一种机器人音量检测的创新设计方案

2016-06-22王伟民浙江省上虞中学浙江绍兴312300

中小学电教 2016年4期

☆王伟民（浙江省上虞中学，浙江绍兴　312300）

一种机器人音量检测的创新设计方案

☆王伟民
（浙江省上虞中学，浙江绍兴312300）

摘要：在机器人应用中常常需要检查外界声音的音量值，但传统的基于硬件的方案成本高、可靠性差，效果不能让人满意。为此，笔者在研制一款噪音监测机器人时别出心裁，发明了一种用于音量检测的创新方案，该方案具有电路简单、成本低、易于调试、性能稳定的优点。

关键词：机器人；音量检测；创新设计

一、音量检测的用途

在机器人系统或电子控制装置中，音量检测有着非常重要的作用，例如：我校为了参加省科技创新大赛而设计的一款商业街噪音监测机器人（如图1）。这款机器人在巡逻到每个商家门口时，会通过声音传感器检测音量是否超标，若检测到没有超标则继续巡逻，若检测到超标则通过语音播放模块播放超标警示并记录音量值。这款机器人如果能够研发成功，将可以有效地破解全国各地商业街噪声的管理难题。通过对整个机器人系统的分析不难发现，音量检测是其中最核心的一个子系统。又如：玩具机器人，你拍一拍手，它就会唱歌；常见的楼道声控灯，有声音时能自动点亮，这些都用到了“音量检测”。

图1　

虽然“音量检测”应用广泛，但目前这方面的介绍资料很少，所以，我们特意将商业街噪音监测机器人中采用的音量检测方案整理并分享给大家。

二、音量检测面临的困难

音量检测面临的困难来自于检测的对象，声音是目前已知的最复杂的信号，图2是数字示波器采集到的一段人讲话的声音信号。从图中可以看出，人讲话的声音信号是不断变化的，而且变化的频率、幅度、相位都是无规则的。驻极体话筒可以将声音转换为电信号，这个没有任何难度，但将声音电信号转换成音量值，就有相当大的难度了。

图2　

另外，在一些应用中要求进行音量检测的同时，还要排除一些声音干扰，例如：偶尔的咳嗽声、关门声等，这也会进一步增加难度。

三、传统的音量检测方案

传统的音量检测通常是基于纯硬件的。用峰值检波器可以将语音信号转变成包络信号，然后用低通滤波器进行滤波，滤波后的信号和音量值成正比，可以传送给单片微型计算机。

两个具体电路的实现方案，第一个方案是二极管检波电路加3级RC低通滤波，这个方案的好处是电路简单可靠，但由于二极管有导通电压的存在，即使采用导通电压较低的肖特基二极管，也不能检测幅度低于0.2VPP的声音信号；第二个方案是采用二极管和运算放大器组成的理想检波器加RC电路和运算放大器组成的有源低通滤波器，这个方案的好处是各项性能较好，但电路复杂容易不稳定。

四、创新的音量检测方案

传统的音量检测，在电气性能、经济性、可靠性等方面很难做到最优，因此，我们在设计的噪音监测机器人中并未采用，而是采用了另一种创新方案——“高速采样和数字积分方案”。

新方案获得音量值分几个步骤：（1）声-电转换。通过话筒，获得原始声音信号，原始声音信号中含有所需的响度信息，但也含有不需要的音高、音色信息。（2）采样和数模转换。通过单片机内部的高速采样器获得采样点（如图3），采样频率为300kHz，每个采样点再通过单片机内部的模数转换器进行模数转换。（3）形成包络。保留最大值点，形成包络信号（如图4），包络信号中只包含所需的响度信息，但仍是变化的。（4）积分运算。通过积分运算实现求平均值的效果，在积分时间到的那个时刻得到的积分值（如图5），就是所需的音量值。

图5　

语音信号的最高频率是5kHz，根据奈奎斯特准则，采样频率至少是信号频率的2倍，因此，采样率必须在10kHz以上，AD转换器工作速度也必须高于10kHz。目前市场上的最新型号的8位单片机一般满足这一要求，我们实际采用的宏晶科技最新推出的15F系列1T单片机，型号为STC15F2K60S2，内部采样器和AD转换器速度达到300kHz，能满足要求。

声-电转换的装置，我们采用淘宝上出售的一款声音检测模块（如图6），价格为6.6元，非常便宜，上面不光有驻极体话筒，还有500倍放大电路和灵敏度调节旋钮，将其模拟量输出脚和单片机的任何一个AD输入脚连接即可。