一种基于STM32单片机的声源定位装置

一种基于stm32单片机的声源定位装置
技术领域
1.本实用新型涉及声源定位技术领域，特别涉及一种基于stm32单片机的声源定位装置。


背景技术：

2.现今，随着科学技术的进步，尤其是5g、数字信号处理等技术的日趋成熟，人们对声源定位技术的相关需求越来越多，应用场景越发广泛。在众多定位技术中，基于传声器阵列的听觉感知技术已逐渐变成主流，成为移动机器人导航、语音信号增强以及水下目标感知等众多研究领域的重要课题。可以说，听觉是新一代智能机器人的重要标志之一，是实现“人机环境”交互的重要手段。由于声音具有绕过障碍物的特性，在多信息采集系统中，听觉可以与视觉相配合弥补其视场有限且不能穿过非透光障碍物的局限。另外，在“听觉场景”内不仅能定位声源目标，还可以通过现代信号处理技术得到更有价值的信息。因此，设计高精度的声源定位装置在军事、工业和民用等诸多领域都具有重要的应用价值。
3.现有的声源定位装置所采用的传声器阵列结构固定，体积庞大，移动阵列费时费力且极有可能损坏其部件，给声源定向装置的携带使用带来极大困难，且易受阵列尺寸和几何结构的限制，操作起来也较为困难，大大降低了声源定位装置的适应性和实用性，且成本高。


技术实现要素：

4.为了解决现有的声源定位装置体积庞大、适应性和实用性低且成本高的技术问题。本实用新型采取的技术方案如下：提供了一种基于stm32单片机的声源定位装置，包括：依次连接的音频发生模块和信号处理模块；
5.所述音频发生模块包括：at89c51核心板和音频发射模块；
6.所述信号处理模块包括：多个音频接收模块和stm32f103rct6核心板；
7.所述at89c51核心板与音频发射模块连接，所述音频发射模块分别与多个音频接收模块连接，多个音频接收模块均与stm32f103rct6核心板连接。
8.进一步地，所述音频接收模块由麦克风构成。
9.进一步地，所述音频发射模块采用无源蜂鸣器作为声源。
10.进一步地，所述音频发生模块，通过杜邦线将无源蜂鸣器接到at89c51核心板上，通过at89c51核心板的i/o口输出固定占空比的脉冲串，驱动无源蜂鸣器产生固定频率的声音信号。
11.进一步地，所述音频接收模块为max9814芯片。
12.进一步地，在各所述音频接收模块和所述stm32f103rct6核心板之间，还包括滤波器、信号放大器和比较器。
13.进一步地，所述比较器采用四运算放大器lm324芯片。
14.进一步地，所述比较器的输入电压电路为可通过滑动变阻器调节的分压电路。
15.进一步地，所述信号处理模块还包括坐标解算模块，用于根据stm32f103rct6核心板采集到的多路声音信号计算时间差，然后进行坐标解算，得到声源的坐标信息。
16.进一步地，所述信号处理模块还包括tftlcd显示模块，用于对声源的位置坐标进行显示。
17.本实用新型提供的技术方案带来的有益效果是：本实用新型提供了一种基于stm32单片机的声源定位装置，通过利用stm32f103rct6核心板构成的信号处理模块和at89c51核心板构成的音频发生模块，可以快速精确地确定出声源的具体位置。且装置各组成部分均采用模块化设计，体积小，成本低，普适性高。通过反复实验可以得出结论：本装置具有快速，直观，高精度性能和易于课堂展示的特点。
附图说明
18.下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中：
19.图1是本实用新型实施例中的装置主体框图；
20.图2是本实用新型实施例中tps76850降压电路；
21.图3是本实用新型实施例中max9814芯片为核心的音频接收模块电路图；
22.图4是本实用新型实施例中lm324芯片的引脚图；
23.图5是本实用新型实施例中比较器阈值电压的调节电路；
24.图6是本实用新型实施例中lm324芯片的引脚接线；
25.图7是本实用新型实施例中stm32f103rct6核心板的原理图；
26.图8是本实用新型实施例中整体的电路图；
27.图9是本实用新型实施例中声源定位实现原理图。
具体实施方式
28.为了对本实用新型的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本实用新型的具体实施方式。
29.参考图1，本实施例提供了一种基于stm32单片机的声源定位装置，包括：依次连接的音频发生模块和信号处理模块；所述音频发生模块包括：at89c51核心板和音频发射模块；所述信号处理模块包括：多个音频接收模块和stm32f103rct6核心板；所述at89c51核心板与音频发射模块连接，所述音频发射模块分别与多个音频接收模块连接，多个音频接收模块均与stm32f103rct6核心板连接。
30.本实施例中，通过at89c51核心板产生固定频率的方波信号。
31.本实施例中，采用无源蜂鸣器作为声源。无源蜂鸣器在提供一定频率的方波震荡源时，能够发出声音。试验中用无源蜂鸣器发声时，声音比较清晰。
32.本实施例中，采用麦克风作为音频接收模块，用于接收音频发生模块产生的音频信号，接入由音频运放构成的带通滤波电路进行滤波操作，再经反相放大器进行放大处理。滤波后的音频信号经峰值检波电路进一步放大，最后通过与电压比较器的阈值电压比较，输出脉冲串。
33.本实施例中，在信号处理模块中，通过stm32f103rct6核心板捕获产生的音频接收模块输出的信号，并计算多个信号到达的时间差。
34.在本实施例中，关于上述装置各模块的电路设计如下：
35.(1)音频发生模块
36.通过杜邦线将无源蜂鸣器的5v、gnd和i/o端口接到at89c51核心板上，通过编写程序即可使i/o端口输出固定占空比的脉冲串，驱动无源蜂鸣器产生固定频率的声音信号。
37.(2)供电电路
38.整体装置由8.4v锂电池供电，电压经过由tps76850芯片设计的降压电路输出+5v作为整个装置的供电电源，同时添加红色的电源指示灯，以便观察供电情况是否正常，其原理图如图2所示。
39.(3)音频接收模块
40.通过对市场上流行的麦克风放大器进行实际测试比较，最终本实施例选择了max9814芯片，这是是一款低成本、高性能麦克风放大器，具有自动增益控制(agc)和低噪声麦克风偏置。我们通过对其数据手册的研究，设计了以该放大器为核心芯片的声音信号接收模块。其原理图如图3所示；
41.使用图3的电路可以从最基础的电路搭建起高性能的麦克风传感器，且可以通过将gain引脚置于不同的电平(+5v、0v)可以获得不同的增益。在同样的agc的控制下，当gain处于+5v时，电路的增益较小，所得到的音频输出稳定。当gain处于0v时，增益增加，此时环境的噪声会使得输出的音频信号出现较大的波动。
42.(4)信号处理模块
43.信号处理模块主要作用是将各麦克风接受到的音频信号经过滤波、放大处理后通过lm324电压比较器，与电压比较器的阈值电压比较，比较后产生的信号输出至stm32f103rct6核心板的i/o端口上。
44.本装置音频接收模块由三个麦克风组成，故需要三个比较器，经过实际电路性能测试与比较本实施例中选择了有真差动输入的四运算放大器lm324芯片，lm324芯片内部包含四路运放，其引脚图如图4所示，其中“+”输入是滤波、放大处理之后的音频的信号，
“‑”
输入的是比较器的阈值电压。
45.比较器需要对不同频率的声音信号进行处理，故输入的阈值电压必须要可控且易于调节，所以本实施例中将比较器的输入电压电路设计成了可通过滑动变阻器调节的分压电路，如图5所示。
46.通过altium designer设计电路板，其中比较器lm324的14个引脚的连接网络如图6所示。
47.比较器输出的信号连接至stm32f103rct6核心板的i/o端口上进行时间差计算和位置解算，stm32f103rct6核心板的原理图与连接外设的网络连接如图7所示，其中三路脉冲串分别连接pb6、pb7、pb8，另外预留一个接口(4out)和pb9的连接作为后期对比测试或备用。
48.本装置的整体电路设计本着模块化设计的原则，整体的电路板设计如图8所示。其中核心板、8.4v转5v电源模块、蓝牙串口模块，tftlcd显示模块和lm324四路比较器模块均设计成模块化的结构，具体模块可以在主控板上即插即用，当装置出现故障亦可快速进行更换。
49.基于上述装置，本实施例实现声源定位的原理如下：
50.如图9所示，将无源蜂鸣器看作为一个质点，设声音传播速度为c，将三个麦克风模块固定于坐标纸之上，其中第一个麦克风固定在坐标纸的原点位置，命名为o；第二个麦克风固定于y轴上，命名为m1；第三个麦克风固定于x轴上，命名为m2。通过测量声源s产生声音信号到m1、o两麦克风的时间差为t1，到m2、o两麦克风的时间差为t2。根据几何关系利用以下计算公式计算出声源s的横纵坐标。
51.具体的计算公式如下：
[0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058]
x＝r
×
cos(h)(7)
[0059]
y＝r
×
sin(h)(8)
[0060]
式(1)、(2)、(3)求出了后续需要用到的中间变量a、b、c，式(4)、(5)计算出声源位置s与原点所连接直线的和x轴所形成的夹角h，通过式(6)计算出声源位置s与原点之间的距离r。在已得到夹角h和距离r的情况下，通过式(7)、(8)计算出声源的准确坐标位置。
[0061]
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者系统不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者系统所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者系统中还存在另外的相同要素。
[0062]
上述本实用新型实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。在列举了若干装置的单元权利要求中，这些装置中的若干个可以是通过同一个硬件项来具体体现。词语第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序，可将这些词语解释为标识。
[0063]
以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，包括：依次连接的音频发生模块和信号处理模块；所述音频发生模块包括：at89c51核心板和音频发射模块；所述信号处理模块包括：多个音频接收模块和stm32f103rct6核心板；所述at89c51核心板与音频发射模块连接，所述音频发射模块分别与多个音频接收模块连接，多个音频接收模块均与stm32f103rct6核心板连接；多个所述音频接收模块共由三个麦克风构成，所述麦克风采用max9814芯片；在各所述音频接收模块和所述stm32f103rct6核心板之间，还包括滤波器、信号放大器和比较器，所述比较器采用四运算放大器lm324芯片。2.如权利要求1所述的一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，所述音频发射模块采用无源蜂鸣器作为声源。3.如权利要求2所述的一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，所述音频发生模块，通过杜邦线将无源蜂鸣器接到at89c51核心板上，通过at89c51核心板的i/o口输出固定占空比的脉冲串，驱动无源蜂鸣器产生固定频率的声音信号。4.如权利要求1所述的一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，所述比较器的输入电压电路为可通过滑动变阻器调节的分压电路。5.如权利要求1所述的一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括坐标解算模块，用于根据stm32f103rct6核心板采集到的多路声音信号计算时间差，然后进行坐标解算，得到声源的坐标信息。6.如权利要求1所述的一种基于stm32单片机的声源定位装置，其特征在于，所述信号处理模块还包括tftlcd显示模块，用于对声源的位置坐标进行显示。

技术总结
本实用新型公开了一种基于STM32单片机的声源定位装置，包括：依次连接的音频发生模块和信号处理模块；音频发生模块包括：AT89C51核心板和音频发射模块；信号处理模块包括：多个音频接收模块和STM32F103RCT6核心板；AT89C51核心板与音频发射模块连接，音频发射模块分别与多个音频接收模块连接，多个音频接收模块均与STM32F103RCT6核心板连接。本实用新型通过利用STM32F103RCT6核心板构成的信号处理模块和AT89C51核心板构成的音频发生模块，可以在低成本的情况下快速确定出声源的具体位置，且体积小、精度高，易于课堂展示。易于课堂展示。易于课堂展示。


技术研发人员：吉紫娟 王筠 阮思航 汤诗怡 崔慧琳 符瀚尹 刘镐林
受保护的技术使用者：湖北第二师范学院
技术研发日：2022.10.14
技术公布日：2023/7/14