基于麥克風(fēng)陣列聲源定位識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u202701引言 [5]。2基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)工作原理本次設(shè)計(jì)中，利用四個(gè)聲音傳感器模塊，成十字排列組成麥克風(fēng)陣列，其排列方式如圖1所示。水平放置支架，模塊的收音器件麥克風(fēng)均朝上，能夠完成朝向范圍內(nèi)收音功能。接收聲源聲音信號(hào)后，經(jīng)單片機(jī)程序處理，比較互相關(guān)的值。例如MIC1與MIC2互相關(guān)的值大于MIC1與MIC4互相關(guān)的值，則表明聲源更可能處于MIC1、MIC2之間而不是MIC1、MIC4之間，再通過(guò)比較MIC1與MIC2之間的強(qiáng)度大小，進(jìn)一步細(xì)分方位，以輸出最終的聲源方位。圖1麥克風(fēng)陣列排列圖3基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)預(yù)期功能基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)利用麥克風(fēng)陣列對(duì)信號(hào)源聲音信號(hào)進(jìn)行采集、放大，送往STM32F103C8T6單片機(jī)進(jìn)行濾波、歸一、互相關(guān)等算法處理，判斷聲源的方位，可確定聲源位于平面內(nèi)八方位之一，再由雙180°舵機(jī)進(jìn)行指示，便于快速判斷方位。具有OLED顯示模塊，可實(shí)時(shí)顯示各麥克風(fēng)信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換后原始數(shù)據(jù)，以供麥克風(fēng)模塊的快速測(cè)試及維修。3.2系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。本系統(tǒng)由信號(hào)采集系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、顯示系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)組成。信號(hào)采集系統(tǒng)由麥克風(fēng)陣列及放大電路組成，檢測(cè)聲音信號(hào)并進(jìn)行初步處理后送往控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)使用微控制器，對(duì)接收到的信號(hào)識(shí)別后進(jìn)行處理分析，并控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作及顯示系統(tǒng)的顯示。執(zhí)行系統(tǒng)由雙180度舵機(jī)組成，兩舵機(jī)配合，能夠進(jìn)行360°聲源方位指示。顯示系統(tǒng)采用了OLED液晶顯示屏，顯示信號(hào)采集系統(tǒng)原始AD轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)以便檢查傳感器模塊。圖2基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖3.3本設(shè)計(jì)器件選型和介紹器件的選型如表1所示。STM32F103C8T6作為基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)的主控制器；麥克風(fēng)進(jìn)行聲音信號(hào)采集，經(jīng)LM386芯片放大后交予主控制器處理；OLED顯示屏顯示各麥克風(fēng)模塊經(jīng)主控制器AD轉(zhuǎn)換后數(shù)據(jù)；5V可供180°舵機(jī)進(jìn)行聲源方位指示。表1器件的選型及其功能序號(hào)器件名稱功能1STM32F103C8T6主控制器2聲音傳感器模塊采集聲音信號(hào)3OLED顯示屏顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)4SG90舵機(jī)指示方位此次設(shè)計(jì)的主控制器STM32F103C8T6如圖3所示。此芯片基于ARMCortex-M內(nèi)核設(shè)計(jì)，是32位微控制器，其特點(diǎn)是性能高且低功耗，具備20KB的SRAM和64KB的Flash儲(chǔ)存器，還具備多種接口、可達(dá)72MHz的工作頻率,其工作電壓一般為2-3.6V，此芯片I/O端口數(shù)量多，響應(yīng)速度快，同時(shí)還具有ADC、定時(shí)器等模擬外設(shè)。其豐富的外設(shè)、強(qiáng)大的處理能力、廣泛的應(yīng)用范圍以及良好的社區(qū)支持，在許多項(xiàng)目中都得到了廣泛使用。圖3STM32F103C8T6控制模塊聲音檢測(cè)預(yù)處理采用的是聲音傳感器模塊，實(shí)物圖如圖4所示。通過(guò)麥克風(fēng)來(lái)接收聲音信號(hào)，由于麥克風(fēng)輸出的電流很微弱，故需經(jīng)電容濾波后送往運(yùn)算放大器芯片進(jìn)行處理。運(yùn)算放大器不僅能精確放大麥克風(fēng)產(chǎn)生的微弱型號(hào)，還能將信號(hào)的原始特性保持不變，再使用電位器調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的增益可控制經(jīng)其輸出信號(hào)的強(qiáng)度，以適應(yīng)多種情況。圖4模擬聲音傳感器模塊方位指示采用了SG90舵機(jī)，實(shí)物圖如圖5所示。該舵機(jī)是一種小型的伺服電機(jī)，其具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜、快速響應(yīng)的特點(diǎn)及良好的穩(wěn)定性。其功能十分強(qiáng)大，能夠利用PWM調(diào)控其旋轉(zhuǎn)方式，還可根據(jù)控制信號(hào)來(lái)輸出指定的角度情況以實(shí)現(xiàn)較為精確的角度控制。圖5SG90舵機(jī)信息顯示選用了0.96寸OLED顯示屏，實(shí)物圖如圖6所示。該顯示屏色彩鮮艷飽滿，屏幕上四分之一部分為黃光，屏幕下四分之三部分為藍(lán)光，其響應(yīng)速度快、功耗低、還采用薄型設(shè)計(jì)使重量較輕，其接口具備的高兼容性更方便用戶選擇，與此同時(shí)它還具有強(qiáng)大的顯示功能，128*64的像素分辨率能夠清晰地顯示文本及圖像信息。圖6OLED顯示屏4基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1單片機(jī)最小系統(tǒng)電路STM32F103C8T6正常工作需為其配備3.3V工作電壓，還需復(fù)位電路讓NRST引腳低電平以復(fù)位到初始狀態(tài)。其時(shí)鐘則由8MHz晶振和電容組成，確保其工作依時(shí)間順序。其最小系統(tǒng)如圖7所示。復(fù)位電路、時(shí)鐘電路、電源和地線均按需連接，可滿足單片機(jī)運(yùn)行的基本要求。圖7單片機(jī)最小系統(tǒng)圖4.2聲音傳感器電路本次設(shè)計(jì)中，聲音傳感器電路圖如圖8所示。D1是LED燈能在電源接通時(shí)亮起，為電源指示燈，麥克風(fēng)對(duì)聲音信號(hào)進(jìn)行采集，其信號(hào)經(jīng)C1濾波后送往LM386芯片進(jìn)行信號(hào)放大并輸出，而電位器RP則能夠調(diào)整輸出值的大小，以供后續(xù)處理，C2起去耦作用，防止直流信號(hào)干擾音頻信號(hào)。此傳感器電路利用諸多電容進(jìn)行濾波、去耦等操作，以確保信號(hào)最終質(zhì)量。圖8聲音傳感器電路4.3SG90舵機(jī)與單片機(jī)連接電路本次設(shè)計(jì)中，采用雙SG90舵機(jī)來(lái)指示聲源方位，其連接電路如圖9所示。該舵機(jī)具有三個(gè)引腳，其中VCC與5V電源相連、GND與電源GND相連接用于給舵機(jī)供電，而DATE數(shù)據(jù)輸入引腳則與單片機(jī)PA6引腳連接以接收單片機(jī)的PWM信號(hào)，以此完成方位指示，另一舵機(jī)DATA與PA7連接，原理一致故不展示。圖9SG90舵機(jī)連接電路4.4OLED顯示屏與單片機(jī)連接電路本次設(shè)計(jì)中，采用0.96寸OLED顯示屏來(lái)顯示各麥克風(fēng)數(shù)據(jù)，其連接電路如圖10所示。該顯示屏有四個(gè)引腳，其中VCC和GND分別連接對(duì)應(yīng)工作電壓及接地，以保障顯示屏供電。SCL引腳則與單片機(jī)PB8引腳連接，控制數(shù)據(jù)在顯示屏和控制器之間的傳輸速度，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確和及時(shí)傳輸，SDA引腳與單片機(jī)PB9引腳連接，負(fù)責(zé)在微控制器和顯示屏之間發(fā)送和接收數(shù)據(jù)以實(shí)現(xiàn)OLED顯示屏的顯示功能。圖10OLED顯示屏連接電路5基于麥克風(fēng)聲源定位系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1主程序設(shè)計(jì)系統(tǒng)主程序流程圖如圖11所示。主程序開(kāi)始后先對(duì)所有模塊進(jìn)行初始化，在主函數(shù)中先利用while(1)循環(huán)啟動(dòng)將讀取到的數(shù)據(jù)在OLED實(shí)時(shí)上顯示，KEY1按下后，開(kāi)始計(jì)算聲源位置，改變兩舵機(jī)朝向以指示聲源方向信息，KEY2按下后舵機(jī)即恢復(fù)到初始位置，程序運(yùn)行可分為如下步驟：OLED顯示屏的顯示內(nèi)容：顯示屏具有四行顯示，分別顯示PA0、PA1、PA2、PA3四引腳在ADC模式下進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后的原始數(shù)據(jù)。與此同時(shí)OLED上會(huì)顯示靜態(tài)字符串，將各數(shù)據(jù)信息與麥克風(fēng)編號(hào)相結(jié)合，以測(cè)試麥克風(fēng)收音模塊大致情況是否滿足要求。SG90方向指示舵機(jī)的控制：在檢測(cè)到KEY1按下后，算法開(kāi)始計(jì)算聲源方向信息，結(jié)合內(nèi)部定時(shí)器，將以一定的周期改變控制舵機(jī)的PWM波，以達(dá)到舵機(jī)周期性指示方向的目的，設(shè)置周期是為了防止上一周期舵機(jī)仍未到達(dá)指定位置并已停留一段時(shí)間以至于方位指示不清晰。在檢測(cè)到KEY2按下后，兩舵機(jī)即回到初始位置，退出聲源定位模式。圖11主程序流程圖5.2聲源定位程序處理信號(hào)處理及聲源定位流程圖如圖12所示。在麥克風(fēng)接收到聲音信號(hào)后，經(jīng)電容第一次濾波后，送往LM386芯片進(jìn)行信號(hào)放大處理，其輸出可由電位器調(diào)節(jié)大小，以使同一情況下的麥克風(fēng)模塊輸出基本一致，輸出信號(hào)將分別發(fā)往對(duì)應(yīng)的單片機(jī)引腳PA0-PA3，這四個(gè)引腳被程序設(shè)置為ADC模式，將接收到的信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后直接顯示到OLED上，另一方面，程序會(huì)將數(shù)據(jù)進(jìn)行二次濾波，將十次數(shù)據(jù)經(jīng)去最大、最小值后取平均以完成二次濾波操作，再將經(jīng)二次濾波后的數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一處理便于比較，經(jīng)較為精準(zhǔn)的互相關(guān)算法比較后即可得到聲源方位信息。圖12聲源定位程序流程圖5.3SG90舵機(jī)程序設(shè)計(jì)SG90舵機(jī)程序流程圖如圖13所示。先打開(kāi)RCC_APB1以開(kāi)啟時(shí)鐘，將PA6、PA7引腳設(shè)置為復(fù)用推挽模式以輸出PWM波形控制舵機(jī)。定時(shí)器配置后選擇PWM模式，再將舵機(jī)進(jìn)行初始化，將舵機(jī)旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行限制以保護(hù)舵機(jī)，當(dāng)KEY1按下后舵機(jī)即進(jìn)入聲源方位指示模式，按下KEY2舵機(jī)則復(fù)位。圖13SG90舵機(jī)程序流程圖6實(shí)物的調(diào)試6.1硬件的調(diào)試硬件調(diào)試階段，焊接電路板，準(zhǔn)備連接電路各模塊前利用萬(wàn)用表確保各線路正常導(dǎo)通情況，確認(rèn)無(wú)誤后接著安裝主控芯片、電源模塊、麥克風(fēng)模塊、OLED顯示屏等，確認(rèn)各模塊連接無(wú)接觸不良。OLED顯示屏應(yīng)顯示各麥克風(fēng)模塊AD轉(zhuǎn)換原始數(shù)據(jù)，主動(dòng)發(fā)出聲音后觀測(cè)其示數(shù)變化是否與聲音大小變化情況大致相同，以確保聲音接收模塊正常無(wú)誤，以此來(lái)調(diào)試硬件。在調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)PCB板連線與電路圖存在差距，經(jīng)實(shí)驗(yàn)排查，系嘉立創(chuàng)模塊封裝存在問(wèn)題，該模塊表現(xiàn)為原理圖正常但轉(zhuǎn)換成PCB時(shí)引腳被打亂，更換模塊封裝并仔細(xì)檢查無(wú)誤后重新打板解決此問(wèn)題。6.2程序的調(diào)試程序調(diào)試階段，依次調(diào)試各個(gè)模塊，確保其能夠正確運(yùn)行，如圖14所示。首先測(cè)試單片機(jī)能否識(shí)別按鍵按下及松開(kāi)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)控制以及舵機(jī)的復(fù)位，測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)舵機(jī)偶發(fā)停頓及左右抖動(dòng)，還有觸發(fā)不靈的情況，經(jīng)排查，系延時(shí)去抖參數(shù)設(shè)置不當(dāng)，經(jīng)多次調(diào)整，上述情況消失，此模塊能正常使用。測(cè)試OLED顯示屏能否正確顯示AD轉(zhuǎn)換數(shù)值，模塊正確安裝后，開(kāi)啟單片機(jī)并復(fù)位后四個(gè)聲音接收模塊通道均有數(shù)值顯示且按照每100ms變化一次以便粗判斷聲音接收模塊基本功能是否完好，在萬(wàn)用表蜂鳴器長(zhǎng)鳴情況下將各模塊互相調(diào)換連接方式，OLED顯示數(shù)值基本不變，僅顯示位置變更，以此判斷程序基本邏輯無(wú)誤，可正常使用。測(cè)試PWM波輸出情況，連接各模塊，將雙SG90電機(jī)并排緊貼放置，依其初始位置安裝方位指示器，經(jīng)測(cè)試，PA6、PA7引腳能夠輸出PWM波以正確控制舵機(jī)運(yùn)行。最后多次檢查程序邏輯嚴(yán)謹(jǐn)程度，剔除、更換可能存在風(fēng)險(xiǎn)的代碼，以保障后期的無(wú)誤運(yùn)行。圖14程序調(diào)試圖6.3總體調(diào)試系統(tǒng)總體調(diào)試如圖15所示。將編寫完成的程序下載到單片機(jī)內(nèi)，結(jié)合已調(diào)試好的硬件電路進(jìn)行總體調(diào)試。調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在實(shí)際情況中，使用麥克風(fēng)陣列定位時(shí)，極易使最終舵機(jī)指示方向與聲源方向不一致，經(jīng)多次排查和測(cè)試發(fā)現(xiàn)，系一麥克風(fēng)模塊發(fā)生損壞導(dǎo)致，其表現(xiàn)特性為電位器僅最大增益時(shí)才可較為正常地輸出聲音信號(hào)，其余情況下，其輸出數(shù)值呈現(xiàn)有周期規(guī)律的變換，雖調(diào)為最大增益時(shí)可工作，但考慮到其輸出普遍偏大，可能會(huì)對(duì)程序產(chǎn)生干擾，遂更換模塊，再次進(jìn)行調(diào)試后，問(wèn)題解決。圖15總體調(diào)試圖7總結(jié)7.1基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)發(fā)展前景本文借助STM32F103C8T6微控制器為核心設(shè)計(jì)了基于麥克風(fēng)陣列的聲源定位系統(tǒng)，對(duì)聲源方向定位能夠進(jìn)行大致確定，雙SG90舵機(jī)指示聲源方位信息，聲源位置信息一目了然，同時(shí)其操作及使用簡(jiǎn)單便捷，成本較低、還可使用更高精度的收聲模塊以達(dá)到更高的精度，各個(gè)模塊方便檢修，僅需簡(jiǎn)單操作即可更換配件維修，聲源信息也可用作其他用途，例如話筒自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)發(fā)言人方向，任課老師離開(kāi)黑板達(dá)一定時(shí)間后自動(dòng)擦掉黑板等，故此設(shè)計(jì)具有一定的應(yīng)用前景及可擴(kuò)展性。7.2作品不足之處本作品由于前期設(shè)計(jì)考慮不周全，以及受限于麥克風(fēng)收音模塊精度及靈敏度，有以下不足之處：聲源位置定位只能夠判斷平面內(nèi)八方位之一，無(wú)法判斷精確的角度方向以及平面內(nèi)位置坐標(biāo)，麥克風(fēng)陣列在收音方面容易受到干擾，以至輸出結(jié)果偶有錯(cuò)誤，且未添加藍(lán)牙模塊，使得本系統(tǒng)只能近距離手動(dòng)操控。參考文獻(xiàn)李志.基于WLAN的室內(nèi)定位技術(shù)及應(yīng)用研究[D].東北大學(xué),2022.DOI:10.27007/ki.gdbeu.2018.000669.劉國(guó)仲.新課標(biāo)下初中物理生活化教學(xué)的實(shí)踐探析[J].數(shù)理化解題研究,2023(35):107-109.侯偉.基于深度學(xué)習(xí)的聲源定位算法研究[D].哈爾濱理工大學(xué),2021.DOI:10.27063/ki.ghlgu.2020.000472.劉權(quán)毅,閆思哲,劉博一,等.聲源定位方法與裝置的設(shè)計(jì)和研究[J].物理與工程,2023,33(06):60-69.黨曉敏.麥克風(fēng)陣列聲源定位系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安理工大學(xué),2024.DOI:10.27398/ki.gxalu.2023.000903.侯曉飛.基于麥克風(fēng)陣列的汽車?guó)Q笛聲識(shí)別與定位系統(tǒng)的研究[D].天津科技大學(xué),2024.DOI: