电气电子毕业设计380攀枝花学院语音控制小车系统设计.docx

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电气电子毕业设计380攀枝花学院语音控制小车系统设计

摘要

随着电子工业的发展，目前这种具有语音控制功能的小车越来越受到人们的青睐，在人们的日常消费生活中起着不可忽视的作用,本系统以凌阳公司的SPCE061A单片机为控制核心，设计一个具有如下功能的语音声控小车:

能够根据开始录制的语音命令来控制小车的启动、停止、返回、拐弯和自动避开障碍物等动作。

其方法是在小车上安装三个检测障碍物的光电传感器和一个碰撞开关，利用扫描的方式，扫描单片机的IOB4、IOB5、IOB6接口来控制拐弯和返回；利用单片机的IOB8-IOB13接口控制继电器来选择小车的正、反向和加、减速行驶,其中IOB8-IOB9控制电机MOTORA的正反转，IOB10-IOB11控制小车行驶过程中的三个速度档位，IOB12-IOB13控制电机MOTORB的正反转。

本设计针对这些，设计出的这种产品体积小，外形美观大方，具有对特定人的语音辩识功能，具有广泛的市场前景，特别受孩子们的欢迎。

关键词SPCE061A单片机,语音辨识,光电传感器,继电器。

ABSTRACT

Withthedevelopmentoftheelectronicindustry,currentlythetrolleywhichhasvoicecontrolfunctionisbecomingmoreandmorepopular.Itplaysanessentialroleinpeople'sdailylifeinconsumption.Sunplussystemstothecompany'sSPCE061Atocontrolthecore,todesignavoiceTrolleythefollowingfunction:

cancontrolthecar’sstarting,stopping,returning,turningandautomaticactiontoavoidobstaclesaccordingtotherecordingthevoicecommand.

Themethodistoinstallthreesmallvehiclebarrierdetectionsensorandaphotoelectricswitchcollision.Withtheuseofscanning,itscansSCMIOB4,IOB5,IOB6interfacetocontrolturningandreturning;andalsousingSCMIOB8-IOB13interfacetocontrolrelaytochoosethepositiveorreversedirectionofthecarandtoincreaseorslowdownitsspeed.ThereintoIOB8-IOB9controlstherotatingdirectionofMotorA,IOB10-IOB11controlsthreestallsofspeedofthecarintheprocessofmoving,IOB12-IOB13controlsthereversionofmotorMotorB.

AccordingtothedesignofwhatIhavetoldabove,thedesignoftheseproductshassmallsize,generousshape.Italsohasfunctionsofrecognizingtherightspecificvoiceandabroadmarketprospect,especiallyattractschildren.

Key.wordsSPCE061A,voicerecognitionandopticalsensors,relays.

摘要Ⅰ

ABSTRACTⅡ

1绪论

1、国内外研究现状、水平和发展趋势

与机器进行语音交流，让机器明白你说什么，这是人们长期以来梦寐以求的事情。

语音识别技术就是让机器通过识别和理解过程把语音信号转变为相应的文本或命令的高技术。

让机器识别语音的困难在某种程度上就像一个外语不好的人听外国人讲话一样，它和不同的说话人、不同的说话速度、不同的说话内容、以及不同的环境条件有关。

语音信号本身的特点造成了语音识别的困难。

这些特点包括多变性，动态性，瞬时性和连续性等。

计算机语音识别过程与人对语音识别处理过程基本上是一致的。

目前主流的语音识别技术是基于统计模式识别的基本理论。

一个完整的语音识别系统可大致分为两部分：

（1）语音特征提取：

其目的是从语音波形中提取出随时间变化的语音特征序列。

（2）语言模型与语言处理：

语言模型包括由识别语音命令构成的语法网络或由统计方法构成的语言模型，语言处理可以进行语法、语义分析。

对小词表语音识别系统，往往不需要语言处理部分。

近年来，语音控制技术在国内外已有了较大的发展，己进入工程化、实用化的阶段，它无论是理论上还是应用技术上均得到了长足的发展，语音控制是当今国内外自动化学科中一个十分活跃和具有挑战性的领域，是一门新兴的交叉学科。

它与人工智能、自动控制、计算机技术和信息论等有着密切的关系，是相关学科互相结合与渗透的产物，有着广阔的应用前景。

语音控制技术作为一门新兴的理论技术，它还处在一个发展时期。

然而，随着人工智能技术、计算机技术的迅速发展，语音控制必将迎来它的发展新时期。

2、课题研究方法

本系统以凌阳公司的SPCE061A单片机为控制核心，根据开始录制的语音命令来控制小车的启动、停止、返回、拐弯等动作；利用光电传感器使小车自动避开障碍物。

在设计的过程中可能会遇到传感器不能检测出高低电平，特别是反射式的光电传感器，它的灵敏度很强，还有就是在电源的提供上，由于各个传感器所需的电源电有所不同，所以我们要采用直流稳压电源来为各个传感器提供各自所需的电压。

考虑到以上问题，因此系统使用的电压均由开关电源提供，其中单片机电压5伏特，电机驱动电压为6伏特，光电传感器的使用电压约为12伏特。

继电器的使用电压约为5伏特。

2方案设计与论证

2.1设计目的

（1）语音识别:

小车能识别特定人的语音命令。

就是说语音样板由单人训练，也只能识别训练人的语音命令，而他人的命令识别率较低或几乎不能识别。

（2）语音训练:

语音命令可以重新训练，训练的过程中有语音提示。

在程序中通过6条语句的训练演示特定人的连续语音识别，其中第一条语句是触发名称，另外5条是命令，训练完毕开始辨识，当识别出触发名称后，开始发布命令，则会听到自己设置的应答。

（3）小车行驶:

小车可以前进、倒退、左转、右转。

（4）速度调整:

小车的速度可以调整，有全速，中速和慢速三档速度。

（5）避障:

小车在行驶的过程中，发现前方、左方或者右方有障碍物时，小车可以自动躲避障碍物。

（6）语音控制:

给小车下语音命令的时候，小车能根据命令做正确的动作。

2.2设计方案与论证

语音控制小车采用实时控制系统,用单片机控制来实现较为容易，这里以凌阳SPCE061A单片机为主控元件，提出两种设计方法。

方案一：

采用凌阳SPCE061A十六位单片机，对小车的整个行驶过程进行实时监控，完成所有功能需要10个I/O口，由于凌阳SPCE061A单片机提供32个I/O口，一片即可实现所有功能。

其主要设计思想是：

在小车上安装三个检测障碍物的光电检测器和一个碰撞开关，利用扫描的方式，扫描IOB4、IOB5、IOB6来控制拐弯和返回；利用单片机的IOB8-IOB13控制继电器选择小车的正、反向和加、减速行驶；凌阳SPCE061A十六位单片机提供了丰富的时基信源和时基中断，为设计提供了大量的选择空间，并为设计提供精确的时基计数，其加减速通过大功率电阻消耗功率来实现，这种方案可以使程序简单，易于控制。

方案二：

此方案也采用凌阳SPCE061A十六位单片机，与第一种方案不同之处在于利用单片机的IOB8、IOB9产生控制调速的脉宽和控制小车的正、反行驶，用凌阳SPCE061A十六位单片机的TimeA和TimeB很容易实现脉宽调制，这大大加强了用脉宽调制控制加减速的可选性，但对继电器要求较高，价位也更高，不容易买到，这里考虑到大众化设计，因此采用第一个方案。

本系统为什么采用凌阳SPCE061A十六位单片机，而不采用别的单片机来实现呢？

原因很多，凌阳SPCE061A十六位单片机内部集成了2K字的RAM、32K字的Flash，加上用凌阳SPCE061A十六位单片机实现不需要外扩程序存储器和RAM，也不用外接语音芯片，即可实现语音辨识和一系列职能动作。

由于采用了高性能的MCU，省掉了大量的外围器件，如外扩RAM、ROM存储器等，使硬件结构大大简化，提高了系统的可靠性。

它的软件编程采用C语言和汇编混合编程来实现，集两种语言之优点于一体，它们的完美结合极大限度地简化了编程过程，丰富了编程思想。

然而采用别的单片机实现所有功能一般要两个单片机，硬件电路也更加复杂。

若要实现语音播报功能和语音辨识，不是多用几个别的类型的单片机就可实现的，而凌阳单片机提供了很好的语音播放和录制机制以及简单的API接口编程。

使用SPCE061A开发产品来设计语音控制小车，功能多，功耗小，能在低电压时正常工作，而且价格便宜,使用起来极为方便，因此采用凌阳SPCE061A十六位单片机来设计。

3系统框图及其原理

3.1系统框图

系统原理方框图如图3.1所示：

本系统分为三部分：

输入部分，输出部分和控制部分。

输入部分包括音频输入部分，光电检测障碍物部分和语音识别部分。

音频输入部分主要是用于对小车进行语音训练和命令；光电检测障碍物部分主要用于确定障碍物的位置，IOB4、IOB5和IOB6分别检测小车左方，右方和前方的障碍物。

输出部分包括小车主控电路部分和音频输出部分。

小车主控电路部分用于控制小车的行驶速度和方向；音频输出部分的主要作用是播报小车行驶时所识别、接收的语音命令从而做出相应的反映。

控制部分由SPCE061A组成，还包括其周边电路。

控制部分主要用于对各部分电路进行控制，使小车进行相应的动作。

图31系统框图

3.2工作原理

系统的核心采用凌阳公司生产的61系列板，整个小车的行驶状态由两个电机控制，每一个电机控制一边的两个轮子，要转弯时控制一个电机正转一个电机反转即可。

为了保证能直线行走，就设计了一个口输出PWM（脉冲宽度调制）的控制，这样就保证了两个电机的同步。

利用单片机的IOB8-IOB13控制继电器选择小车的正、反向和加、减速行驶，其中IOB8-IOB9控制电机MOTORA的正反转，IOB10-IOB11控制小车行驶过程中的两个速度档位，IOB12-IOB13控制电机MOTORB的正反转。

小车上安装三个检测障碍物的光电检测器和一个碰撞开关，用扫描的方式扫描IOB4、IOB5、IOB6来控制拐弯和返回，所使用的光电传感器为市场上普通的光电传感器，在没有检测到障碍物时输出为低电平，检测到障碍物时输出为高电平。

在检测障碍物的过程中，采用查询方式。

麦克风和语音播报电路利用SPCE061A内部集成的MICIN和DAC1。

3.3SPCE061A的介绍

语音控制小车是用凌阳单片机SPCE061A来控制实现的,因此首先介绍单片机的概述及单片机的引脚功能，下面就来介绍一下该设计所选用的单片机。

3.3.1SPCE061的概述

SPCE061A单片机概述SPCE061A是继

’

系列产品（如SPCE500A）等，之后凌阳科技推出的又一个16位结构的微控制器。

与SPCE500A不同的是，在储存器资源的需求较少以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。

较高的处理速度使

’

能够非常容易快速地处理复杂的数字信号。

因此，与SPCE500A相比，以

’

为核心的SPCE061A微控制器是数字语音识别应用领域的一种最经济选择。

3.3.2SPCE061A的引脚排列及其说明

SPCE061A共有84个引脚,封装形式为PLCC84,在84个引脚中有空脚15个，其引脚功能说明如表2.2所列。

图32SPCE061A引脚排列图

3.3.3SPCE061A的结构

如图3.3所示。

图3.3SPCE061A的结构

4硬件电路的设计

4.1主控电路的设计

主控电路用于控制小车行驶速度和方向，那么如何控制小车的行驶速度和方向呢？

这里采用继电器作为开关来控制电机的转动方向和所选电阻阻值，下面就介绍一下设计要选用的继电器。

4.1.1继电器的工作原理

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路），通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

1.电磁继电器的工作原理

电磁式继电器一般由铁芯、线圈、衔铁、触点弹簧片等组成的。

只要在线圈两端加上一定的电压，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。

当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力下返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。

这样吸合和释放，从而达到了在电路中的导通和切断的目的。

对于继电器的“常开、常闭”触点，可以这样来区分：

继电器线圈未通电时处于断开状态的静触点，称为“常开触点”；处于接通状态的静触点称为“常闭触点”。

图4.1电磁继电器的原理图

如图4.1所示，当控制电路中的开关K闭合时，电磁铁便具有磁性，将衔铁吸下，使继电器触点接触，与触点相连接的电源电路便接通；当控制开关K断开时，电磁铁的磁性被撤消，继电器触点弹开，电源电路亦随之断开。

2.热敏干簧继电器的工作原理

热敏干簧继电器是一种利用热敏磁性材料检测和控制温度的新型热敏开关。

它由感

温磁环、恒磁环、干簧管、导热安装片、塑料衬底及其他一些附件组成。

热敏干簧继电器不用线圈励磁，而由恒磁环产生的磁力驱动开关动作。

恒磁环能否向干簧管提供磁力是由感温磁环的温控特性决定的。

3.固态继电器（SSR）的工作原理

固态继电器是一种两个接线端为输入端，另两个接线端为输出端的四端器件，中间采用隔离器件实现输入输出的电隔离。

固态继电器按负载电源类型可分为交流型和直流型。

按开关型式可分为常开型和常闭型。

按隔离型式可分为混合型、变压器隔离型和光电隔离型，以光电隔离型为最多。

4.1.2继电器的特性

继电器就是当输入量（或激励量）满足某些规定的条件时，能在一个或多个电器输出电路中产生跃变的一种器件。

图4.2继电器的继电特性

继电器输入量和输出量之间在整个变化过程中的相互关系称为继电器的继电特征或控制特征。

用x表示输入回路的输入量,y表示输出回路的输出量,如图3.2所示。

当输入量x连续变化到一定量xa时,输出量y发生跃变,由0增加到ya值,若是输入量继续增加,输出量却保持不变。

相反,当减少到xb时,y又突然由ya减少到0。

xa被称为继电器的动作值,xb被称为继电器的释放值,ya即是继电器的负载。

4.1.3电机的选择

一个电动小车整体的运行性能，首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。

电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。

电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性，而且电机的转矩-转速特性受电源功率的影响，这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。

我们所使用的电机一般为直流电机，主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。

直流电机的控制很简单，性能出众，直流电源也容易实现。

本文即主要介绍这种直流电机的驱动及控制。

H型桥式驱动电路

直流电机驱动电路使用最广泛的就是H型全桥式电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。

它的基本原理图如图4.3所示。

全桥式驱动电路的4只开关管都工作在斩波状态，S1、S2为一组，S3、S4为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。

当S1、S2导通时，S3、S4关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当S3、S4导通时，S1、S2关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。

图4.3H型桥式驱动电路

在小车动作的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在S1、S2导通且S3、S4关断，到S1、S2关断且S3、S4导通，这两种状态之间转换。

在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。

这个过程可用图4.4说明。

因此，为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的协同性和同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时，也可以通过软件实现。

驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。

当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁。

图4.4上下桥臂导通过程

PWM控制

PWM（脉冲宽度调制）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大，它的原理就是直流斩波原理。

如图3.18所示，若S3、S4关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平导通，忽略开关管损耗，则在一个周期内的导通时间为t，周期为

T，波形如图4.5，则电机两端的平均电压为：

U=Vcct/T=αVcc，其中，α=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个开关管的饱和压降）。

图4.5PWM控制波形图

电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。

PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现，例如用555搭成的触发电路，但是，这种电路的占空比不能自动调节，不能用于自动控制小车的调速。

而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形，或通过时。

我们使用的是凌阳序模拟输出，最适合小车的调速公司的SPCE061单片机，它是16位单片机，频率最高达到49MHz，可提供2路PWM直接输出，频率可调，占空比16级可调，控制电机的调速范围大，使用方便。

SPCE061单片机有32个I/O口，内部设有2个独立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出，用以控制电机调速。

以上主要分析了电机的全桥式驱动电路，这是直流电机调速使用最多的调速方法。

目前市场上有很多种电机驱动的集成电路，效率高，电路简单，使用也比较广泛，但是其驱动方法大多与全桥式驱动一样。

PWM控制方法配合桥式驱动电路，是目前直流电机调速最普遍的方法。

4.2光电检测电路设计

4.2.１传感器的定义与组成

传感器有时亦被称为换能器、变换器、变送器或探测器。

就是能感受（或响应）规定的被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置。

传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用信号输出的转换元件以及相应的电子线路所组成。

图4.6传感器组成框图

传感器一般是利用物理、化学和生物等学科的某些效应或机理按照一定的工艺和结构研制出来的，如图4.6所示，传感器应由敏感元件、转换元件和其他辅助部件组成。

敏感元件，它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。

转换元件，敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参数。

转换电路，将上述电路参数接入转换电路，便可转换成电量输出。

4.2.2光电传感器

接近开关传感器的种类众多，有涡流式接近开关、电容式接近开关、霍尔接近开关、光电式接近开关、热释电式接近开关和其它型式的接近开关，考虑到本设计可在环境条件比较好、无粉尘污染的场合，而且光电接近开关工作时对被测对象几乎无任何影响。

因此在本设计中选择了光电传感器，下面着重介绍一下光电传感器。

光是一种电磁射线，其特性如同无线电波和X射线，传递速度约为300000千米/秒，因此它可以在发射的一瞬间被其接收。

红外线光电开关是利用人眼不可见（波长为780nm-1mm）的近红外线和红外线来检测、判别物体。

通过光电装置瞬间发射的微弱光

束能被安全可靠的准确的发射和接收。

光电传感器，亦称光敏传感器，或称光电式传感器及光电探测器。

它是一种能量转换器件，是利用各种手段将光能量变换成相应的电信号的器件，即把入射的电磁辐射能量（或称光能）转成电能，通过对电能的精密测量，了解到该入射辐射能量的基本性质，从而达到探测辐射（或光）能量所携带的信息。

在自然界中，有许多物质，当电磁辐射后，它会使本身的电学性质发生变化。

实践表明，这种变化的数量和入射辐射的强度，具有严格的对应关系。

现在对电学和电子学的测量并不是一件困难的事，准确地测量电流、电压、频率等都很容易。

因此，通过对电学量的简单测量，可把辐射量的存在，以及它所携带的信息探测出来。

具有这种性质的材料称为光敏材料。

用光敏材料制作成的探测器件并通过它可间接检测到光辐射所载的原始信息，就称为光传感器件。

4.2.3光电开关原理

红外线光电开关的重要功能是能够处理光的强度变化：

利用光学元件，在传播媒介中间使光束发生变化；利用光束来反射物体，使光束发射经过长距离后瞬间返回。

光电开关是由发射器、接收器和检测电路三部分组成。

发射器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于发光二极管（LED）和激光二极管。

光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度，受脉冲调制的光束辐射强度在发射中经过多次选择，朝着目标不间断地运行。

接收器有光电二极管或光电三极管组成。

在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。

在其后面的是检测电路，它能滤出有效信和应用该信号。

光电开关可分为对射型、漫反射型、镜面反射型。

对射型光电开关:

由发射器和接收器组成，结构上是两者相互分离的，在光束被中断的情况下会产生一个开关信号变化，典型的方式是位于同一轴线上的光电开关可以相互分开达50米。

特征：

辨别不透明的反光物体；有效距离大，因为光束跨越感应距离的时间仅一次；不易受干扰，可以可靠合适的使用在野外或者有灰尘的环境中；装置的消耗高，两个单元都必须敷设电缆。

漫反射型光电开关:

是当开关发射光束时，目标产生漫反射，发射器和接收器构成单个的标准部件，当有足够的组合光返回接收器时，开关状态发生变化，作用距离的典型值一直到3米。

特征：

有效作用距离是由目标的反射能力决定，由目标表面性质和和颜色决定；较小的装配开支，当开关由单个元件组成时，通常是可以达到粗定位；采用背景抑制功能调节测量距离；对目标上的灰尘敏感和对目标变化了的反射性能敏感。

镜面反射型光电开关:

由发射器和接收器构成的情况是一种标准配置，从发射器发出的光束在对面的反射镜被反射，即返回接收器，当光束被中断时会产生一个开关信号的变化。

光的通过时间是两倍的信号持续时间，有效作用距离从0.1米至20米。

特

征：

辨别不透明的