语音遥控小汽车控制系统设计_毕业设计论文.doc

1 摘 要 随着电子工业技术的发展，市场上语音遥控小汽车越来越受 到人们的欢迎，在人们日常生活中起着不可忽略的作用。目前， 声控技术被广泛运用到很多领域。例如声控手机、声控电视机、 声控洗衣机、声控电脑等设备。 本论文对语音遥控小汽车的概况做了描述。该设计在硬件方 面，以凌阳 spce061a 单片机作为本设计的控制核心，以音控小车 的控制电路板作为辅助，来设计小车的动作。在软件方面，通过 c 语言编程，对音控小车的进行训练以及语言命令的识别。设计出 能够根据录制设定的语音命令来控制小汽车的前进、后退、左转、 右转停车等基本功能的语音遥控小汽车。同时根据 spce061a 的语 音特色，实现语音的控制功能。 关键词： 语音，小汽车，spce061a，控制 2 abstractabstract with the development of the electronics industry，the remote voice control cars become more and more popular to people on the market.and 1t plays an important role in the daily lives of people.currently，the voice-activated technology has been used in many fields.such as voice- activated phone,voice-activated tv,voice-activated washing machines,voice-activated computers and other equipments. this article gives a detail to the remote voice control cars. about hardware design，the paper use sunplus spce061a as the control of core,the control board of the voice-activated car as a supplement to design the action of car.about the software，we use c language programming for voice control “training“ and “recognition“of the voice.design a voice remote control cat,which has the basic function to control of the car forward ,backward,turn left,turn right and stop by the set of recorded voice command.at the same time,according to the voice characteristics of spce061a to achieve the voice control functions. first of all，papers confirm the system of program，and 3 then describe the working principle of each units software，hardware as well as introduce the main components of the system. keywords: voice,car,spce061a,control 1 目 次 1 引言 .2 11 研究背景及意义 2 1.2 国内为研究状况 .2 2 方案论证 .2 3.1 系统结构设计 .4 3.2 音控小车控制方案 .4 3.3 音控小车车体控制方案 .5 4 系统硬件设计 .7 4.1 spceo61 最小系统7 4.2 语音识别电路模块 .7 4.3 key 模块.9 4.4 控制板电路 .9 4.4.1 电源电路 .9 4.4.2 接口电源 .9 4.4.3 电机驱动电路 10 5 系统软件设计 11 5.1 主程序 11 5.2 音控小车语音训练子系统 12 结 论 .14 致谢 .15 参考文献 .16 附 录 17 2 1 1 引言引言 1 11 1 研究背景及意义研究背景及意义 近些年来，关于语音识别方面的技术已经成为了非常活跃的 研究领域。语音识别系统在我们现实生活中普及使用，已经成为 各国研究语音识别的主要方向之一。以商业玩具市场的调查结果 显示，那些含有科学技术量越高的的智能玩具、电子玩具等等， 它们的发展就会越迅速。在玩具行业中，智能化玩具在玩具商业 中己经势不可挡，成为了玩具发展的主流。我国虽然是玩具生产 及出口大国，但是在高科技玩具发展方面和国外相比，差距还是 非常大的。所以，及时把精力投入到广泛开展这方面的研究中， 无论是对技术的创新应用，还是对社会经济快速发展，都有非常 重大的现实意义。近几十年，我国对语音识别技术方面的研究已 经取得了很大的进步，各种具有语音识别功能的玩具已经从实验 室中走向了市场，它的智能化操作大大的冲击了玩具的市场。 1.21.2 国内外研究状况国内外研究状况 随着计算机技术、传感器技术、和微电于技术的快速发展， 而今声控技术已经广泛应用到社会的各个角落，给人们提供各种 便利。 l、语音遥控玩具车:不仅大大提高了声控系统的滤去噪音的 能力，而且在语音识别过程中，改善了我们需要注意的准确率的 问题，并且利用如今正在使用的软件开发出有各种不同特色的语 音芯片，我们把它集成到遥控器上，就做出了利用语音控制的声 3 控玩具车。 2、能够识别主人的看门狗:在该系统基础上安装对说话者的 语音识别功能，并将其软件硬件化，集成到芯片上。然后将芯片 放置在防盗门上，可以使它具有主人叫门立即就开门的功能。 3、在我们现实生活中不可或缺的汽车上装有的语音控制系统:在 驾驶过程中，对于不便于用手的操作，可以通过声控系统实现。 但是实际中汽车里可能存在着大量的噪音，因此，滤噪也是最为 关键的技术。 2 2 基本原理基本原理 2.1 基本原理 2.2 常用的实现方案 可采用 80c51 单片机来实现，它的运用比较广泛，而且价格 便宜。但是由于它没有语音播放和语音识别的功能，所以就需要 扩展一个语音播放模块和一个语音识别模块，因此就会使端口资 源紧张，所以我们就必须加入一个接口扩展芯片。另外，语音技 术的发展刚刚起步，再设计的过程中我们就必须进行大量的计算， 会给我们的方案带来很大的困难。该实现方案结构如图 1 所示： 4 80c51 接口扩展模块 接 口 总 线 语音识别模块 语音播放模块 电机驱动模块 图 1 采用 80c51 单片机实现方案结构图 方案二： 利用 spce061a 来实现语音遥控小汽车方案，因为 spce061a 内部本身就包含语音识别模块和语音播放模块，因此我们只需要 添加 mic 和语音播放就可以了，所以在音控小车的设计过程中， 它的系统简洁，结构非常的清晰，外围设备需要比较少。该实现 方案结构如图 2 所示： spce061a mic输入模块电机驱动模块 语音输出模块 图 2 采用 spce061a 单片机实现方案结构图 两个方案对比，第二个方案结构更简单，便于操作，因此采 5 用第二个方案。 3 3 总体方案设计总体方案设计 3.13.1 系统结构设计系统结构设计 语音遥控小汽车硬件组成框图如图 3： key mic 滤波 spce061a 功放spk 方向控制桥路 驱动控制桥路 方向电机 驱动电机 凌阳61板 控制板 图 3 语音遥控小汽车硬件组成 本设计系统的硬件主要由凌阳 61 板、音控小车的控制板两部 分组成。图中凌阳 61 板中包含语声音输出模块功率放大环节、按 键输入模块 key、语音输入模块 mic，给我们的设计提供了极大便 利。电机的驱动电路设计，我采用了全桥驱动，通过把四个 i/o 端口分成两组，对两个电机分别控制，即控制它们的停止、正转 和反转状态。 3.23.2 音控小车控制方案音控小车控制方案 本设计采用语音遥控配合中断定时控制，使小车的状态发生 6 改变。在我们利用语音信号使小车改变状态后，即小车小车行动 以后，我们可以通过向小车发出各种语音信号，使小车的运行状 态发生相应的改变。并且在小车每一次行动发生的同时，定时器 立即启动，在小车发生故障时，不能够正常得接收我们所发出的 语音信号，当达到了我们所定的时间，中断服务的程序就会作用， 立即发出命令，使小车停止运行。 3.33.3 音控小车车体控制方案音控小车车体控制方案 （1）小车前进 自然状态下，因为弹簧的作用，小车的前轮要保持向前状态， 因此，只需后轮向前转即可，所以我们要控制后轮电机正转就可 以实现。如图 4 所示： 前轮驱动电机 后轮驱动电机 图 4 小车前进 （2）小车后退 与小车前进相反，因为弹簧的作用，小车的前轮仍保持向前 状态，因此，只需后轮向后转即可，所以我们要控制后轮电机反 7 转就可以实现。如图 5 所示： 前轮驱动电机 后轮驱动电机 图 5 小车后退 （3）小车前行左转 小车后轮向前转时，即后轮电机正转时，我们只需前轮向左 转即可，所以我们要控制前轮电机正转就可以实现。如图 6 所示： 前轮驱动电机 后轮驱动电机 图 6 小车前行左转 （4）小车前行右转 8 小车后轮向前转时，即后轮电机正转时，我们只需前轮向右 转即可，所以我们要控制前轮电机反转就可以实现。如图 7 所示： 前轮驱动电机 后轮驱动电机 图 7 小车前行右转 相同的原理，我们还可以实现音控小车的左转倒车和右转倒 车，在这里将不再多做解释。 4 4 系统硬件设计系统硬件设计 4.14.1 spceo61spceo61 最小系统最小系统 spceo61 最小系统如图 8 所示，是本设计系统的核心，凌阳 61 单片机具有极强的处理功能，外部信息通过它处理后在传出， 达到了控制的效果。 9 123456 a b c d 654321 d c b a t itle num berrevisionsize b date:3-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你mydesign.ddbdrawn by: nc 84 iob4 1 iob3 2 iob2 3 iob1 4 iob0 5 xresb 6 vdd 7 vcp 8 vss 9 nc 10 nc 11 osc32o 12 osc32i 13 x t est 14 v dd 15 x ice 16 x iceclk 17 x icesda 18 v ss 19 pv in 20 dac1 21 dac2 22 v ref2 23 v ss 24 agc 25 opi 26 micout 27 micn 28 pfuse 29 nc 30 nc 31 nc 32 micp 33 vcm 34 vrtpad 35 vdd 36 vmic 37 vss 38 nc 39 nc 40 ioa0 41 ioa1 42 ioa2 43 ioa3 44 ioa4 45 ioa5 46 ioa6 47 ioa7 48 vss 49 vss 50 vddh 51 vddh 52 ioa8 53 io a9 54 io a10 55 io a11 56 io a12 57 io a13 58 io a14 59 io a15 60 x romt 61 v ss 62 x sleep 63 io b15 64 io b14 65 io b13 66 io b12 67 io b11 68 pv pp 69 nc 70 nc 71 nc 72 nc 73 nc 74 vddh 75 iob10 76 iob9 77 iob8 78 iob7 79 iob6 80 iob5 81 nc 82 nc 83 u1 spec061 +c17 100u c18 104 v ss osco osci v dd ice en ice sck ice sda dac1 dac2 v ref2 av ss1 agc opi micout micn dac micp vcm vrt vdd a vmic avss1 ioa0 ioa1 ioa2 ioa3 ioa4 ioa5 ioa6 ioa7 vss vss vddh vddh ioa8 c31 104 + c27 100u c28 104 + c29 100u v ss io b11 io b12 io b13 io b14 io b15 sleep v ss io a15 io a14 io a13 io a12 io a11 io a10 io a9 vcp vdd p res b iob0 iob1 iob2 iob3 iob4 iob5 iob6 iob7 iob8 iob9 iob10 vddh +c4 100u c7 104 v ss c8 100u + c5 100u v ss av ss1 图 8 spceo61 最小系统 4.24.2 语音识别电路模块语音识别电路模块 语音识别电路模块包括麦克风（mic）音频输入电路和 dac 音 频输出功率放大电路电路两部分。 麦克风（mic）音频输入电路和 dac 音频输出电路分别如图 9、图 10。当我们对麦克风讲话时，即 mic 的波形发生变化时， 则 micp 和 micn 在两个端口会分别产生一组波形，并且是反相的 10 波形，然后它们经过第一级放大器放大，将放大后的语音信号通 过 micout 送到 c12、r7 及 c13 阻容电路构成的滤波器滤波以后， 通过 opi 输入，再次经过第二级放大器放大；接着该语音信号由 adc 转换成数字量，储存在寄存器中，这时我们可以运用单片机编 辑程序来处理这些数据，如语音数据的压缩及声音识别样本的处 理。 123456 a b c d 654321 d c b a t itle num berrevisionsize b date:4-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你mydesign.ddbdrawn by: + c1 220u r11k r4 3k x 1 microphone c11 224 c13 224 r8 3k 1 2 c9 104 +c6 22u r5 10k r6 10k av ss1 micp micn av ss1 v cm avss1 v mic r3 470k + c2 4.7u c2 0.1uf c16 500pf r7 5.1k agc av ss1 micout opi avss1 图 9 mic 音频输入电路 123456 a b c d 654321 d c b a title num berrevisionsize b date:4-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你mydesign.ddbdrawn by: + - 1 2 j3 spl u2 spy0030 1 2 3 j2 con3c20 0.1uf +c21 100u c23 0.22uf c26 0.1uf c25 0.1uf r9 1k r10 1k dac av ss2 sph v ss 图 10 dac 音频输出电路 11 4.34.3 keykey 模块模块 按键模块电路如图 11 所示，s2、s3、s4 为都为独立按键， ioa0ioa2 是按键扩展的接口。当按键没按下时，按键两端引脚断 开，当按键按下时，它们实现了一个简便的人机操作界面，我们 可以利用编程扫描 io 口，单片机便能够识别我们的按键操作。 123456 a b c d 654321 d c b a t itle num berrevisionsize b date:5-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你m ydesign.ddbdrawn by: s2k1 s3k2 s4k3 v5 io a0 io a1 io a2 图 11 按键电路 4.44.4 控制板电路控制板电路 控制板电路是由电源电路、接口电路以及电机驱动电路三部分组 成。 4.4.1 电源电路 音控小车需要电池电源，凌阳 61 板的工作电源、凌阳 61 板 的 i/o 输出电源及控制电路板的工作电源。音控小车所有的电源 都是由电池电源来提供的，控制电路板板的工作电源直接连接在 电池电源上，即 vcc；电池电源经过二极管 d1 降压成为 61 板的工 作电源，即 vcc_61；然后经过 61 板电源跳线成为 61 板端口输出 电源，即 v1。电源电路如图 12 所示： 12 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:5-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你car.ddbdrawn by: q4 npn8050 q6 npn8550 q2 npn8050 q5 npn8050 q1 pnp8550 q3 pnp8550 r2 200 r1 200 v cc r3 2k r4 2k 1 2 j3 con2 q10 npn8050 q12 npn8550 q8 npn8050 q11 npn8050 q7 pnp8550 q9 pnp8550 r6 200 r5 200 v cc r7 2k r8 2k 1 2 j4 con2 1 2 j1 con2 1 2 j2 con2v cc 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j5 con10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j6 con10v 1v 1 io b8 io b9 io b10 io b11 io b12 io b13 io b14 io b15 io b8 io b9 io b10 io b11 io b12 io b13 io b14 io b15 io b9 io b8 io b10 io b11 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j7 con10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j8 con10v 1v 1 io a8 io a9 io a10 io a11 io a12 io a13 io a14 io a15 io a8 io a9 io a10 io a11 io a12 io a13 io a14 io a15 d1 in 4007 v cc_61 图 12 电源电路 4.4.2 接口电源 接口电路把 61 板上的 i/o 信号传输到控制板上，这些信号被 用来控制两个驱动电机的 iob8-iob11 的四路信号。接口电路如图 13 所示: 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:5-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你car.ddbdrawn by: 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j5 con10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j6 con10v 1v 1 io b8 io b9 io b10 io b11 io b12 io b13 io b14 io b15 io b8 io b9 io b10 io b11 io b12 io b13 io b14 io b15 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j7 con10 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 j8 con10v 1v 1 io a8 io a9 io a10 io a11 io a12 io a13 io a14 io a15 io a8 io a9 io a10 io a11 io a12 io a13 io a14 io a15 图 13 接口电路 4.4.3 电机驱动电路 （1）方向控制桥路 13 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:5-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你car.ddbdrawn by: q10 npn8050 q12 npn8550q8 npn8050 q11 npn8050 q7 pnp8550 q9 pnp8550 r6200 r5 200 v cc r7 2k r8 2k 1 2 j4 con2 io b10 io b11 图 14 方向控制电机驱动电路 我们通过控制前轮驱动的左转和右转来实现小车的方向控制。 前轮驱动电路是是一个小型的直流电机转向控制的常用的 h 桥驱 动电路，如图 14 所示： q7 和 q10 一组，由 q12 来控制 q7 和 q10 的通断，再由 iob11 来控制 q12；q8 和 q9 一组，由 q11 来控制 q8 和 q9 的通断，再由 iob10 来控制 q11。可以利用 iob10 和 iob11 来控制小车前轮电机的正反转，来达到控制小车左右转的目的。 iob10 和 iob11 与小车状态关系如表 1 所示: 表 1 iob10 和 iob11 与小车状态关系 iob10iob11q7q8q9q10电机转向小车转向 高电平低电平断开导通导通断开正转左偏转 低电平高电平导通断开断开导通反转右偏转 低电平低电平断开断开断开断开停转直向 (2)驱动控制桥路 14 1234 a b c d 4321 d c b a t itle num berrevisionsize a4 date:5-m ay-2012 sheet of file:c:docum ents and settingsadm inistrator你你你你你你你你你你你你你你你你你你你(你你你)你你你你你car.ddbdrawn by: q4 npn8050 q6 npn8550q2 npn8050 q5 npn8050 q1 pnp8550 q3 pnp8550 r2200 r1 200 v cc r3 2k r4 2k 1 2 j3 con2 io b9 io b8 图 15 动力控制电机驱动电路 我们通过后轮驱动来实现小车的直线运动控制，即前进和后 退，后轮的驱动电路也是全桥驱动电路，如图 15 所示： q1 和 q4 一组，由 q6 来控制 q1 和 q4 的通断，再由 iob8 来控制 q6；q2 和 q3 一组，由 q5 来控制 q2 和 q3 的通断，再由 iob9 来控制 q5。可 以利用 iob8 和 iob9 来控制小车后轮电机的正反转，来达到控制 小车前进和后退的目的。iob8 和 iob9 与小车状态关系如表 2 所示: 表 2 iob8 和 iob9 与小车状态关系 iob8iob9q1q2q3q4电机转向小车状态 高电平低电平导通断开断开导通正转前进 低电平高电平断开导通导通断开反转后退 低电平低电平断开断开断开断开停转停止 5 5 系统软件设计系统软件设计 5.15.1 主程序主程序 本设计主程序包括四部分：首先，初始化；其次，语音训 练；再次，语音识别；最后，重训操作。流程图如图 16 所示： 15 开始 初始化 已经训练过 训练小车 保存训练结果 进入识别模式 语音识别与执行 重新训练 清模型存储器 等待复位 装载语音模型 y y n n 图 16 主程序流程图 首先，我们需要判断本次训练是否是第一次程序下载，如果 是第一次下载的话，先下载程序，然后再进行语音训练；如果以 前已经下载过的话，可以直接进入训练，并且按事先设定的顺序 进行语音信号的采集保存再 flash 存储器中。训练完成以后，接 着进入语音识别过程，系统将根据采集的语音信号来匹配刚才训 练得到的模型，得到匹配的结果并且做出相应的动作或者播报设 定的语音资源，完成以后，回到待命状态并准备识别与执行下一 条命令。 5.25.2 音控小车语音训练子系统音控小车语音训练子系统 音控小车训练采用互相问答的方式来训练，每条指令训练两 16 次，且每条指令的训练过程相同，以“前进”指令为例: 首先，音控小车提示“前进” ；然后，主人回答小车“前进” ； 接着，音控小车提示“请再说一遍” （第二次训练的提示音)；最 后，再次回答音控小车“前进”(第二次训练)。 上述为一个指令的完整训练流程，假如训练成功完成，音控 小车就会自动训练下一条指令，并且提示这一条指令相应的动作； 假如训练没有成功完成，音控小车就会提示训练失败的原因并且 提示重新训练，这就要求我们重复进行四个指令的训练，直至完 成。 小车的整个训练过程包含“名称” “前进” “后退” “左拐” “右拐”五次训练。音控小车语音训练子系统的流程图如图 17 所 示： 17 开始训练 名称训练 名称训练成功？ 训练前进指令 前进训练成功？ 训练后退指令 后退训练成功？ 训练左转指令 左转训练成功？ 训练右转指令 右转训练成功？ 训练成功提示 训练结束 y y y y y n n n n n 图 17 音控小车语音训练子系统流程图 18 结 论 这次的设计采用 spce061a 单片机来实现音控小车的语音控制 功能。它具有非常强大的语音信号处理功能，另外，它可以扩展 其他外部硬件电路，然后通过编程并输入储存到它的内部，就可 以实现其应用系统的各种功能。 这次设计的方案优点是结构非常简单，以一个凌阳单片机就 实现了语音的识别、播放和电机的控制，也就是代替了能够语音 识别的芯片和普通单片机结合的功能。相比较的话，本设计方案 更为简单，并且成本会降低不少。 总体而言，本次设计的音制小 车的操作还是比较简单的，它的语音训练以及识别的成功率还是 比较高的，确实是典型语音识别方面的应用方案。 当然，不可避免的，我也遇到了一些困难。它的开发环境 （ide）是我以前不曾接触的，我需要即时学习，给我带来了许多 的不便。虽然本次的设计没有太大的实用价值，带是它的实际意 义还是非常重大的，以声音来控制机器的思路，让我看到了以后 生活智能化的可能。 通过这次为期半年的毕业设计，我学到了很多，也成熟了很 多。在设计过程中，除了老师的指导以外，所有的工程全由我自 己把握。材料的搜集、整理，系统的设计，实物的焊接、调试， 统统需要我自己来，不懂得就去问老师和其他同学。每天没有老 师的监督，所有的一切全靠自己的自律能力，这不短不长的时间， 19 我不仅通过了自己的考验，也通过了自己的考验。我知道，这半 年的时间没有白费，它也会在以后的生活中影响着我。 致谢 经过了长达半年的构思和设计，通过吴兰老师的指导，圆满 完成了本次的设计。在论文的命题、材料的搜集以及方案的构思 方面，老师给予了悉心的教诲。再次向吴兰老师表示感谢我衷心 的感谢。没有老师您的帮助，我想我无法