，液晶顯示屏能動(dòng)態(tài)顯示聲響模塊移動(dòng)的軌跡，顯示的軌跡與聲響模塊移動(dòng)的路徑一致。2、聲音定位原理簡(jiǎn)述聲源定位是一種利用麥克風(fēng)陣列接收聲音信號(hào)，并使用信號(hào)處理等手段對(duì)其進(jìn)行分析處理，最終確定聲源所在位置的技術(shù).該技術(shù)在生產(chǎn)生活等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，在科研方面也同樣具有珍貴的價(jià)值。由于定位方式原理有所不同，一般可將聲源定位技術(shù)分為3類：1第一種是高辨別率譜估量定位技術(shù)，這種方法在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的定位效果不錯(cuò)，但計(jì)算量較大，且在處理寬帶信號(hào)上有所欠缺。2第二種方法是基于可控波束形成法，但為了使波束功率

4、到達(dá)最大值，需要對(duì)整個(gè)空間進(jìn)行掃描搜尋，計(jì)算量大，還需要了解背景噪聲等先驗(yàn)學(xué)問。3第三種定位算法是基于到達(dá)時(shí)間差技術(shù)，即TDOA。這也是如今最常用的一種方法。該方法主要有兩個(gè)步驟，分別是時(shí)延估量和定位估量，首先使用多組麥克風(fēng)對(duì)信號(hào)進(jìn)行接收，接著使用相關(guān)方法分別計(jì)算從而得到多組時(shí)延，然后由麥克風(fēng)陣列位置結(jié)合上一步求得的時(shí)延進(jìn)行定位，從而得到最終聲源的位置。這種方法的優(yōu)勢(shì)在于原理簡(jiǎn)潔，計(jì)算量較小，且不需要知道噪聲的先驗(yàn)學(xué)問。3、方案論證與選擇3.1總體設(shè)計(jì)方案論證與選擇針對(duì)本次課程設(shè)計(jì)任務(wù)，進(jìn)行分析得到：該聲音定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要由以下幾個(gè)模塊組成：聲響模塊、聲音信號(hào)接收模塊、信息處理顯示模塊。在這幾

5、個(gè)模塊中最主要的是聲音信號(hào)接收模塊，其功能是對(duì)聲響模塊發(fā)出的信號(hào)進(jìn)行采集并放大，采集到的信號(hào)簡(jiǎn)單失真、不穩(wěn)定，所以需要多次調(diào)試和修改電路。聲響模塊接受STM32F103驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出500HZ方波信號(hào)。聲音接收處理模塊接受駐極體接收，通過多級(jí)放大整波電路，將接收的信號(hào)經(jīng)放大、濾波、電壓比較排除噪聲干擾。再利用STM32F103微處理器處理接收到的信號(hào)，計(jì)算出位置坐標(biāo)，顯示模塊直接利用STM32F103自帶的FFT屏幕完成顯示。4、硬件設(shè)計(jì)4.1聲響模塊電路設(shè)計(jì)聲響模塊是由C8051F310單片機(jī)輸出頻率為500Hz的方波，然后從單片機(jī)引腳輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)過三極管后放大后，再接入到蜂鳴器。此時(shí)

6、蜂鳴器的輸出電流為35mA左右，供電電源為5V，發(fā)聲模塊的功率低于200mW，符合此題的要求。4.2聲音接收模塊接收部分是用麥克風(fēng)接收聲音信號(hào)。由于麥克風(fēng)接收到的信號(hào)在不經(jīng)過放大時(shí)信號(hào)很小，不易檢測(cè)，故后級(jí)利用運(yùn)算放大器將接收的信號(hào)進(jìn)行放大，已到達(dá)后級(jí)電路的要求。本次放大電路接受把運(yùn)算放大器接成同相比例放大電路，放大倍數(shù)由R5和R8共同確定，放大倍數(shù)Au=R5/R8+1，通過調(diào)整R5可以很方便的轉(zhuǎn)變放大倍數(shù)，以到達(dá)要求。5、軟件設(shè)計(jì)5.1發(fā)聲模塊流程圖題目中要求產(chǎn)生頻率為500HZ的方波信號(hào)驅(qū)動(dòng)蜂鳴器發(fā)聲，由于方波頻率f=500Hz周期T=1/500=2ms，讓定時(shí)器計(jì)滿1ms，蜂鳴器引腳輸出

7、“0，再計(jì)滿1ms，蜂鳴器接入單片機(jī)引腳輸出取反，這樣就可以產(chǎn)生500Hz的方波。5.2聲音處理及顯示模塊流程完全的聲音處理部分都接受STM32外部中斷和定時(shí)器完成。四個(gè)外部中斷的優(yōu)先級(jí)設(shè)置為同級(jí)，這樣就可以四路信號(hào)無所謂先后的進(jìn)行觸發(fā)。上電就把定時(shí)器和外部外部中斷初始化，然后等待四路信號(hào)的外部中斷觸發(fā)。當(dāng)任意一路外部中斷被觸發(fā)，則馬上啟動(dòng)四路定時(shí)器開始定時(shí)，每接收一路信號(hào)，則關(guān)掉相應(yīng)的定時(shí)器和外部中斷引腳，直到四路信號(hào)全部觸發(fā)完成，關(guān)掉全部定時(shí)器和外部中斷。然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理，利用數(shù)學(xué)方法計(jì)算出聲源位置，調(diào)用函數(shù)在TFT屏幕上顯示，完成一輪檢測(cè)。然后重復(fù)上述過程。6、結(jié)果分析與總結(jié)本次設(shè)計(jì)，

8、整體來說基本完成任務(wù)，測(cè)試結(jié)果說明，整個(gè)系統(tǒng)基本能滿足要求，四路模塊接收到的信號(hào)有先后順序，但是由于噪聲和毛刺的干擾，會(huì)有誤判的現(xiàn)象。本次課程設(shè)計(jì)遇到的問題比較多，最主要的緣由在于對(duì)信號(hào)處理方面學(xué)問的欠缺和模擬電路學(xué)問的缺乏。具體來說1.模擬電路學(xué)問缺乏：整個(gè)電路涉及到功率放大電路、信號(hào)放大電路、濾波電路、比較電路共四個(gè)主要部分的電路設(shè)計(jì)。在大學(xué)期間對(duì)于模擬電路的輕視，導(dǎo)致學(xué)問學(xué)習(xí)的不透徹，設(shè)計(jì)的電路有許多部分都參考了優(yōu)秀的經(jīng)典電路。為了能夠使設(shè)計(jì)到達(dá)，在課程設(shè)計(jì)期間，補(bǔ)充了許多模電學(xué)問。2.信號(hào)處理學(xué)問不夠：本次課程設(shè)計(jì)處理的信號(hào)僅僅是對(duì)聲音信號(hào)的處理，但是在處理過程中，遇到了毛刺干擾的問題，始終不能很好的