☆王偉民（浙江省上虞中學(xué)，浙江紹興　312300）

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一種機(jī)器人音量檢測(cè)的創(chuàng)新設(shè)計(jì)方案

☆王偉民
（浙江省上虞中學(xué)，浙江紹興312300）

摘要：在機(jī)器人應(yīng)用中常常需要檢查外界聲音的音量值，但傳統(tǒng)的基于硬件的方案成本高、可靠性差，效果不能讓人滿意。為此，筆者在研制一款噪音監(jiān)測(cè)機(jī)器人時(shí)別出心裁，發(fā)明了一種用于音量檢測(cè)的創(chuàng)新方案，該方案具有電路簡(jiǎn)單、成本低、易于調(diào)試、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；音量檢測(cè)；創(chuàng)新設(shè)計(jì)

一、音量檢測(cè)的用途

在機(jī)器人系統(tǒng)或電子控制裝置中，音量檢測(cè)有著非常重要的作用，例如：我校為了參加省科技創(chuàng)新大賽而設(shè)計(jì)的一款商業(yè)街噪音監(jiān)測(cè)機(jī)器人（如圖1）。這款機(jī)器人在巡邏到每個(gè)商家門(mén)口時(shí)，會(huì)通過(guò)聲音傳感器檢測(cè)音量是否超標(biāo)，若檢測(cè)到?jīng)]有超標(biāo)則繼續(xù)巡邏，若檢測(cè)到超標(biāo)則通過(guò)語(yǔ)音播放模塊播放超標(biāo)警示并記錄音量值。這款機(jī)器人如果能夠研發(fā)成功，將可以有效地破解全國(guó)各地商業(yè)街噪聲的管理難題。通過(guò)對(duì)整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的分析不難發(fā)現(xiàn)，音量檢測(cè)是其中最核心的一個(gè)子系統(tǒng)。又如：玩具機(jī)器人，你拍一拍手，它就會(huì)唱歌；常見(jiàn)的樓道聲控?zé)簦新曇魰r(shí)能自動(dòng)點(diǎn)亮，這些都用到了“音量檢測(cè)”。

圖1　

雖然“音量檢測(cè)”應(yīng)用廣泛，但目前這方面的介紹資料很少，所以，我們特意將商業(yè)街噪音監(jiān)測(cè)機(jī)器人中采用的音量檢測(cè)方案整理并分享給大家。

二、音量檢測(cè)面臨的困難

音量檢測(cè)面臨的困難來(lái)自于檢測(cè)的對(duì)象，聲音是目前已知的最復(fù)雜的信號(hào)，圖2是數(shù)字示波器采集到的一段人講話的聲音信號(hào)。從圖中可以看出，人講話的聲音信號(hào)是不斷變化的，而且變化的頻率、幅度、相位都是無(wú)規(guī)則的。駐極體話筒可以將聲音轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這個(gè)沒(méi)有任何難度，但將聲音電信號(hào)轉(zhuǎn)換成音量值，就有相當(dāng)大的難度了。

圖2　

另外，在一些應(yīng)用中要求進(jìn)行音量檢測(cè)的同時(shí)，還要排除一些聲音干擾，例如：偶爾的咳嗽聲、關(guān)門(mén)聲等，這也會(huì)進(jìn)一步增加難度。

三、傳統(tǒng)的音量檢測(cè)方案

傳統(tǒng)的音量檢測(cè)通常是基于純硬件的。用峰值檢波器可以將語(yǔ)音信號(hào)轉(zhuǎn)變成包絡(luò)信號(hào)，然后用低通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)和音量值成正比，可以傳送給單片微型計(jì)算機(jī)。

兩個(gè)具體電路的實(shí)現(xiàn)方案，第一個(gè)方案是二極管檢波電路加3級(jí)RC低通濾波，這個(gè)方案的好處是電路簡(jiǎn)單可靠，但由于二極管有導(dǎo)通電壓的存在，即使采用導(dǎo)通電壓較低的肖特基二極管，也不能檢測(cè)幅度低于0.2VPP的聲音信號(hào)；第二個(gè)方案是采用二極管和運(yùn)算放大器組成的理想檢波器加RC電路和運(yùn)算放大器組成的有源低通濾波器，這個(gè)方案的好處是各項(xiàng)性能較好，但電路復(fù)雜容易不穩(wěn)定。

四、創(chuàng)新的音量檢測(cè)方案

傳統(tǒng)的音量檢測(cè)，在電氣性能、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等方面很難做到最優(yōu)，因此，我們?cè)谠O(shè)計(jì)的噪音監(jiān)測(cè)機(jī)器人中并未采用，而是采用了另一種創(chuàng)新方案——“高速采樣和數(shù)字積分方案”。

新方案獲得音量值分幾個(gè)步驟：（1）聲-電轉(zhuǎn)換。通過(guò)話筒，獲得原始聲音信號(hào)，原始聲音信號(hào)中含有所需的響度信息，但也含有不需要的音高、音色信息。（2）采樣和數(shù)模轉(zhuǎn)換。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的高速采樣器獲得采樣點(diǎn)（如圖3），采樣頻率為300kHz，每個(gè)采樣點(diǎn)再通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部的模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。（3）形成包絡(luò)。保留最大值點(diǎn)，形成包絡(luò)信號(hào)（如圖4），包絡(luò)信號(hào)中只包含所需的響度信息，但仍是變化的。（4）積分運(yùn)算。通過(guò)積分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)求平均值的效果，在積分時(shí)間到的那個(gè)時(shí)刻得到的積分值（如圖5），就是所需的音量值。

圖5　

語(yǔ)音信號(hào)的最高頻率是5kHz，根據(jù)奈奎斯特準(zhǔn)則，采樣頻率至少是信號(hào)頻率的2倍，因此，采樣率必須在10kHz以上，AD轉(zhuǎn)換器工作速度也必須高于10kHz。目前市場(chǎng)上的最新型號(hào)的8位單片機(jī)一般滿足這一要求，我們實(shí)際采用的宏晶科技最新推出的15F系列1T單片機(jī)，型號(hào)為STC15F2K60S2，內(nèi)部采樣器和AD轉(zhuǎn)換器速度達(dá)到300kHz，能滿足要求。

聲-電轉(zhuǎn)換的裝置，我們采用淘寶上出售的一款聲音檢測(cè)模塊（如圖6），價(jià)格為6.6元，非常便宜，上面不光有駐極體話筒，還有500倍放大電路和靈敏度調(diào)節(jié)旋鈕，將其模擬量輸出腳和單片機(jī)的任何一個(gè)AD輸入腳連接即可。

圖6　

獲取音量值函數(shù)核心程序如下，需要說(shuō)明的是，為了簡(jiǎn)化程序，我們并沒(méi)有取最大值，而是將AD轉(zhuǎn)換值和無(wú)聲音時(shí)候的AD值（靜態(tài)值）進(jìn)行比較，比靜態(tài)值大的保留并累加，比靜態(tài)值小的舍去：

在程序中，選取積分時(shí)間為10秒，目的是為了排除咳嗽聲、敲擊聲等的干擾，這些干擾聲雖然響度較大，持續(xù)時(shí)間很短，一般在1秒左右，選取較長(zhǎng)的積分時(shí)間，就可以將其排除，但積分時(shí)間取得過(guò)長(zhǎng)也會(huì)造成系統(tǒng)提供音量值的刷新時(shí)間變長(zhǎng)，不利于有些實(shí)時(shí)系統(tǒng)的要求。均衡考慮，我們認(rèn)為積分時(shí)間選擇為10秒是合理的。

五、結(jié)束語(yǔ)

由于本方案采用單片機(jī)內(nèi)部原來(lái)就有的高速采樣器、高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器，外圍電路較為簡(jiǎn)單，成本低，易于調(diào)試，性能穩(wěn)定可靠，已成功應(yīng)用于我們研制的商業(yè)街噪音監(jiān)測(cè)機(jī)器人中。

參考文獻(xiàn)：

[1]何賓.STC單片機(jī)原理及應(yīng)用——從器件、匯編、C到操作系統(tǒng)的分析和設(shè)計(jì)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2015.

[2]宋躍.單片微機(jī)原理與接口技術(shù)（第2版）[M].北京:電子工業(yè)出版社,2015.

[編輯：陳鉞]

中圖分類(lèi)號(hào)：G434

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-7503（2016）07-0078-02