基于STM32的智能声音跟随小车设计

news2024/12/27 18:36:27

引言

本项目基于STM32微控制器设计了一个智能声音跟随小车，通过集成麦克风阵列实现声音源定位和跟随功能。该系统可以检测环境中的声音信号，如手掌拍击声或语音指令，驱动小车向声源方向移动。项目涉及硬件设计、声音信号处理算法以及电机控制模块的实现，适用于家庭娱乐、智能小车开发和机器人教育等场景。本文将详细介绍系统的设计思路和具体实现步骤。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6开发板（或其他 STM32 系列）：作为小车的控制核心。
麦克风阵列模块（如MAX9814）：用于获取环境中的声音信号，实现声音源方向的定位。
电机驱动模块（如L298N）：用于驱动小车的直流电机，实现小车的前进、后退和转向。
直流电机：小车的驱动电机，为小车提供动力。
电源模块：为STM32和电机驱动模块供电。
舵机（可选）：用于旋转麦克风阵列，实现更精确的声音源定位。

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于配置STM32的外设并生成代码框架。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写、调试和下载代码。
ST-Link驱动程序：用于将程序下载到STM32开发板。
串口调试工具：用于调试声音信号处理和小车控制。

项目实现

1. 硬件连接

麦克风阵列模块：连接至STM32的ADC引脚（如PA0, PA1, PA2），用于获取多个方向的声音信号。
电机驱动模块：将电机驱动模块的IN1、IN2引脚分别连接到STM32的GPIO引脚（如PA3和PA4），控制左电机的前进和后退。IN3、IN4引脚连接到其他GPIO引脚（如PA5和PA6），控制右电机的前进和后退。PWM引脚连接到STM32的PWM输出引脚，以调节电机速度。
舵机（可选）：连接至STM32的PWM输出引脚（如PA7），用于旋转麦克风阵列，以扫描不同方向的声音源。
电源模块：提供3.3V或5V电压以供STM32和其他模块运行。

2. STM32CubeMX 配置

选择开发板型号：在STM32CubeMX中选择STM32F103C8T6。
配置系统时钟：设置系统时钟为HSI，确保系统稳定运行。
配置ADC：用于与麦克风阵列模块进行通信，获取声音信号的幅度和方向信息。
配置PWM：设置用于电机驱动和舵机控制的PWM输出。
配置GPIO：用于电机控制和其他外设连接。
生成代码：选择Keil或STM32CubeIDE作为工具链，生成代码框架。

3. 编写主程序

基于生成的代码框架，编写声音信号处理、声源定位和小车控制的逻辑代码，以下为智能声音跟随小车系统的核心代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义引脚
#define LEFT_MOTOR_IN1 GPIO_PIN_3
#define LEFT_MOTOR_IN2 GPIO_PIN_4
#define RIGHT_MOTOR_IN1 GPIO_PIN_5
#define RIGHT_MOTOR_IN2 GPIO_PIN_6
#define MOTOR_PORT GPIOA
#define MIC1_PIN GPIO_PIN_0
#define MIC2_PIN GPIO_PIN_1
#define MIC3_PIN GPIO_PIN_2
#define MIC_PORT GPIOA
#define SERVO_PWM_PIN GPIO_PIN_7

// 变量声明
uint16_t mic1_value, mic2_value, mic3_value;
uint8_t direction;

// 函数声明
void Sound_Direction_Detection(void);
void Motor_Control(uint8_t leftSpeed, uint8_t rightSpeed, uint8_t direction);

// 声音方向检测函数
void Sound_Direction_Detection(void) {
    // 读取麦克风的ADC值
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {
        mic1_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {
        mic2_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    HAL_ADC_Start(&hadc1);
    if (HAL_ADC_PollForConversion(&hadc1, HAL_MAX_DELAY) == HAL_OK) {
        mic3_value = HAL_ADC_GetValue(&hadc1);
    }
    HAL_ADC_Stop(&hadc1);

    // 判断声音来源方向
    if (mic1_value > mic2_value && mic1_value > mic3_value) {
        direction = 1; // 声音来自左侧
    } else if (mic2_value > mic1_value && mic2_value > mic3_value) {
        direction = 2; // 声音来自前方
    } else if (mic3_value > mic1_value && mic3_value > mic2_value) {
        direction = 3; // 声音来自右侧
    }
}

// 电机控制函数
void Motor_Control(uint8_t leftSpeed, uint8_t rightSpeed, uint8_t direction) {
    if (direction == 1) { // 声音来自左侧，小车向左转
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
    } else if (direction == 3) { // 声音来自右侧，小车向右转
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_SET);
    } else { // 声音来自前方，小车向前
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, LEFT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN1, GPIO_PIN_SET);
        HAL_GPIO_WritePin(MOTOR_PORT, RIGHT_MOTOR_IN2, GPIO_PIN_RESET);
    }
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1, leftSpeed);
    __HAL_TIM_SET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2, rightSpeed);
}

int main(void) {
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    MX_GPIO_Init();
    MX_ADC1_Init();
    MX_TIM1_Init();

    HAL_TIM_PWM_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1); // 开启PWM

    while (1) {
        Sound_Direction_Detection();  // 声音方向检测
        Motor_Control(100, 100, direction);  // 控制小车移动
    }
}