一種機器人音量檢測的創(chuàng)新設計方案

☆王偉民（浙江省上虞中學，浙江紹興　312300）

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一種機器人音量檢測的創(chuàng)新設計方案

☆王偉民
（浙江省上虞中學，浙江紹興312300）

摘要：在機器人應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)測機器人時別出心裁，發(fā)明了一種用于音量檢測的創(chuàng)新方案，該方案具有電路簡單、成本低、易于調試、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

關鍵詞：機器人；音量檢測；創(chuàng)新設計

一、音量檢測的用途

在機器人系統(tǒng)或電子控制裝置中，音量檢測有著非常重要的作用，例如：我校為了參加省科技創(chuàng)新大賽而設計的一款商業(yè)街噪音監(jiān)測機器人（如圖1）。這款機器人在巡邏到每個商家門口時，會通過聲音傳感器檢測音量是否超標，若檢測到?jīng)]有超標則繼續(xù)巡邏，若檢測到超標則通過語音播放模塊播放超標警示并記錄音量值。這款機器人如果能夠研發(fā)成功，將可以有效地破解全國各地商業(yè)街噪聲的管理難題。通過對整個機器人系統(tǒng)的分析不難發(fā)現(xiàn)，音量檢測是其中最核心的一個子系統(tǒng)。又如：玩具機器人，你拍一拍手，它就會唱歌；常見的樓道聲控燈，有聲音時能自動點亮，這些都用到了“音量檢測”。

圖1　

雖然“音量檢測”應用廣泛，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)測機器人中采用的音量檢測方案整理并分享給大家。

二、音量檢測面臨的困難

音量檢測面臨的困難來自于檢測的對象，聲音是目前已知的最復雜的信號，圖2是數(shù)字示波器采集到的一段人講話的聲音信號。從圖中可以看出，人講話的聲音信號是不斷變化的，而且變化的頻率、幅度、相位都是無規(guī)則的。駐極體話筒可以將聲音轉換為電信號，這個沒有任何難度，但將聲音電信號轉換成音量值，就有相當大的難度了。

圖2　

另外，在一些應用中要求進行音量檢測的同時，還要排除一些聲音干擾，例如：偶爾的咳嗽聲、關門聲等，這也會進一步增加難度。

三、傳統(tǒng)的音量檢測方案

傳統(tǒng)的音量檢測通常是基于純硬件的。用峰值檢波器可以將語音信號轉變成包絡信號，然后用低通濾波器進行濾波，濾波后的信號和音量值成正比，可以傳送給單片微型計算機。

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

四、創(chuàng)新的音量檢測方案

傳統(tǒng)的音量檢測，在電氣性能、經(jīng)濟性、可靠性等方面很難做到最優(yōu)，因此，我們在設計的噪音監(jiān)測機器人中并未采用，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步驟：（1）聲-電轉換。通過話筒，獲得原始聲音信號，原始聲音信號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)模轉換。通過單片機內(nèi)部的高速采樣器獲得采樣點（如圖3），采樣頻率為300kHz，每個采樣點再通過單片機內(nèi)部的模數(shù)轉換器進行模數(shù)轉換。（3）形成包絡。保留最大值點，形成包絡信號（如圖4），包絡信號中只包含所需的響度信息，但仍是變化的。（4）積分運算。通過積分運算實現(xiàn)求平均值的效果，在積分時間到的那個時刻得到的積分值（如圖5），就是所需的音量值。

圖5　

語音信號的最高頻率是5kHz，根據(jù)奈奎斯特準則，采樣頻率至少是信號頻率的2倍，因此，采樣率必須在10kHz以上，AD轉換器工作速度也必須高于10kHz。目前市場上的最新型號的8位單片機一般滿足這一要求，我們實際采用的宏晶科技最新推出的15F系列1T單片機，型號為STC15F2K60S2，內(nèi)部采樣器和AD轉換器速度達到300kHz，能滿足要求。

聲-電轉換的裝置，我們采用淘寶上出售的一款聲音檢測模塊（如圖6），價格為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節(jié)旋鈕，將其模擬量輸出腳和單片機的任何一個AD輸入腳連接即可。

圖6　

獲取音量值函數(shù)核心程序如下，需要說明的是，為了簡化程序，我們并沒有取最大值，而是將AD轉換值和無聲音時候的AD值（靜態(tài)值）進行比較，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)時間很短，一般在1秒左右，選取較長的積分時間，就可以將其排除，但積分時間取得過長也會造成系統(tǒng)提供音量值的刷新時間變長，不利于有些實時系統(tǒng)的要求。均衡考慮，我們認為積分時間選擇為10秒是合理的。

五、結束語

由于本方案采用單片機內(nèi)部原來就有的高速采樣器、高速數(shù)模轉換器，外圍電路較為簡單，成本低，易于調試，性能穩(wěn)定可靠，已成功應用于我們研制的商業(yè)街噪音監(jiān)測機器人中。

參考文獻：

[1]何賓.STC單片機原理及應用——從器件、匯編、C到操作系統(tǒng)的分析和設計[M].北京:清華大學出版社,2015.

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

[編輯：陳鉞]

中圖分類號：G434

文獻標識碼：A

文章編號：1671-7503（2016）07-0078-02