一種專用鳥(niǎo)聲記錄系統(tǒng)的研制

肖震岳　張啟鵬　趙淳　黃華德

摘 ?要： 基于STC89C52單片機(jī)設(shè)計(jì)一種專用鳥(niǎo)聲錄制系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于在野外放置在鳥(niǎo)巢中錄制成年鳥(niǎo)和幼鳥(niǎo)的叫聲，用單片機(jī)控制錄音的程序，為便于后續(xù)處理，濾聲模塊過(guò)濾掉低頻噪聲，TCS510M1?D28錄制模塊把鳥(niǎo)的叫聲錄制下來(lái)并以無(wú)損格式保存到存儲(chǔ)卡中，采用紅外感應(yīng)模塊來(lái)檢測(cè)鳥(niǎo)是否在鳥(niǎo)巢中，當(dāng)鳥(niǎo)進(jìn)入，則開(kāi)啟，否則關(guān)閉。通過(guò)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測(cè)試結(jié)果表明，用無(wú)損格式保存的音頻文件中的鳥(niǎo)叫聲還原性高，系統(tǒng)的能耗低，續(xù)用時(shí)間長(zhǎng)，可滿足長(zhǎng)時(shí)間野外鳥(niǎo)巢中的錄制要求。

關(guān)鍵詞： 鳥(niǎo)聲記錄; 錄音程序控制; 智能控制; 無(wú)損保存; 樣機(jī)測(cè)試; 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： TN64?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)： 1004?373X（2020）24?0049?03

Design of special birdcall recording system

XIAO Zhenyue， ZHANG Qipeng， ZHAO Chun， HUANG Huade

（School of Mechanical Engineering， Guangxi University， Nanning 530004， China）

Abstract： A special birdsong recording system based on STC89C52 is designed. The system is used to record the calls of adult birds and baby birds in the bird′s nest placed in the wild. The single chip microcomputer is used to control the recording program， the sound filtering module is utilized to filter out the low?frequency noise for the convenience of subsequent processing， and the TCS510M1?D28 is used to record the birdcall and save it to the memory card in undamaged format. The infrared sensing module is used to detect whether the bird is in the nest. When the bird enters， it will be opened; otherwise it will be still kept closed. The testing results of the experimental prototype show that the birdcall in the audio file saved in lossless format has high reducibility， and the system has low energy consumption and long endurance， which can meet the requirements of a long?time record in the bird′s nest in the wild.

Keywords： birdcall recording; recording program control; intelligent control; undamaged conservation; prototype testing; system design

0 ?引 ?言

鳥(niǎo)類的生活一般是特別隱蔽的，影像設(shè)備很難拍到，所以可以采用聲譜捕捉的方式，研究鳥(niǎo)類的生活習(xí)性，提高捕捉精度。鳥(niǎo)類發(fā)出嘹亮的鳴叫，就像人的聲音有自己的辨識(shí)度，不同種類、不同性別、不同發(fā)出的鳴叫也各不相同[1]。通過(guò)對(duì)鳥(niǎo)類鳴唱以及相關(guān)行為的研究，可以了解鳥(niǎo)類不同鳴叫聲的生物學(xué)意義以及鳴叫聲與領(lǐng)域防護(hù)行為的聯(lián)系等[2]。

但是，目前用于錄制鳥(niǎo)叫聲的設(shè)備體積大，價(jià)格昂貴，續(xù)航時(shí)間短，自動(dòng)化程度低。本文所設(shè)計(jì)的鳥(niǎo)聲錄制系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，具有很高的可靠性，價(jià)格低廉，并且可以根據(jù)鳥(niǎo)的存在與否自動(dòng)控制系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉，大大減少能耗，延長(zhǎng)錄制時(shí)間。

1 ?系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)放置的地方為鳥(niǎo)巢內(nèi)部，可以高效記錄下鳥(niǎo)的叫聲。當(dāng)鳥(niǎo)飛入鳥(niǎo)巢中，重力感應(yīng)裝置識(shí)別到鳥(niǎo)的存在，自動(dòng)開(kāi)啟錄音功能，實(shí)時(shí)錄下成年鳥(niǎo)和幼鳥(niǎo)叫聲。當(dāng)成年鳥(niǎo)飛出去后，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，節(jié)省電能，待成年鳥(niǎo)回來(lái)再開(kāi)啟。錄音文件能夠?qū)崟r(shí)保存到內(nèi)存卡中，當(dāng)成年鳥(niǎo)不在鳥(niǎo)巢中時(shí)，可以把內(nèi)存卡取出，導(dǎo)出卡內(nèi)文件[3]。

系統(tǒng)主要由控制模塊、濾聲模塊、鳥(niǎo)聲錄制模塊、拾音模塊和感應(yīng)模塊等組成。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2 ?系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 ?控制模塊

本系統(tǒng)選擇STC89C52作為控制模塊，是STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，能夠兼顧性能的同時(shí)也能減少不必要的能耗，提高續(xù)航能力。其可降至0 Hz靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止[5]。

2.2 ?濾聲模塊

本系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境是在城市中，城市中不僅有鳥(niǎo)的叫聲，還有人的交談等聲音。在城市中，鳥(niǎo)類的叫聲一般頻率在2.2～2.3 kHz，人的漢語(yǔ)普通話聲音功率主要集中在250～1 500 Hz，所以使用2 kHz的高通濾聲模塊對(duì)人聲進(jìn)行初步處理[5]。

2.3 ?鳥(niǎo)聲錄制模塊

考慮到錄制的鳥(niǎo)聲還需進(jìn)行后續(xù)處理，必須保證錄制的質(zhì)量，需要無(wú)損格式來(lái)存儲(chǔ)音頻。本系統(tǒng)采用TCS510M1?D28錄制模塊，最高支持48 kHz采樣率，32 Kb/s比特率的WAV無(wú)損格式的音頻文件錄制。錄制模塊上集成儲(chǔ)存單元，可使用TF卡存儲(chǔ)，最大可以支持32 GB的TF卡。

2.4 ?拾音模塊

拾音模塊主要功能是把聲信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)傳遞到錄制模塊中，為了減小周?chē)沫h(huán)境噪聲，使用電容式單指向拾音器。該拾音器的拾音面積為麥克風(fēng)的正前方，其后方的聲音不進(jìn)行拾音處理[6]。

2.5 ?感應(yīng)模塊

幼鳥(niǎo)只有在成年鳥(niǎo)飛回來(lái)的時(shí)候，為了呼喚成年鳥(niǎo)喂食才叫，所以感應(yīng)模塊只需要檢測(cè)鳥(niǎo)巢內(nèi)是否存在成年鳥(niǎo)即可有效控制錄制系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)[7]。本系統(tǒng)使用HC?SR505紅外感應(yīng)模塊，靈敏度高、體積小、能耗低。當(dāng)成年鳥(niǎo)飛回來(lái)時(shí)，輸出高電平，系統(tǒng)開(kāi)啟，成年鳥(niǎo)飛走，輸出低電平，系統(tǒng)關(guān)閉。綜上所述，系統(tǒng)的原理圖見(jiàn)圖2。

3 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)使用STC89C52的SPI接口模式對(duì)錄制模塊TCS510M1?D28進(jìn)行串行通信。在系統(tǒng)打開(kāi)后，系統(tǒng)進(jìn)行初始化，單片機(jī)調(diào)用錄音程序，錄音程序開(kāi)始進(jìn)行錄音前的檢查，檢查內(nèi)存是否已存滿，如果存滿，系統(tǒng)自動(dòng)停止;如沒(méi)有存滿，系統(tǒng)正常執(zhí)行錄音過(guò)程[8]。系統(tǒng)流程如圖3所示。

錄音程序先與錄音模塊完成通信，計(jì)算存儲(chǔ)位置和存儲(chǔ)名稱，然后發(fā)送錄制代碼[9]。起始碼為“7E”，長(zhǎng)度為“07”，命令為“d6”，效驗(yàn)碼為“C3”，結(jié)束碼為“7E”，以音頻文件命名“B001”為例，錄音部分程序如下：

void luyin（uchar dat）

{ uchar a，b，c;

a=dat%1000/100+0x30;

b=dat%100/10+0x30;

c=dat%10+0x31;

SendASC（0x7e）;

SendASC（0x07）;

SendASC（0xd6）;

SendASC（0x42）;

SendASC（a）;

SendASC（b）;

SendASC（c）;

SendASC（a+b+c+0x07+0xd6+0x42）;

SendASC（0xef）;}

程序中：“0x42”代表“B”;“0x30”代表“0”;“0x31”代表“1”。

在錄音過(guò)程中，為了避免錄制的音頻文件過(guò)大，后續(xù)處理難以打開(kāi)，采用定時(shí)分段錄制方案。設(shè)定的定時(shí)分段時(shí)間為13 min，即每錄制13 min，重新新建一個(gè)錄制文件，這樣也能保證錄制過(guò)程中即使出錯(cuò)，也能夠最大限度減小損失。

4 ?系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)原理圖設(shè)計(jì)好系統(tǒng)，集成在PCB板上，系統(tǒng)實(shí)物如圖4所示[10]。使用該系統(tǒng)連續(xù)錄制1 h，錄制出的音頻文件如圖5所示。

從圖5可以看出，錄制的音頻文件都是無(wú)損WAV格式，鳥(niǎo)叫聲錄制效果好。錄制1 h，音頻文件按照程序設(shè)計(jì)的要求被分成了5段，前4段都是13 min，最后一段只有6 min?；旧? min占用1 MB的內(nèi)存，如按照32 GB的內(nèi)存卡來(lái)計(jì)算，能夠連續(xù)儲(chǔ)存20天的音頻文件。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，測(cè)量出插入內(nèi)存卡并且進(jìn)行錄制時(shí)的耗電量只有0.052 A，當(dāng)采用3.7 V，9 800 mA·h的電池供電時(shí)，考慮到多方面的因素，能夠連續(xù)錄制的時(shí)間為180 h，滿足野外長(zhǎng)時(shí)間錄制的要求。

5 ?結(jié) ?語(yǔ)

本系統(tǒng)使用STC89C52為控制模塊，TCS510M1?D28為錄制模塊，輔以感應(yīng)裝置為系統(tǒng)的開(kāi)啟和關(guān)閉觸發(fā)開(kāi)關(guān)，能夠在保證錄音質(zhì)量的前提下，提高系統(tǒng)的錄制效率，延長(zhǎng)工作時(shí)間，能夠滿足野外錄制的長(zhǎng)時(shí)間要求。錄制文件的定時(shí)分段有利于后續(xù)音頻文件的處理，減少加載時(shí)間。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試也驗(yàn)證了本文系統(tǒng)能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，功能強(qiáng)，效果好。

注：本文通訊作者為張啟鵬。

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作者簡(jiǎn)介：肖震岳（1997—），男，湖南漣源人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備控制。

張啟鵬（1994—），男，瑤族，廣西桂林人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)備控制。

趙 ?淳（1996—），女，陜西安康人，碩士，研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。