声音识别与定位系统的设计与实现

1、2014年湖北理工学院毕业设计姓名：谭洪姓名：谭洪学号：学号：201040220243专业：电气工程及其自动化专业：电气工程及其自动化指导老师：邓彬伟指导老师：邓彬伟副教授副教授一、研究概述一、研究概述二、主要内二、主要内容容三、研究成三、研究成果果四、总四、总 结结研究背景和意义：声音是人类传递和研究背景和意义：声音是人类传递和获取的信息中非常重要的一种信息，获取的信息中非常重要的一种信息，人们经常借助听觉来判定发音物体的人们经常借助听觉来判定发音物体的位置。声音识别和定位技术在位置。声音识别和定位技术在声控机声控机器人器人、视频会议视频会议、目标定位目标定位和和助听装助听装置置、语音识别和

2、说话人识别语音识别和说话人识别等领域有等领域有重要的应用。重要的应用。声控机器人声控机器人助听装置助听装置语音识别语音识别目标定位目标定位声音识别和定位声音识别和定位研究内容和目标：声源定位技术研究涉研究内容和目标：声源定位技术研究涉及声学、信号检测、电子学、数字信号及声学、信号检测、电子学、数字信号处理、软件设计等诸多技术领域。本设处理、软件设计等诸多技术领域。本设计的系统需要准确地获取指定的声音，计的系统需要准确地获取指定的声音，排除噪声的干扰，以准确判断出声源的排除噪声的干扰，以准确判断出声源的位置。位置。声源声源定位定位技术技术研究的重难点：研究的重难点：重点：重点：得到稳定的抗干扰能

3、力强的误差得到稳定的抗干扰能力强的误差 信号。（多径效应信号。（多径效应 、噪声干扰、噪声干扰 ）难点：难点：准确判断可移动声源的位置和控准确判断可移动声源的位置和控 制可移动声源的运动。制可移动声源的运动。多径效应多径效应噪声干扰噪声干扰声源定位声源定位声音会通过空气和各种障碍物反射、衍射到达接收器，则接收器接收到的是声音的混合信号。1 1 绪论绪论 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 4 系统软件设计系统软件设计5 5 测试环境与方法测试环境与方法1 1 绪论绪论 绪论部分阐述了课题研究的背景和意义，绪论部分阐述了课题研究的背景和意义，在分析课题

4、研究的背景和国内外研究现状在分析课题研究的背景和国内外研究现状的基础上，阐明了对声音识别和定位技术的基础上，阐明了对声音识别和定位技术的研究的重要意义。明确提出了研究的内的研究的重要意义。明确提出了研究的内容和要达到的目标，并阐明了本设计研究容和要达到的目标，并阐明了本设计研究的重难点。的重难点。1 1 绪论绪论 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 4 系统软件设计系统软件设计5 5 测试环境与方法测试环境与方法可移动声源定位示意图可移动声源定位示意图 如图，如图，S为可移动声为可移动声源，源， A、B、C和和D为为声音接收器。声音接声音接收器。声音

5、接收器能识别固定频率收器能识别固定频率的声音信号并将声音的声音信号并将声音从声音信号传给单片从声音信号传给单片机，单片机根据声音机，单片机根据声音接收器的声音信号计接收器的声音信号计算出可移动声源的位算出可移动声源的位置。置。2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证系统总体框图系统总体框图 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证方案一：方案一：把接收器把接收器A、B和和C接收到声源的声音信号的强弱接收到声源的声音信号的强弱分别转换成它们与声源之间的距离，从而判断声源的位置。分别转换成它们与声源之间的距离，从而判断声源的位置。方案二：方案二：根据接收器根据接收器A、B和和C接收到声音信

6、号的时间差来接收到声音信号的时间差来判断声源的位置。判断声源的位置。方案分析：方案分析：通过实验发现方案一中声音的强弱受到外界的通过实验发现方案一中声音的强弱受到外界的干扰很强烈，所以检测到的声音信号不定，而用测量时间干扰很强烈，所以检测到的声音信号不定，而用测量时间差的方法检测则相对精确，所以本系统采用第二个方案。差的方法检测则相对精确，所以本系统采用第二个方案。 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证根据方案论证确定各模块所用器件如下：根据方案论证确定各模块所用器件如下：控制器：控制器：MSP430F149.MSP430F149.声音接收模块：咪头、声音接收模块：咪头、TL082CM

7、TL082CM、ADOP07.ADOP07.无线通信模块：无线通信模块：CC2500CC2500无线收发模块无线收发模块. .液晶显示模块：液晶显示模块：LCD12864.LCD12864.电源模块：电源模块：78127812、78057805、79057905、LM317LM317、锂电池、锂电池. .音频信号产生模块：蜂鸣器、三极管音频信号产生模块：蜂鸣器、三极管. .电机模块：电机模块：42BYG250-4842BYG250-48步进电机步进电机. .电机驱动模块：电机驱动模块：THB6128THB6128步进电机细分驱动模块步进电机细分驱动模块. .2 2 系统方案设计与论证系统方案设

8、计与论证1 1 绪论绪论 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 4 系统软件设计系统软件设计5 5 测试环境与方法测试环境与方法3 3 系统硬件设计系统硬件设计MSP430MSP430系列单片机是系列单片机是1616位超低功耗、具有精简位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理指令集的混合信号处理器。其具有处理能力强、器。其具有处理能力强、运算速度快、超低功耗、运算速度快、超低功耗、片内资源丰富、方便高片内资源丰富、方便高效的开发环境和成本低效的开发环境和成本低等优点。等优点。 音频接受、放大选频电路音频接受、放大选频电路 3 3 系统硬件设计系统硬件设

9、计信号二级放大、比较电路信号二级放大、比较电路 3 3 系统硬件设计系统硬件设计单片机与CC2500进行无线通信，同时完成对传感器数据的采样和对外部控制信号的输出。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计ST7920系列产品硬件特性如下：（1）可选串行接口操作或者并行操作； （2）其中并行接口和M6800时序适配；（3）其内部有自建振荡源；（4）自动电源启动复位功能；（5）6416 位字符显示RAM； （6）提供126个西文字型；（7）提供8192个中文字型；（8）1516 位的ICONRAM；（9）6416位字符产生RAM。 3 3 系统硬件设计系统硬件设计3 3 系统硬件设计系统硬件设计3 3

10、系统硬件设计系统硬件设计将蜂鸣器一端接电源正极，另一端通过电阻后接三极管（PNP）的发射极。三极管的基级接电阻后与单片机I/O口相连，通过单片机的定时器产生周期性的PWM方波即可控制三极管来驱动蜂鸣器。3 3 系统硬件设计系统硬件设计3 3 系统硬件设计系统硬件设计1 1 绪论绪论 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 4 系统软件设计系统软件设计5 5 测试环境与方法测试环境与方法4 4 系统软件设计系统软件设计本设计有两种工作模式，本设计有两种工作模式，模式一为声音的识别与模式一为声音的识别与定位模式，即任意移动定位模式，即任意移动声响模块可以准确

11、定位声响模块可以准确定位其位置并显示到液晶屏其位置并显示到液晶屏幕上；模式二为引导声幕上；模式二为引导声源到预定的位置坐标模源到预定的位置坐标模式，即通过键盘设定预式，即通过键盘设定预定坐标位置信息并由从定坐标位置信息并由从机控制可移动声源到达机控制可移动声源到达指定的位置。指定的位置。主机软件流程图主机软件流程图 如图为按键扫描流程图，首先如图为按键扫描流程图，首先设置一个变量用于存放键值，设置一个变量用于存放键值，进入按键扫描程序之后便判断进入按键扫描程序之后便判断是否有按键按下，若有按键按是否有按键按下，若有按键按下就读键值并保存起来，而如下就读键值并保存起来，而如果没有按键按下的话就保

12、留原果没有按键按下的话就保留原来的键值并结束扫描。当然由来的键值并结束扫描。当然由于存在干扰，我们会用单片机于存在干扰，我们会用单片机定时器实现消抖。定时器实现消抖。按键扫描流程图按键扫描流程图4 4 系统软件设计系统软件设计无线收发软件流程图无线收发软件流程图如图为无线收发模块的如图为无线收发模块的软件流程图，与主机相软件流程图，与主机相连的无线模块是发送的，连的无线模块是发送的，所以在主机的程序里面，所以在主机的程序里面，无线模块模式设置的无线模块模式设置的MODE=1；与从机相连；与从机相连的无线模块是用来接收的无线模块是用来接收数据的，所以在从机的数据的，所以在从机的程序里面的程序里面

13、的MODE=0.4 4 系统软件设计系统软件设计 LCD12864驱动程序图驱动程序图如图为如图为12864液晶的驱动程液晶的驱动程序图，首先对设备进行初始序图，首先对设备进行初始化，初始化完成之后就进行化，初始化完成之后就进行写指令操作，写指令完成之写指令操作，写指令完成之后就写数据，当检测到写数后就写数据，当检测到写数据计数器不为据计数器不为0就写下一个就写下一个数据，只到数据计数器为数据，只到数据计数器为0则写数据完成。则写数据完成。4 4 系统软件设计系统软件设计 从机软件流程图从机软件流程图4 4 系统软件设计系统软件设计从机初始化完成之后就从机初始化完成之后就等待检测主机发送的控等

14、待检测主机发送的控制信号，当检测到主机制信号，当检测到主机的控制信号，若为模式的控制信号，若为模式一，则控制声响模块发一，则控制声响模块发射指定频率（射指定频率（500Hz）的声音信号；若为模式的声音信号；若为模式二，则根据主机的指令二，则根据主机的指令控制步进电机达到指定控制步进电机达到指定的位置坐标。的位置坐标。4 4 系统软件设计系统软件设计本设计在声音定位算法上采用归一本设计在声音定位算法上采用归一化正方形的算法。如图有四个声音化正方形的算法。如图有四个声音接收模块安装在贴有坐标纸的木板接收模块安装在贴有坐标纸的木板的四个角上。由数学关系可知声源的四个角上。由数学关系可知声源位置（位置

15、（x，y）可由下式算出：）可由下式算出：归一化正方形归一化正方形ttttttttttcLY234422433424ttttttttttcLX2342442332241 1 绪论绪论 2 2 系统方案设计与论证系统方案设计与论证3 3 系统硬件设计系统硬件设计4 4 系统软件设计系统软件设计5 5 测试环境与方法测试环境与方法5 5 测试环境与方法测试环境与方法测试仪器：秒表，卷尺。测试仪器：秒表，卷尺。测试环境及方法：在实验室环境下测试，采用单点二次测试环境及方法：在实验室环境下测试，采用单点二次测试求平均值的方法。测得数据记录于以下表格。测试求平均值的方法。测得数据记录于以下表格。声音识别与

16、定位系统的设计与实现就声音识别与定位系统的设计与实现就课题的研究意义和国内外研究现状作了详课题的研究意义和国内外研究现状作了详细的说明和分析，给出了可行的研究方案细的说明和分析，给出了可行的研究方案和和实现实现过程，此设计具有较高的学术应用过程，此设计具有较高的学术应用价值和创新性。价值和创新性。 本设计是基于本设计是基于MSP430F149单片机为主控芯单片机为主控芯片的声音控制系统，由单片机最小系统、片的声音控制系统，由单片机最小系统、128*64液晶显示模块、音频信号产生和接受模块、无线液晶显示模块、音频信号产生和接受模块、无线发射和接受模块、可移动声源（小车）、电源单发射和接受模块、可移动声源（小车）、电源单元模块、步进电机驱动模块、声光指示部分组成。元模块、步进电机驱动模块、声光指示部分组成。该系统可实现声音的识别和定位的功能，在声控该系统可实现声音的识别和定位的功能，在声控机器人、视频会议、目标定位和助听装置、语音机器人、视频会议、目标定位和助听装置、语音识别和说话人识别等领域有着广阔的应用前景。识别和