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1、声源搜索智能机器人设计摘 要声源搜索智能机器人将移动机器人技术和声源搜索技术有机地融合起来，实现对声源的自动搜索，近年来已成为国内外的研究热点之一。作为智能移动机器人的一个特殊应用，从技术层面上讲,声源搜索智能机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术，具有较强的代表性。从市场前景角度讲，声源搜索系统被广泛应用于电话会议、视频会议等系统中等等。因此开发声源搜索系统既具有科研上的挑战性，又具有广阔的市场前景。 本文在研究了基于麦克风阵列声源搜索技术的基础上，提出了基于麦克风阵列声源搜索模型，最后设计了声源搜索模块的硬件电路，该硬件电路实现了对多个麦克风通道进行同步采样，并给出了详细的电路设计
2、方案。此外，以STC12C5A60S2单片机作为智能搜索机器人的检测和控制核心，小车上方以120度夹角安装的三个声音传感器将采集到的声音信号送到单片机进行处理。电机驱动模块L298N通过使电机正转反转和停止实现小车的移动。通过一定的声源搜索算法，使声源搜索智能小车逐步靠近声源，直到成功找到声源并由发光二极管与蜂鸣器实现声光报警提示。 实验表明，根据遗传算法设计的壁障算法可以控制机器人实现避开声源搜索路径上的障碍物障碍物，达到向着声源的方向逐步行进的目的。关键词 声源搜索；移动机器人；声音传感器The design of intelligent robot for source searchAb
3、stractIntelligent robot for sound source search unite the sound source search technology and robotics organic fusion together to achieve the automatic search of the sound source has been received domestic and foreign research attention in recent years. From a technical perspective, as a special appl
4、ication of intelligent mobile robot, the Intelligent robot for sound source search more specifically reflect the number of key technologies of mobile robots and has a strong representation. From the perspective of market prospects, the sound source search system is widely used in teleconferencing, v
5、ideo conferencing systems. Therefore, the development of independent research on sound source search system not only has research challenges, but also has a broad market prospect.First this paper gives the hardware design of sound source search module based on microphone array. The hardware circuit
6、is designed to realize the synchronous sampling of multiple microphone channel and gave the circuit design program in detail. In addition, STC12C5A60S2 microcontroller as the core of detection and control of intelligent search robot, three sound sensors installed above the car at 120 degree angle to
7、 collect the sound signal for SCM processing. The motor drive module L298N makes the motor forward, reverse and stop. Through the sound source of search algorithm, the sound source search intelligent car gradually close to the sound source until success found the sound source and a light emitting di
8、ode and a buzzer to achieve sound and light alarm.Experiments show that the barrier algorithm based on genetic algorithm can control the intelligent robot to avoid obstacles in the path of searching sound source and reach the purposes that the car moving gradually toward the direction of the sound s
9、ource . Keywords sound source search; mobile robot; sound sensor目 录摘 要IAbstractII第1章绪论11.1 课题研究的目的和意义11.2 声源搜索机器人国内外发展现状21.2.1 国外发展现状21.2.2 国内发展现状31.2.3 未来声源搜索机器人的研究方向31.3 论文研究的内容4第2章 系统总体结构及声源搜索模块设计52.1 系统总体结构52.1.1系统功能框图52.1.2 系统各模块功能实现原理及方法52.2 声源搜索技术与方案论证62.2.1 声源搜索技术62.2.2 声源搜索方案论证62.2.3 方案选择82
10、.3 声源搜索模块电路设计82.3.1 设计思想82.3.2 声源搜索模块基本组成和逻辑结构92.3.3 声源搜索模块硬件设计92.4 本章小结17第3章 移动单元硬件设计183.1 控制模块的设计183.1.1 STC12C5A60S2的特性183.1.2 单片机最小系统设计183.2 避障模块设计193.2.1 避障模块电路原理图203.2.2 超声波测距模块特点213.3 电机驱动模块设计213.3.1 驱动模块的功能213.3.2 电机驱动方案213.3.3 电机驱动模块硬件设计223.4 指示模块设计233.5 电源模块设计233.5.1 电源选择233.5.2 电压转换方案243.
11、6 目标声源设计253.6.1 设计思想253.6.2 电路设计263.7 本章小结26第4章 软件设计274.1 主程序设计274.2 声源搜索程序设计284.3 避障程序294.4 本章小结30结论32致谢33参考文献34附录A35附录B52第1章 绪论1.1 课题研究的目的和意义声源搜索技术是利用声学与电子装置接受声波以确定声源位置的一种技术，它是一种重要的军事侦察手段。声源定位产生于第一次世界大战。开始根据火炮发出的声音测定火炮位置。其系统有多个声测哨站与声测中心组成，两者用电缆连接。声测哨根据传感器接受信号，声测中心记录信号并根据同一信号到达不同传感器的时间差计算火炮位置。随着雷达侦
12、测技术的兴起，声搜索定位技术曾一度遭到冷冻，法军和美军分别于70年代80年代取消了声测侦察。近年来，由于雷达面临着电子干扰、反辐射导弹、低空突防和隐身技术这四大威胁，越来越容易遭受攻击。因此，人们又开始重视被动式传感器，重新激起对声测技术的兴趣。声源定位作为一种传统的侦察手段，近年来通过采用新技术，提高了性能，满足了现代化的需要，其主要特点是：不受通视条件限制，可见光、激光和无线电侦察器材需要通视目标，在侦察器材和目标之间不能有遮蔽物，而声测系统可以侦察遮蔽物（如山，树林等）后面的声源；隐蔽性强，声测系统不受电磁波干扰也不会被无线电侧向及定位，工作隐蔽性较强；不受能见度限制；其他侦察器材受环境
13、气候影响较大，在恶劣气候条件下工作时性能下降，甚至无法工作。声测系统可以在夜间、阴天、雾天、和下雪天工作，具有全天候工作的特点3。声源搜索定位在战场之外也同样具有广泛的应用前景，它可用于电话会议系统、视频会议系统、可是电话等系统中的控制摄像头和传声器阵列波速方向对准正在说话的人；也可用于语音及说话人识别软件的前端预处理，以提供高质量的声音信号，提高语音及说话人识别软件的识别率；亦可用于强噪声环境下的声音获取、大型场所的会议记录，以提高声音拾取质量；还可用于助听装置中，更好地为耳障患者服务等。声音是人类常用的工具，是传递和获取信息中非常重要的一种。不同物体往往发出自己特有的声音，而根据物体发出的
14、声音，就可以判断出物体的方位。现在，人类已经进入信息化时代，声源定位技术的研究，使人们能更加有效地产生、获取和应用处理声音信息，这对于当今社会的发展具有十分重要的意义。总之，声源搜索定位技术研究涉及声学、信号检测、数字信号处理、电子学、软件设计等诸多技术领域，在诸多军用和民用西东中具有极其重要的意义，对军事系统中，它有助于武器的精确打击，为最终摧毁对方提供有力保证；就民用系统来说，可以为目标提供可靠的服务，起到安全保障作用。声源定位技术具有被动探测方式、不受通讯条件干扰、可全天候工作的特点，但因为声源定位环境的复杂性，再加之信号采集过程中不可避免的给语音信号掺进了各种噪声干扰，都是的定位问题成
15、为了一个极具挑战性的研究课题6。1.2 声源搜索机器人国内外发展现状机器人听觉定位声源系统研究是当前国际上的前沿课题。它是机器人实现智能化必不可少的一部分，是智能科学研究成果在机器人上的体现。尽管取得了一些令人鼓舞的成果，但是机器人距离实现智能化还有很长的路要走。随着脑科学、认知科学和人工智能等学科研究的发展，机器人听觉能力必将产生突破性的进展1。1.2.1 国外发展现状基于麦克风阵列的声源搜索系统历史悠久、技术成熟，国外已经开发出多种不同系统。1999年日本会津大学开发了一种装配有实时声音定位系统以及障碍探测声纳系统的移动机器人。声音定位方法是基于人类听觉系统的“优先效应”处理回波和混响的一
16、种模型。定位系统由3个麦克风构成的等腰三角形阵列组成。2003年意大利里雅斯特大学和帕多瓦大学联合研制了智能声视联合多代理监视跟踪系统。它由几个机器人组成，都配有麦克风阵列和视频摄像机。声音系统用于对脚步声之类的声源进行轨迹跟踪，用途可作为博物馆等公共场所的人流记录系统，或监测在某作品前人们停留的时间长短。声音定位方法采用了波束成形技术，在4个麦克风阵列上运用神经网络，根据行者的脚步声实施定位计算。2006年韩国理工学院智能机器人研究中心开发了一种声视联合的机器人定位跟踪系统。该系统包括一个声音活动探测的概率声音定位子系统和使用视觉摄像机的人脸跟踪子系统。它能联合这些子系统弥补话者位置的偏差以
17、及能有效地拒绝从不希望方向进入的不需要的声音或噪音。2006年日本HONDA研究院开发研制了通过联合室内麦克风阵列和嵌入机器人头部的麦克风阵来实时跟踪多声源的系统。室内麦克风阵列（in-room microphone array,IRMA）系统由嵌入墙内的64通道麦克风组成。在2维平面上，IRMA系统基于加权延时累加波束成形法定位多声源位置。嵌入机器人头部麦克风阵列robot-embedded microphone array,REMA）系统用旋转台上嵌入机器人头部的8个麦克风来定位多声源方位角，其方位角通过使用粒子滤波来实时跟踪。2007年加拿大魁北克的珊不勒凯大学机电学院开发研制了避障机器
18、人。机器人具有鲁棒的定位性能和通过使用波束成形和粒子滤波能跟踪几个同时声源。系统使用8个麦克风阵列定位跟踪声源，它是先前研究工作15-16的扩展。系统由3个部分组成：麦克风阵列；基于可控方向的波束成形器的无记忆定位算法；粒子滤波跟踪器。该系统解决了用两个麦克风定位前后（front-back）模糊性以及当声源在两麦克风连线上时定位精度低等问题。2007年早稻田大学提出了一种精确的不需要严格的HRTF的声音分离方法。该方法的实施采用由机器人头部作为声音障碍所引起的声音强度差以及安装在机器人头部上的特殊排列的方向性麦克风来完成。在机器人头部的每一侧安装一对麦克风，一个朝前而另一个垂直朝外。这种麦克风
19、排列能产生含有完全不同干扰语音的两线目标语音。2007年日本京都大学开发了一种能使机器人在日常生活环境中选择和跟踪某个目标的系统。对于声源定位，提出了一种联合互功率谱（CSP）分析和最大期望（EM）的方法。该方法通过使用两个麦克风就能定位几个运动的声源，而不需要脉冲响应数据2。1.2.2 国内发展现状近些年，国内学者对声源定位的研究非常活跃，多数是基于麦克风阵列的声源搜索理论研究5。2003年陈华伟等提出了基于平方相干函数的频域自适应最大似然时延估计新算法。2004年林静然等提出一种改进的基于麦克风阵列的近场声源定位和语音分离算法。它结合双波束二维定位和近场最小方差波束形成技术在阵列近场范围内
20、实现声源定位和语音分离。2004年邵怀宗等基于麦克风均匀线阵和均匀圆阵，采用改进的MUSIC算法对近场声源进行定位。2004年陈可，汪增福提出一种使用声压幅度比进行声源定位的方法。该方法从阵列各拾音器所接收的电压信号幅度与相应拾音器到待测声源距离之间关系出发，给出了以声压幅度比为参量的约束条件表达式，建立了利用这些约束条件进行声源定位的算法。2004年马晓红等提出一种改进的多帧互功率谱时延估计法。由于互功率谱时延加权函数随信噪比变化，该方法将由一帧互功率谱加权函数峰值决定的时延估计值，改进为由多帧互功率谱加权后的峰值来定出时延估计值。2005年李承智等针对传统的自适应特征值分解时延估计算法收敛
21、时间慢、对初值敏感以及不能有效跟踪时延变化等问题，提出了一种改进的自适应特征值分解时延估计算法。该方法通过每隔一段时间重新设置信道冲击响应的初值，有效改善了对时延变化的估计。2006年河北工业大学完成的面向反恐领域基于多源信息融合的机器人感知系统研究是集成视觉传感器、听觉传感器和嗅觉传感器于一体的多感官信息融合技术的跟踪系统。听觉系统采用等腰三角形分布的3个麦克风阵列通过计算各麦克风之间的时间延迟和几何关系来判断声源的方位和距离2。1.2.3 未来声源搜索机器人的研究方向未来声源搜索机器人的研究方向主要有以下几个方面：基于麦克风阵列的波束形成技术定位跟踪声源的研究仍然是未来研究主流。近来人们提
22、出许多盲波束形成算法，它们的共同特点是在于不需要阵列校验、波达方向、训练序列、干扰和噪声的空间自相关矩阵等的先验知识。目前盲波束形成主要有基于常模量（CM）的算法，基于高阶累计量的方法以及基于周期平稳的算法；基于人耳听觉机理的声源定位是未来研究热点。它要涉及到听觉心理学、听觉生理学和神经科学等多种学科研究领域4。1.3 论文研究的内容通过对课题的选题背景研究现状以及智能机器人的优势发展趋势及面临的主要问题的分析，建立声源搜索智能机器人模型。根据现有条件和能力对不同方案进行比较后，选择最优方案实现硬件设计。本文设计了以STC12C5A60S2单片机作为控制核心的声源搜索智能机器人。单片机进行数据
23、处理且控制驱动模块L298N对步进电机进行驱动和调速，通过声源搜索程序对声音传感器返回数据的处理，判断发出固定频率和一定幅值的声源的距离和方向，单片机根据所得到的距离和方向信息控制驱动模块逐步逼近声源。第2章 系统总体结构及声源搜索模块设计2.1 系统总体结构2.1.1系统功能框图所谓智能机器人就是指人给予某种程度的具体指令以后，机器人能够理解人给予的命令，认识其工作环境，工作对象及其状态，根据给予的指令和认识结果，制定计划，进行作业，在工作中还具有跟踪工作对象的变化，适应工作环境的能力。现在所说的智能机器人的样子并不像人，只是模拟人的某些器官的功能和运动。它是电子计算机控制的具有识别、判断适
24、应和操作的电子机械装置。此设计中的声源搜索机器人，搜索发出固定频率和幅值声波的声源，机器人自动制定路径，直到搜索到声源停止并报警。声源搜索智能小车共分五个模块: 控制模块、电源模块、电机驱动模块、声源搜索模块、指示模块。 总体结构框图如图2-1所示：图2-1 总体结构框图 电源模块给单片机、电机及其他模块供电，单片机通过控制电机驱动模块使电机顺时针转、逆时针转和停止，这样就使机器人能前进、后退和转弯。在机器人上方装有3个声音传感器，能感应到距离声源的距离及方向，并将感应信号送到单片机，单片机就会做出直行转弯等回应。当搜索到声源时，搜索感应及报警模块就会给单片机一个信号，使机器人停止运动同时开始
25、声光报警。另外，避障模块可以避开生源搜索时路径上的障碍，成功到达声源所在位置。2.1.2 系统各模块功能实现原理及方法电源模块：由于声源搜索智能小车必须是通过移动实现声源的搜索，所以应由蓄电池组供电，根据不同模块供电电压的不同要求，采用开关电压调节器调节电压为各个模块供电。控制模块：由单片机实现对传感器信息采集和对驱动模块进行控制。指示模块：当智能小车成功找到声源后，蜂鸣器报警，同时指示灯闪烁。避障模块：避开声源搜索时路径上的障碍，成功到达声源所在位置。电机驱动模块：由单片机控制，接到指令后由L298N对电机进行驱动，控制两个后轮的速度和方向。声源搜索模块：在小车上方以120度角安装三个麦克风
26、，单片机读取三个麦克风的信息采用一定的算法对声源进行搜索。2.2 声源搜索技术与方案论证2.2.1 声源搜索技术基于麦克风阵列的定位问题简而言之就是利用一组按一定几何位置摆放的麦克定出声源的空间位置。基于麦克风阵列的声源定位方法大体上可分为三类8:(a)基于最大输出功率的可控波束形成技术。该方法对麦克风阵列接收到的语音信号进行滤波、加权求和，然后直接控制麦克风指向使波束有最大输出功率的方向;(b)基于高分辨率谱估计的定向技术。该方法利用求解麦克信号间的相关矩阵来定出方向角，从而进一步定出声源位置;(c)基于到达时间差技术。该方法首先求出声音到达不同位置麦克的时间差，再利用该时间差求得声音到达不
27、同位置麦克的距离差，最后用搜索或几何知识确定声源位置。2.2.2 声源搜索方案论证方案一：球型插值法球型插值法10(Spherical Interpolation，SI)是一种典型的闭式定位法，根据多个麦克风相对参考麦克风的时延估计和各麦克风的矢量位置得到一个误差方程组，并求其最小二乘解。假设声源位置矢量用s表示，有N+1个麦克风，不失一般性地，设参考麦克风位于坐标原点，其位置矢量用M0表示，其它N个麦克风位置矢量用m1表示，i1,N，各麦克风与参考麦克风的声程差用di表示，i1,N。球型插值法麦克风对和声源之间的几何关系如图2-2所示。利用公式： (2-1)以及麦克风的空间关系，得到声源位置
28、为： (2-2)图2-2 球型插值法麦克风对和声源之间的几何关系方案二：直线型麦克风阵列麦克风和声源的坐标位置如图2-3所示：图2-3 声源和麦克风的坐标位置在方案中：假设第i对麦克风A和B连线的中点为原点，它们的连线为X轴，声源到这两个麦克风间的时间差是i。用矢量mi1和mi2表示这两个麦克风的矢量位置，用矢量rs表示声源的矢量位置，则声源S应该满足矢量方程: (2-3)其中c为声速，di表示声程差。由双曲面的定义可得，满足该方程的声源S必落在以mi1和mi2为焦点的双曲面上。由于声源s(r,)是极坐标形式，所以符合方程的s有无数个。所以当己知麦克风之间的距离di和声源到两麦克风之间的时间延
29、迟i，就能近似求得声源相对两麦克风连线中心的方位角。而多个麦克风对求得的方位角的交点就是声源位置9。方案三：三角型麦克风阵列三个麦克风以等边三角形安装，根据最大输出功率的可控波束形成技术，对麦克风阵列接收到的语音信号进行滤波、加权求和，然后直接控制小车指向使波束有最大输出功率的方向，然后控制小车前进，在小车前进的过程中逐步使用此方法，直到准确找到声源11。2.2.3 方案选择综合这三种方案，在方案一中，采用多个麦克风组成的阵列，在最后的数据处理中还加入了最小二乘法的计算，而要在单片机中实现最小二乘的计算是相当繁琐的，不适合在本次设计中采用。方案二中采用直线型的麦克风阵列，当己知麦克风之间的距离
30、di和声源到两麦克风之间的时间延迟i，就能近似求得声源相对两麦克风连线中心的方位角。而多个麦克风对求得的方位角的交点就是声源位置，当用两个麦克风时，符合条件的S在以mi1,mi2为焦点的锥面上，当用到多对麦克风时，计算数据比较多，不便于计算。方案三中三角型麦克风阵列原理简单，在数据处理时，只需要利用单片机运用简单的算法就可以准确的找到声源，故而选择其作为本次设计的方案。2.3 声源搜索模块电路设计2.3.1 设计思想基于麦克风阵列的声援搜索定位问题简而言之就是利用一组按一定几何位置摆放的麦克定出声源的空间位置。基于麦克风阵列的声源搜索定位方法大体上可分为三类:(a)基于最大输出功率的可控波束形
31、成技术。该方法对麦克风阵列接收到的语音信号进行滤波、加权求和，然后直接控制麦克风指向使波束有最大输出功率的方向;(b)基于高分辨率谱估计的定向技术。该方法利用求解麦克信号间的相关矩阵来定出方向角，从而进一步定出声源位置;(c)基于到达时间差(TD OA)技术。该方法首先求出声音到达不同位置麦克的时间差，再利用该时间差求得声音到达不同位置麦克的距离差，最后用搜索或几何知识确定声源位置。 本设计中，在智能小车上方以120度角安装三个麦克风，根据麦克风采集到的声音信息来判断声源的位置和方向，故采用方法(a)。2.3.2 声源搜索模块基本组成和逻辑结构采用3个麦克风组成的阵列经过放大滤波后进行A/D采
32、样，然后由单片机完成数据计算控制小车搜索声的具体位置。系统总体框图如图2-4所示：图2-4 声源搜索模块总体框图声源搜索模块总体框图的麦克风阵列部分主要包括设计麦克风阵列的几何结构，麦克风阵列的坐标建立，具体设计见 2.3.3.1 节。音频放大电路部分主要包括分析麦克风拾取的电信号范围、运算放大器的选择、放大倍数的选定，具体设计见 2.3.3.2 节。滤波电路部分主要包括设定滤波器的阶数，中心频率，截止频率，其作用减少声源搜索智能小车周围环境中噪声的干扰。具体设计详见2.3.3.3节。采样保持电路主要作用是保持各路麦克风的信号能够被同步采样，主要设计内容包括采样保持芯片的选择、同步采样的控制方
33、式等，具体设计详见2.3.3.4 节。A/D 电路主要完成对各路模拟信号进行采样、模数转换，在本系统中这一功能是由 AD0809完成的，具体设计详见2.3.3.5 节。下面对麦克风阵列声源搜索定位系统硬件总体电路及个组成部分做详细介绍。2.3.3 声源搜索模块硬件设计本系统中的声源搜索模块分为音频放大电路、滤波电路、采样保持电路、A/D 转换电路三部分。每一路麦克风通道均需要一路音频放大电路、滤波电路与采样保持电路，各路麦克风的A/D 转换电路为8通道的AD0809。本小节主要介绍音频放大电路、滤波电路、采样保持电路以及 A/D 转换电路的设计细节。硬件电路图如图2-5所示。图2-5 声源搜索
34、模块总电路图下面对声源搜索硬件电路中各个组成部分做详细介绍。2.3.3.1 麦克风阵列设计本系统采用的麦克风型号为 DGO6050CD-P12，为全向型驻极体声电转换器，该型号的麦克风有着很好的灵敏度以及高信噪比，并且为全向型麦克风，频率范围为20Hz16kHz，适合用于本系统。图2-5 系统中的麦克风阵列模型本系统的麦克风阵列结构如图 2-6 所示，黑色圆表示麦克风，各个麦克风之间的夹角a=1200 。麦克风阵列固定在 小车的正上方并且麦克风与桌面的垂直距离为h 。特别强调显示器与桌面垂直隔开一定距离的原因是为了保证声音信号从声源区域到麦克风阵列是通过空气传播的,这样声音的传播速度在常温下是
35、一个常数，否则后续的定位算法将无法准确的实现定位。麦克风阵列是指由一定的几何结构排列而成的若干个麦克风组成的阵列，麦克风阵列的几何结构可以分为线性阵列、平面阵列和立体阵列。麦克风阵列的几何结构越复杂，对应的阵列信号处理模型就越复杂，根据本系统的需求，本系统采用平面阵列麦克风阵列。基于平面阵列麦克风阵列不仅可以满足系统需求，而且可以简化系统数学模型，降低系统运算复杂度。2.3.3.2 音频放大电路设计本系统中，由于麦克风输出的电信号为毫伏级，所以设计的放大电路要有足够的增益；而且 2.2.3.1 节中所选择的麦克风频率范围为 20Hz-16kHz，为了保证放大电路在麦克风的频率范围内都能正常工作
36、，所选择的运算放大器的带宽应该满足上述要求。另外，所选择的运算放大器应该有较高的信噪比，满足系统对采集信号精度的要求。本系统选择了 NI 公司型号为 LM324 的通用运算放大器13。该运算放大器满足系统所要求的增益、带宽要求，而且有较宽的电源电压工作范围，保证了放大电路有着很宽的线性工作区域。根据麦克风的说明书，每一路麦克风输出的输出信号在 5mv 上下波动。根据信号的特点，本系统中的放大电路采用一级同相比例放大放大，这样对每一路的麦克风均可通过放大电路将其输出放大到适合的幅度范围。本设计的放大电路（其中一路）如图 2-7 所示:图2-7 音频放大电路设计图图 2-7给出了本系统中所采用的音
37、频放大电路，该放大电路的放大倍数计算公式见(2-4):= = (2-4)现利用 NI 公司的 EDA 软件 Multisim 对图 2-3 中的电路进行仿真，假设麦克风MIC 输出的电信号为正弦波信号，其峰峰值为 5mv，频率 1kHz，仿真结果如图 2-8 所示。从图中可以看出，通道 B 为麦克风输出的电信号，在某个时刻的幅度为=4.660mV，通道 A 为经过放大后的输出，此时输出信号的幅度为=2.122V。计算放大倍数为： =455.36其理论值为： =451通过上述测试说明，该放大电路可以正常工作，仿真得到的结果与理论值相差很小，所以该放大电路能够满足本系统的需求.图2-8音频放大电路
38、仿真结果2.3.3.3 滤波器设计根据本设计的目的，就是让智能小车自动的搜索到发出一固定频率的声源。考虑到搜索过程中难免会受到周围环境中噪声的影响，本设计采用一带通滤波器来抑制噪声的干扰。带通滤波器的功能就是让一定频带范围内的信号通过，二将此频带以外的信号加以抑制。当干扰信号与有用信号不在统一频带范围之内，可使用滤波器有效的抑制干扰。一般情况下，低频范围内的滤波器使用RC有源滤波器，而高频范围内使用LC滤波器。本设计中采用一负反馈有源二阶带通滤波器，其中心频率为1000HZ,电路如图2-9所示：图2-9 带通滤波器电路图该有源带通滤波电路使用单个通用放大器LM423接成单电源供电，易于实现。令
39、C=C1=C2，Req是R1和R2并联的值，则有： (2-5) (2-6)品质因数Q等于中心频率除以带宽，即 (2-7)由上面公式可以看出可以通过让R3的值远大于Req来获得大的Q值，这时由缘带通滤波器的上限截止频率和下限截止频率可以非常近，具有较强的频率选择性。Q值越大，频率选择性越好，带快越小。反之则反。它的中心频率： (2-8)下图是当R1=15915，R2=161，R3=63662(这几个电阻不是标准电阻值，电路图中找接近其值即可)，C=50nF，算得中心频率为1KHZ，带宽BW=100HZ，仿真结果如图2-10所示：图2-10 滤波电路仿真结果2.3.3.4 采样保持电路设计本系统中
40、设计采样保持电路的主要作用是保证各个麦克风通道信号能够被同步采样。LF398 为常用的采样保持芯片，其引脚图如图 2-10 所示： 图2-10 LF398 引脚图管脚 INPUT 用于模拟信号的输入，管脚 LOGIC、LOGIC REFRENCE 用于控制信号的输入，控制 LF398的工作状态。管脚 OFFSET 用于调节输出的偏置电压；管脚 HOLD CAPACITOR 用于外接保持电容，保持电容的大小与采样时间有着密切的关系；管脚 OUTPUT 即是采样保持后的输出信号。LF398 的典型应用外部仅需要一个保持电容就能够实现采样保持功能。LF398 有两种工作状态，分别是采样状态、保持状态
41、。不同工作状态间的切换是通过管脚 LOGIC、LOGIC REFERENCE 控制的。当输入逻辑电平为“1”时，LF398 处于采样状态，保持电容 Ch充电，LF398 的输出电压随着输入信号的变化而变化；而当输入逻辑电平为“0”时，LF398 处于保持状态，输出的电压即为保持电容 Ch在采样状态充电后的电压值，使 LF398 在保持状态时，输出电压能够维持一个固定值。LF398 的逻辑控制信号由IO口提供， LF398 的保持电容 Ch的大小直接影响到采样精度、采样时间、保持期间电压下降率以及影响采样保持切换瞬间输出跃变电压的大小，保持电容大小与采样时间的关系如表 2-1 所示：表 2-1
42、保持电容的大小与采样时间关系表Ch( F) 0.01%采样时（s）0.1%采样时间（s）1%采样时间（s）0.1300190900.0114108 0.0015 43从表 2-1 可以看出，电容值越小，采样时所需的充电时间越短，对应的采样时间越短。在高采样率的情况下，需要使用电容值较小的电容。结合本系统的需要，采用Ch为 0.01uF 的瓷片电容，如果按照 0.1%的采样时间，能够工作在 1KHz 的采样速率，满足系统需求14。2.3.3.5 模拟/数字转换电路设计本系统中的模拟/数字转换电路是通过AD080915完成的， ADC0809是8 位逐次逼近型AD转换器。它由一个8路模拟开关、一个
43、地址锁存译码器、一个A/D 转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8 路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D 转换完的数字量，当OE 端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。ADC0809主要特性如下，ADC0809对输入模拟量要求为信号单极性，电压范围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路；ALE 为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A， B，C 三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模
44、拟量进转换器进行转换。A，B 和C 为地址输入线，用于选通IN0IN7 上的一路模拟量输入；ST 为转换启动信号。当ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D 转换；在转换期间，ST 应保持低电平。EOC 为转换结束信号。当EOC 为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D 转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出线呈高阻状态；CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的内部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入；ADC08
45、09内部带有输出锁存器，可以与AT89S51 单片机直接相连。 根据ADC0809的特征已经本设计的实际情况，本设计的连接电路如图2-11所示：图2-11 AD0809连接电路2.3.3.6 印刷电路板 PCB 制作上面给出了信号采集电路中放大电路、采样保持电路等的设计方法。为了保证信号质量及调试方便，现将放大电路、采样保持电路等设为印刷电路板。在该印刷电路板上，提前预留调试端口，方便后续调试。本系统中，准确地求出声源信号到达各路麦克风之间的相位差非常重要，所以要尽量减小硬件电路对各路信号的相位与幅度造成的影响。为了减小硬件电路带来的误差，在设计 PCB 的布局与走线时， 每路放大电路、采样保
46、持电路等并行排列；每一路的放大电路、采样保持电路元器件布局、走线长度尽量相同；各路麦克风与 PCB 板间采用相同的接口，并保证麦克风与 PCB板间的导线长度相同。在设计信号采集电路时，共设计3个麦克风通道，PCB设计软件采用Protel DXP，经过精心的设计，PCB 版图如图 2-12 所示。图2-12 信号采集电路 PCB 设计版图2.4 本章小结本章主要介绍了系统总体结构，详细分析了声源搜索技术的各种方案，并根据本设计的要求和实际情况进行了方案的比较论证，最后选定一种最适合本设计的方案。此外，还完成了声源搜索模块的设计。第3章 移动单元硬件设计3.1 控制模块的设计 控制模块是声源搜索智能小车的大脑，通过控制器实现对三个声音传感器的控制，并对返回信号的强度和方向加以判断，通过驱动器驱动两步进电机，带动驱动轮，从而实现对声源的搜索16。充分分析我们的系统，其关键在于实现声源搜索智能小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。在综合考虑了传感器、两部电机的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片STC12C5A60S2单片机。此外，从性能和经济两方面综合考虑STC12C5A60
