基于麥克風陣列的聲源定位系統設計目錄TOC\o"1-3"\h\u202701引言 [5]。2基于麥克風陣列的聲源定位系統工作原理本次設計中，利用四個聲音傳感器模塊，成十字排列組成麥克風陣列，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均朝上，能夠完成朝向范圍內收音功能。接收聲源聲音信號后，經單片機程序處理，比較互相關的值。例如MIC1與MIC2互相關的值大于MIC1與MIC4互相關的值，則表明聲源更可能處于MIC1、MIC2之間而不是MIC1、MIC4之間，再通過比較MIC1與MIC2之間的強度大小，進一步細分方位，以輸出最終的聲源方位。圖1麥克風陣列排列圖3基于麥克風陣列的聲源定位系統總體方案設計3.1系統預期功能基于麥克風陣列的聲源定位系統利用麥克風陣列對信號源聲音信號進行采集、放大，送往STM32F103C8T6單片機進行濾波、歸一、互相關等算法處理，判斷聲源的方位，可確定聲源位于平面內八方位之一，再由雙180°舵機進行指示，便于快速判斷方位。具有OLED顯示模塊，可實時顯示各麥克風信號經AD轉換后原始數據，以供麥克風模塊的快速測試及維修。3.2系統的設計方案基于麥克風陣列的聲源定位系統設計框圖如圖2所示。本系統由信號采集系統、控制系統、顯示系統、執行系統組成。信號采集系統由麥克風陣列及放大電路組成，檢測聲音信號并進行初步處理后送往控制系統。控制系統使用微控制器，對接收到的信號識別后進行處理分析，并控制執行機構的工作及顯示系統的顯示。執行系統由雙180度舵機組成，兩舵機配合，能夠進行360°聲源方位指示。顯示系統采用了OLED液晶顯示屏，顯示信號采集系統原始AD轉換數據以便檢查傳感器模塊。圖2基于麥克風陣列的聲源定位系統設計框圖3.3本設計器件選型和介紹器件的選型如表1所示。STM32F103C8T6作為基于麥克風陣列的聲源定位系統的主控制器；麥克風進行聲音信號采集，經LM386芯片放大后交予主控制器處理；OLED顯示屏顯示各麥克風模塊經主控制器AD轉換后數據；5V可供180°舵機進行聲源方位指示。表1器件的選型及其功能序號器件名稱功能1STM32F103C8T6主控制器2聲音傳感器模塊采集聲音信號3OLED顯示屏顯示實時數據4SG90舵機指示方位此次設計的主控制器STM32F103C8T6如圖3所示。此芯片基于ARMCortex-M內核設計，是32位微控制器，其特點是性能高且低功耗，具備20KB的SRAM和64KB的Flash儲存器，還具備多種接口、可達72MHz的工作頻率,其工作電壓一般為2-3.6V，此芯片I/O端口數量多，響應速度快，同時還具有ADC、定時器等模擬外設。其豐富的外設、強大的處理能力、廣泛的應用范圍以及良好的社區支持，在許多項目中都得到了廣泛使用。圖3STM32F103C8T6控制模塊聲音檢測預處理采用的是聲音傳感器模塊，實物圖如圖4所示。通過麥克風來接收聲音信號，由于麥克風輸出的電流很微弱，故需經電容濾波后送往運算放大器芯片進行處理。運算放大器不僅能精確放大麥克風產生的微弱型號，還能將信號的原始特性保持不變，再使用電位器調節運算放大器的增益可控制經其輸出信號的強度，以適應多種情況。圖4模擬聲音傳感器模塊方位指示采用了SG90舵機，實物圖如圖5所示。該舵機是一種小型的伺服電機，其具有體積小、重量輕、結構簡單、價格便宜、快速響應的特點及良好的穩定性。其功能十分強大，能夠利用PWM調控其旋轉方式，還可根據控制信號來輸出指定的角度情況以實現較為精確的角度控制。圖5SG90舵機信息顯示選用了0.96寸OLED顯示屏，實物圖如圖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光，其響應速度快、功耗低、還采用薄型設計使重量較輕，其接口具備的高兼容性更方便用戶選擇，與此同時它還具有強大的顯示功能，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基于麥克風陣列的聲源定位系統硬件設計4.1單片機最小系統電路STM32F103C8T6正常工作需為其配備3.3V工作電壓，還需復位電路讓NRST引腳低電平以復位到初始狀態。其時鐘則由8MHz晶振和電容組成，確保其工作依時間順序。其最小系統如圖7所示。復位電路、時鐘電路、電源和地線均按需連接，可滿足單片機運行的基本要求。圖7單片機最小系統圖4.2聲音傳感器電路本次設計中，聲音傳感器電路圖如圖8所示。D1是LED燈能在電源接通時亮起，為電源指示燈，麥克風對聲音信號進行采集，其信號經C1濾波后送往LM386芯片進行信號放大并輸出，而電位器RP則能夠調整輸出值的大小，以供后續處理，C2起去耦作用，防止直流信號干擾音頻信號。此傳感器電路利用諸多電容進行濾波、去耦等操作，以確保信號最終質量。圖8聲音傳感器電路4.3SG90舵機與單片機連接電路本次設計中，采用雙SG90舵機來指示聲源方位，其連接電路如圖9所示。該舵機具有三個引腳，其中VCC與5V電源相連、GND與電源GND相連接用于給舵機供電，而DATE數據輸入引腳則與單片機PA6引腳連接以接收單片機的PWM信號，以此完成方位指示，另一舵機DATA與PA7連接，原理一致故不展示。圖9SG90舵機連接電路4.4OLED顯示屏與單片機連接電路本次設計中，采用0.96寸OLED顯示屏來顯示各麥克風數據，其連接電路如圖10所示。該顯示屏有四個引腳，其中VCC和GND分別連接對應工作電壓及接地，以保障顯示屏供電。SCL引腳則與單片機PB8引腳連接，控制數據在顯示屏和控制器之間的傳輸速度，確保數據的準確和及時傳輸，SDA引腳與單片機PB9引腳連接，負責在微控制器和顯示屏之間發送和接收數據以實現OLED顯示屏的顯示功能。圖10OLED顯示屏連接電路5基于麥克風聲源定位系統軟件設計5.1主程序設計系統主程序流程圖如圖11所示。主程序開始后先對所有模塊進行初始化，在主函數中先利用while(1)循環啟動將讀取到的數據在OLED實時上顯示，KEY1按下后，開始計算聲源位置，改變兩舵機朝向以指示聲源方向信息，KEY2按下后舵機即恢復到初始位置，程序運行可分為如下步驟：OLED顯示屏的顯示內容：顯示屏具有四行顯示，分別顯示PA0、PA1、PA2、PA3四引腳在ADC模式下進行AD轉換后的原始數據。與此同時OLED上會顯示靜態字符串，將各數據信息與麥克風編號相結合，以測試麥克風收音模塊大致情況是否滿足要求。SG90方向指示舵機的控制：在檢測到KEY1按下后，算法開始計算聲源方向信息，結合內部定時器，將以一定的周期改變控制舵機的PWM波，以達到舵機周期性指示方向的目的，設置周期是為了防止上一周期舵機仍未到達指定位置并已停留一段時間以至于方位指示不清晰。在檢測到KEY2按下后，兩舵機即回到初始位置，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處理及聲源定位流程圖如圖12所示。在麥克風接收到聲音信號后，經電容第一次濾波后，送往LM386芯片進行信號放大處理，其輸出可由電位器調節大小，以使同一情況下的麥克風模塊輸出基本一致，輸出信號將分別發往對應的單片機引腳PA0-PA3，這四個引腳被程序設置為ADC模式，將接收到的信號進行AD轉換后直接顯示到OLED上，另一方面，程序會將數據進行二次濾波，將十次數據經去最大、最小值后取平均以完成二次濾波操作，再將經二次濾波后的數據進行歸一處理便于比較，經較為精準的互相關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舵機程序設計SG90舵機程序流程圖如圖13所示。先打開RCC_APB1以開啟時鐘，將PA6、PA7引腳設置為復用推挽模式以輸出PWM波形控制舵機。定時器配置后選擇PWM模式，再將舵機進行初始化，將舵機旋轉角度進行限制以保護舵機，當KEY1按下后舵機即進入聲源方位指示模式，按下KEY2舵機則復位。圖13SG90舵機程序流程圖6實物的調試6.1硬件的調試硬件調試階段，焊接電路板，準備連接電路各模塊前利用萬用表確保各線路正常導通情況，確認無誤后接著安裝主控芯片、電源模塊、麥克風模塊、OLED顯示屏等，確認各模塊連接無接觸不良。OLED顯示屏應顯示各麥克風模塊AD轉換原始數據，主動發出聲音后觀測其示數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誤，以此來調試硬件。在調試過程中，發現PCB板連線與電路圖存在差距，經實驗排查，系嘉立創模塊封裝存在問題，該模塊表現為原理圖正常但轉換成PCB時引腳被打亂，更換模塊封裝并仔細檢查無誤后重新打板解決此問題。6.2程序的調試程序調試階段，依次調試各個模塊，確保其能夠正確運行，如圖14所示。首先測試單片機能否識別按鍵按下及松開信號，實現舵機控制以及舵機的復位，測試過程中發現舵機偶發停頓及左右抖動，還有觸發不靈的情況，經排查，系延時去抖參數設置不當，經多次調整，上述情況消失，此模塊能正常使用。測試OLED顯示屏能否正確顯示AD轉換數值，模塊正確安裝后，開啟單片機并復位后四個聲音接收模塊通道均有數值顯示且按照每100ms變化一次以便粗判斷聲音接收模塊基本功能是否完好，在萬用表蜂鳴器長鳴情況下將各模塊互相調換連接方式，OLED顯示數值基本不變，僅顯示位置變更，以此判斷程序基本邏輯無誤，可正常使用。測試PWM波輸出情況，連接各模塊，將雙SG90電機并排緊貼放置，依其初始位置安裝方位指示器，經測試，PA6、PA7引腳能夠輸出PWM波以正確控制舵機運行。最后多次檢查程序邏輯嚴謹程度，剔除、更換可能存在風險的代碼，以保障后期的無誤運行。圖14程序調試圖6.3總體調試系統總體調試如圖15所示。將編寫完成的程序下載到單片機內，結合已調試好的硬件電路進行總體調試。調試過程中發現，在實際情況中，使用麥克風陣列定位時，極易使最終舵機指示方向與聲源方向不一致，經多次排查和測試發現，系一麥克風模塊發生損壞導致，其表現特性為電位器僅最大增益時才可較為正常地輸出聲音信號，其余情況下，其輸出數值呈現有周期規律的變換，雖調為最大增益時可工作，但考慮到其輸出普遍偏大，可能會對程序產生干擾，遂更換模塊，再次進行調試后，問題解決。圖15總體調試圖7總結7.1基于麥克風陣列的聲源定位系統發展前景本文借助STM32F103C8T6微控制器為核心設計了基于麥克風陣列的聲源定位系統，對聲源方向定位能夠進行大致確定，雙SG90舵機指示聲源方位信息，聲源位置信息一目了然，同時其操作及使用簡單便捷，成本較低、還可使用更高精度的收聲模塊以達到更高的精度，各個模塊方便檢修，僅需簡單操作即可更換配件維修，聲源信息也可用作其他用途，例如話筒自動對準發言人方向，任課老師離開黑板達一定時間后自動擦掉黑板等，故此設計具有一定的應用前景及可擴展性。7.2作品不足之處本作品由于前期設計考慮不周全，以及受限于麥克風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八方位之一，無法判斷精確的角度方向以及平面內位置坐標，麥克風陣列在收音方面容易受到干擾，以至輸出結果偶有錯誤，且未添加藍牙模塊，使得本系統只能近距離手動操控。參考文獻李志.基于WLAN的室內定位技術及應用研究[D].東北大學,2022.DOI:10.27007/ki.gdbeu.2018.000669.劉國仲.新課標下初中物理生活化教學的實踐探析[J].數理化解題研究,2023(35):107-109.侯偉.基于深度學習的聲源定位算法研究[D].哈爾濱理工大學,2021.DOI:10.27063/ki.ghlgu.2020.000472.劉權毅,閆思哲,劉博一,等.聲源定位方法與裝置的設計和研究[J].物理與工程,2023,33(06):60-69.黨曉敏.麥克風陣列聲源定位系統的研究與實現[D].西安理工大學,2024.DOI:10.27398/ki.gxalu.2023.000903.侯曉飛.基于麥克風陣列的汽車鳴笛聲識別與定位系統的研究[D].天津科技大學,2024.DOI: