语音控制智能小车方向电机控制电路.docx
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语音控制智能小车方向电机控制电路
1关于语音控制小车
2语音控制小车简介
2.1功能介绍…………
2.2设计要求…………
2.3参数说明…………
3硬件介绍
3.1硬件框图…………
3.2SPCE061A精简开发板……………
3.3控制板框图…………
4小车的功能实现原理
4.1直走的实现过程…………
4.2转弯的实现…………
4.3PWM调速的原理…………
4.4语音识别原理简介…………
5软件系统设计
5.1软件流程…………
红外接收模块
5.2红外解码程序设计…………
5.3控制器控制程序…………
6常见问题
1关于语音控制小车
语音控制小车是凌阳大学计划推出的基于SPCE061A的代表性应用作品，它配合61板推出，综合应用了SPCE061A的众多资源，小车控制系统使用单片机芯片控制直流电机的调速、正转、反转。
配合语音识别功能使小车更具趣味性，提高学习的积极性，更使我们对学习的科学实践部分得到完整的验证。
2语音控制小车简介
2.1
功能介绍:
1.小车运动控制：
通过SPCE061A的I/O端口，驱动控制板的H桥电路，进而控制前轮电机和后轮电机。
2.声控功能：
利用特定人语音识别实现小车的名称和动作训练，并根据相应的语音指令输入执行前进、后退、左转、右转、停车等动作。
3.定时控制功能：
利用时基定时器设定运行时间，小车运行同时启动定时器，时间到小车停止运行。
2.2
设计要求:
利用SPCE061A单片机和智能小车控制电路板，实现下述功能：
1．可以通过简单的I/O操作实现小车的前进、后退、左转、右转功能；
2．配合SPCE061A的语音特色，利用系统的语音播放和语音识别资源，实现语音控制的功能；
3．可以在行走过程中声控改变小车运动状态；
4．在超出语音控制范围时能够自动停车。
5.可以自行安装各类传感器，配合程序实现小车的循迹、避障等功能.
2.3
参数说明:
车体：
双电机四轮驱动供电：
电池（四节AA电池：
1.2V*4或1.5V*4）
工作电压：
DC4V~6V工作电流：
运动时约200mA
3硬件介绍
3.1
硬件框图
系统组成主要包括以下两部分：
SPCE061A精简开发板、语音小车控制电路板。
图中的语音输入部分MIC_IN、按键输入KEY、声音输出部分的功率放大环节等已经做到了精简开发板——61板上，为我们使用提供了很大的方便。
在电机的驱动方面，采用全桥驱动技术，利用四个I/O端口分为两组分别实现两个电机的正传、反转和停三态运行，如下图所示。
3.2
SPCE061A精简开发板
“61板”是SPCE061AEMUBOARD的简称，是以凌阳16位单片机SPCE061A为核心的精简开发－仿真－实验板，大小相当于一张扑克牌。
“61板”除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、复位电路、ICE电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）等，“61板”可以采用电池供电。
图3-1所示为该精简开发板的实物图。
3.3
控制板框图
控制板的结构框图如图所示，它包括接口模块，两路电机控制模块，预留传感器接口，以及电源模块四大部分。
1电源模块
由于小车采用4节AA电池供电，电压最高可以达到6V，考虑到61板的安全加入了电源模块。
电源模块的电路原理图如图所示，电源模块的作用是将电池组提供的电压稳定在5V以内为61板供电。
电源模块采用集成稳压芯片7805，在输出端（控制板的JP11）并接一个470μF滤波电容和一个0.1μF的去藕电容，增强系统电压的稳定性和抗干扰性能。
2传感器扩展接口
为了小车后期开发的方便，在小车的控制板上预留了很多的传感器接口和模组接口。
如果在设计中需要添加传感器或者相关的模组，只要参照电路原理图以及相关说明连接电路就可以了，十分的方便。
图2.13是一个开关型传感器的接口电路，其中1、2为传感器信号输入，3、4为电源，5、6为地。
考虑到很多的开关型传感器的信号输出为集电极开路的OC门结构，所以在电源端和信号端之间加入一个4.7KΩ的上拉电阻。
应用时，只需要将电源线、地线、信号线按照图中标注连接好，然后再将信号端（图中的1端或2端）接到SPCE061A的相应I/O端口，在程序中把对应的端口设置为输入即可。
3方向电机控制电路
方向控制由前轮驱动实现，包括左转和右转，前轮驱动电路也是一个全桥驱动电路，如图5-12所示：
Q7、Q8、Q9、Q10四个三极管组成四个桥臂，Q7和Q10组成一组，Q8和Q9组成一组，Q11控制Q8、Q9的导通与关断，Q12控制Q7和Q10的导通与关断，而Q11、Q12由IOB10和IOB11控制，这样就可以通过IOB10和IOB11控制前轮电机的正转和反转，进而控制小车的左转和右转。
4动力电机驱动电路
动力驱动由后轮驱动实现，负责小车的直线方向运动，包括前进和后退，后轮驱动电路是一个全桥驱动电路，如图5-12所示：
Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管组成四个桥臂，Q1和Q4组成一组，Q2和Q3组成一组，Q5控制Q2、Q3的导通与关断，Q6控制Q1和Q4的导通与关断，而Q5、Q6由IOB9和IOB8控制，这样就可以通过IOB8和IOB9控制四个桥臂的导通与关断控制后轮电机的运行状态，使之正转反转或者停转，进而控制小车的前进和后退。
4
小车的功能实现原理
4.1直走的实现过程
只要让小车的左右两侧的轮子同时朝前旋转，小车就会受到向前的作用力而朝前运动，这样就实现了小车的前进功能。
由于小车每一侧的轮子由同侧的电机控制，所以要实现两侧的四个轮子同时朝前转，只需要左右两个电机正转即可。
由表2.2可知两个电机都正转的控制组合为IOB13~IOB10=1010，也就是说只要把IOB13~IOB10设置为“1010”就实现了小车的前进功能。
同理，只要让两个电机同时反转，就实现了小车的倒退功能。
此时的IOB13~IOB10端口数据为“0101”。
4.2转弯的实现过程
在某些场合，小车还需要转弯，那么小车又是怎样实现转弯的呢？
其实只要让一侧的轮子停转，让另一侧的旋转，这样小车就会朝着一个方向偏转。
比如让右侧的轮子停转，左侧的轮子前转，对应的端口输出状态为IOB13~IOB10=0010，此时小车就会向右前方旋转，最终实现右前转。
另外还有左前转，右后转，左后转等动作，详细的端口输出状态见表2.2。
但是这种转弯的实现方案在实际的测试中并不理想，小车转弯所走的弧线半径比较大，有时近似在走直线。
造成这种现象的原因是：
小车转弯是通过一侧的轮子停转，另一侧的轮子正转或者反转实现的。
但是虽然一侧的电机停转了，另一侧旋转的轮子会带着停转的轮子一起运动，这样小车偏转的趋势就不明显，小车转弯的半径就会比较大，不能达到理想的目的。
我们应用了一种近似插补的实现方案，如图3.1所示。
将所要走的弧线切割成若干个小段，在段与段的连接处，作一定角度的原地旋转，然后再直走到下一个连接点。
如图3.1示，从A点出发，让小车在原地做一定角度的旋转（即一侧的轮子正转，另一侧的轮子反转），然后让小车直行，到B点处再重复执行原地旋转动作，然后再直行到达C点。
如此一直到弧线的终点H，这样就完成了一定弧度的转弯。
图示为左拐的过程，右拐的原理是一样的，只是原地旋转的方向不同而已。
在实际的操作中需要注意的有两点：
一是顺时针旋转还是逆时针旋转一定要清楚，可以参看表；第二是时间的分配，也就是在每个点上旋转所占时间和直走所占时间分别为多长，二者要合理搭配，如果旋转的时间过短，每次旋转角度很小，整体的旋转趋势就不明显，转弯的弧度太小；如果旋转时间过长，小车可能就不会正常的走弧线。
图3.1：
采用近似插补方案实现小车的转弯过程
4.3PWM调速的原理
如果需要调速，可以直接调用SPCE061A的PWM资源，通过调节PWM的占空比来实现速度的调节。
由第2.4.3节调速电路分析可知：
调速部分直接连接到了61板的PWM输出，只要在程序中对PWM相关端口进行合理的设置，在MOTSP端就有PWM信号产生，加在小车电机两端的电压就是一PWM电压信号，对应的电机电压波形如图示：
PWM调速原理图
此时加在电机两端的平均电压Uo=Th/（Th+Tl）*VCC。
可以通过调整PWM的占空比，来改变Th和Tl的比值，从而改变Uo的大小。
这样就通过PWM资源调节加在电机两端的平均电压，从而改变电机的转速，最终实现调节小车速度的目的。
另外也可以利用其他的方式让端口输出如图3.2所示的波形，即软件模拟的PWM，在这里就不对这种方案做过多的说明。
4.4语音识别原理简介
语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。
在训练阶段，单片机对采集到的语音样本进行分析处理，从中提取出语音特征信息，建立一个特征模型；在识别阶段，单片机对采集到的语音样本也进行类似的分析处理，提取出语音的特征信息，然后将这个特征信息模型与已有的特征模型进行对比，如果二者达到了一定的匹配度，则输入的语音被识别。
语音识别的具体流程如图所示：
5
软件系统设计
5.1
软件流程
主程序流程图
流程说明：
语音识别小车的程序流程如上图所示，分为四大部分来说明：
初始化部分、训练部分、识别部分、重训操作。
初始化部分：
初始化操作将IOB13~IOB10设置为输出端，用以控制电机，将IOA的低8位设置为下拉的输入端，用来连接按键。
训练部分：
训练部分完成的工作就是建立语音模型。
程序一开始就会去判断小车是否被训练过，如果没有训练过则会要求对其进行训练，并且会在训练成功之后将训练的模型存储到Flash当中，在以后使用时就不需要重新训练了；如果已经训练过会把存储在Flash中的模型调出来装载到辨识器中。
识别部分：
在识别环节当中，如果辨识结果是名字，直接置待命标志，然后等待动作命令。
只有检测到待命标志，小车才会根据相应的辨识结果执行动作，如果没有待命标志即使识别到动作命令也不会执行动作。
小车在执行完对应的命令之后，将清除待命标志，结束待命状态。
重训操作：
考虑到有重新训练的需求，所以在这里设置了重新训练的按键，程序运行时循环扫描该按键，什么时间检测到此键按下，则将擦除语音模型存储区首单元（0xe000）所在的页，等待复位到来。
复位后，程序重新从头开始执行，当检测到语音模型存储区首地址为0xffff（擦除后的值）时会要求重新对其进行训练。
红外接收模块
5.2红外解码程序设计
红外解码程序主要工作为等待红外线信号出现，并跳过引导信号，开始收集连续32位的表面数据，存入内存的连续空间。
位信号解码的原则是：
以判断各个位的波宽信号来决定高低信号。
位解码原理如下：
●解码为0：
低电平的宽度0.56ms+高电平的宽度0.56ms。
●解码为1：
低电平的宽度1.68ms+高电平的宽度0.56ms。
程序中必须设计一精确的0.1ms延时时间作为基础时间，以计数实际的波形宽度，若读值为5表示波形宽度为0.5ms，若读值为16表示波形宽度为1.6ms，以此类推。
高电平的宽度1.12ms为固定，因此可以直接判断低电平的宽度的计数值5或时16，来确定编码为0或是1。
程序中可以减法指令SUBB来完成判断，指令“SUBBA，R2”中若R2为计数值，A寄存器设为8，就可如下：
●当“8－R2”有产生借位，借位标志C=1，表示编码为1。
●当“8－R2”无产生借位，借位标志C=0，表示编码为0。
将借位标志C经过右移指令“RRCA”转入A寄存器中，再经由R0寄存器间接寻址存入内存中。
5.3
控制器控制程序
;红外遥控机器人ASM程序
;-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
HOMEEQU14；伺服马达回到中点时间常数
BACKEQU3；伺服马达反转时间常数
FOREQU25；伺服马达正转时间常数
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
；遥控器按键1～6比较码
CODE_K1EQU19H；机器人前进比较码
CODE_K2EQU18H；机器人后退比较码
CODE_K3EQU0AH；机器人左转比较码
CODE_K4EQU09H；机器人右转比较码
CODE_K5EQU0BH；机器人回到中点比较码
CODE_K6EQU14H；机器人行走启动进比较码
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
IRCOMEQU30H；红外线信号解码数据放置变量起始地址
COMEQU32H；比较第3字节变量
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
IRINEQUP3.2；红外线IR信号输入位引脚定义
WLEDEQUP3.7；发光二极管引脚定义
SPKEQUP3.4；压电喇叭引脚定义
DJLEQUP1.0；左侧伺服马达引脚定义
DJREQUP1.1；右侧伺服马达引脚定义
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
ORG0H；程序代码由地址0开始执行
JMPBEGIN；进入主程序
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
BEGIN:
CLRDJL；关闭左侧伺服马达
CLRDJR；关闭右侧伺服马达
CLRSPK；关闭压电喇叭
CALLLED_BL；发光二极管闪烁，表示程序开始执行
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_HOME；全部伺服马达回到中点
CALLLED_BL；发光二极管闪烁，表示机器人准备完毕
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLQD；运行行走启动子程序，摆好行走姿态
SETBIRIN；红外线信号IR输入位设为高电平，准备接收红外信号
LOOP:
MOVR0,#IRCOM；设置IR解码起始地址
CALLIR_IN；进行IR解码
CALLOP；进行解码比较，并控制机器人动作
JMPLOOP；继续循环执行
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
DELAY:
MOVR6,#50；10ms延时子程序
D1:
MOVR7,#99
DJNZR7,$
DJNZR6,D1
DJNZR5,DELAY
RET
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
LED_BL:
MOVR1,#4；发光二极管闪烁子程序
LE1:
CPLWLED；发光二极管反向
MOVR5,#10
CALLDELAY；进行100ms延时
DJNZR1,LE1
RET
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
BZ:
MOVR6,#0；压电喇叭发声子程序
B1:
SETBSPK；压电喇叭得电，开始发声
DJNZR6,B1
MOVR5,#5
CALLDELAY；进行50ms延时
CLRSPK；关闭压电喇叭
RET
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
DEL:
；0.1ms延时子程序
MOVR5,#1
DELAY1:
MOVR6,#2
E1:
MOVR7,#22
E2:
DJNZR7,E2
DJNZR6,E1
DJNZR5,DELAY1
RET
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
IR_IN:
；红外解码子程序
I1:
JNBIRIN,I2；等待红外IR信号出现
JMPI1
I2:
MOVR4,#20；发现红外IR信号，延时一下
I20:
CALLDEL
DJNZR4,I20
JBIRIN,I1；确认红外IR信号出现
I21:
JBIRIN,I3；等待IR变为高电平
CALLDEL
JMPI21
I3:
MOVR3,#0；8位数清0
LL:
JNBIRIN,I4；等待IR变为低电平
CALLDEL
JMPLL
I4:
JBIRIN,I5；等待IR变为高电平
CALLDEL
JMPI4
I5:
MOVR2,#0；0.1ms计数
L1:
CALLDEL
JBIRIN,N1；等待IR变为高电平
MOVA,#8；设置减数为8
CLRC；清除借位标志C
SUBBA,R2；判断高低位
MOVA,@R0；取出内存中原先数据
RRCA；右移指令，将借位标志C右移进入A寄存器中
MOV@R0,A；将数据写入内存中
INCR3；处理完成一位，R3+1（R3计数）
CJNER3,#8,LL；循环处理8位
MOVR3,#0；R3清0
INCR0；处理完成1个字节，R0+1（R0计数）
CJNER0,#34H,LL；循环收集到4个字节
JMPOK；至完成返回
N1:
INCR2；R2+1（R2计数）
CJNER2,#30,L1；0.1ms计数过长，时间到自动离开
OK:
RET；完成返回
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
OP:
执行解码动作子程序
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K5,A1；对解码进行比较，看是否是回到中点指令，否就转至下一项比较
CALLLED_BL；发光二极管闪烁
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_HOME；执行回到中点
CALLLED_BL；发光二极管闪烁
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
RET
A1:
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K1,A2；对解码进行比较，看是否是前进指令，否就转至下一项比较
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_FOR；执行前进
RET
A2:
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K2,A3；对解码进行比较，看是否是后退指令，否就转至下一项比较
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_BACK；执行后退
RET
A3:
;L
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K3,A4；对解码进行比较，看是否是左转指令，否就转至下一项比较
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_L；执行左转
RET
A4:
;R
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K4,A5；对解码进行比较，看是否是右转指令，否就转至下一项比较
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLGO_R；执行右转
RET
A5:
MOVA,COM
CJNEA,#CODE_K6,A6；对解码进行比较，看是否是行走启动指令，否就转至下一项
CALLLED_BL；发光二极管闪烁
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
CALLQD；执行行走启动
CALLLED_BL；发光二极管闪烁
CALLBZ；压电喇叭发出嘀的一声
RET
A6:
RET；返回
;----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
HOME1:
SETBDJZ；各伺服电机回中点控制子程序
SETBDJL
SETBDJR
MOVR4,#HOME
G1:
CALLDEL
DJNZR4,G1
CLRDJZ
CLRDJL
CLRDJR
MOVR4,#（200-HOME）
G2:
CALLDEL
DJNZR4,G2
RET
;
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