基于61单片机的语音智能小车的毕设论文.docx
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基于61单片机的语音智能小车的毕设论文
摘要
随着电子业的发展，自动化已经不再是一个新鲜的话题，无人驾驶的小汽车也必将进入实用阶段，本设计模拟将来的智能小车。
根据开始录制的语音命令来控制小车的启动、停止、返回等动作。
本文介绍了一种基于SPCE061A单片机的语音遥控小车，重点讨论了其硬件与软件系统的设计与实现。
本设计首先介绍了SPCE061A单片机和61实验板及其开发环境IDE；接着完成了总体方案设计、车体驱动设计、程序设计、语音辨识设计、功能模块的设计，最后对制作与调试过程做了较为详细的说明。
测试表明，在环境背景噪音不太大和控制者的发音清晰的前提下，语音控制小车能对特定的语音指令做出反应，做出预想中的有限的一系列动作。
关键词：
SPCE061A；61实验板；IDE；驱动小车；语音辨识；
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectronicindustry,automationisnolongeranewtopic,driverlesscarswillenterintothepracticalstage,thisdesignwillsimulatethefutureintelligentcar.Accordingtothecustomizedvoiceinthebeginning,wecancontrolthecartoperformactionsofadvance,retreat,renturn,ect.Thispaperintroducesakindofspeechcontrolcarwhichbasedon61microcomputer,anditfocusesontherealityofhardwaresystemandsoftwaresystem.Thispaperintroducesthe61singlechipmicroprocessor,61experimentboardanditsdevelopmentenvironmentIDEfirstly,thenitcompletedthegeneralplanofdesign,body-drivendesign,programming,voicerecognitiondesign,functionmodulesdesign,andfinally,itdescribestheprocessofproductionandcommissioningindetail.Testshaveshowedthatthevoicecontrolledcarcanrespondtospecificvoicecommandsandmakeaseriesoflimitedactionswhenenvironmentalbackgroundnoiseisnottoolargeandthecontrollerpronouncesaccurately.
Keywords：
SPCE061A；61testboard；IDE；intelligentcar；speechrecognition；
目录
1绪论1
1.1设计背景1
1.2凌阳SPCE061A单片机1
1.3系统开发环境IDE2
2凌阳SPCE061A单片机3
2.1SPCE061A概述3
2.2SPCE061A性能3
2.3SPCE061A的结构及其特点4
2.461单片机的引脚排列5
2.5SPCE061A最小系统5
361实验板7
3.1硬件框图及简要说明7
3.261板的接口说明8
3.361板的检测9
4总体方案设计12
4.1设计要求12
4.2系统总体方案设计12
4.3系统控制方案13
5硬件电路设计14
5.1车体介绍14
5.2小车的行走原理15
5.3控制板电路及原理16
5.4全桥驱动电路及其原理17
5.5动力电机驱动电路18
5.6方向电机控制电路18
6系统软件设计20
6.1主程序设计20
6.2语音识别简介21
6.3子程序设计22
6.3.1训练子程序22
6.3.2语音识别子程序24
6.3.3动作子程序24
6.3.4中断子程序26
6.4程序中的问题说明27
7系统开发环境28
7.1开发环境的使用28
8语音智能小车的使用31
8.1训练小车31
8.2语音智能小车的命令执行32
8.3重新训练32
结论33
致谢34
参考文献35
附录A英文原文36
附录B中文翻译45
附录C语音控制小车源代码51
1绪论
1.1设计背景
语音处理技术是一门新兴的技术，它不仅包括语音的录制和播放，还涉及语音的压缩编码和解码，语音的识别等各种处理技术。
以往做这方面的设计，一般有两个途径：
一种方案是单片机扩展设计，另一种就是借助于专门的语音处理芯片。
普通的单片机往往不能实现这么复杂的过程和算法，即使勉强实现也要加很多的外围器件。
专门的语音处理芯片也比较多，像ISD系列、PM50系列等，但是专门的语音处理芯片功能比较单一，想在语音之外的其他方面应用基本是不可能的。
SPCE061A是凌阳科技推出的一款16位μ'nSP结构的微控制器。
该芯片带有硬件乘法器，能够实现乘法运算、内积运算等复杂的运算。
它不仅运算能力强，而且处理速度快，单周期最高可以达到49MHz。
SPCE061A内嵌32K字的FLASH程序存储器以及2K的SRAM。
同时该SOC芯片具有ADC和DAC功能，其MIC_ADC通道带有AGC自动增益环节，能够很轻松的将语音信号采集到芯片内部，两路10位的电流输出型DAC，只要外接一个功放就可以完成声音的播放。
以上介绍的这些硬件资源使得该SPCE061A能够单芯片实现语音处理功能。
本方案借助于SPCE061A的语音特色，开发出了这款语音控制小车。
小车不仅具有前进、后退、左转、右转停车等基本功能；同时配合SPCE061A的语音特色，实现语音控制功能。
1.2凌阳SPCE061A单片机
SPCE061A是继µ’nSP™（MicrocontrollerandSignalProcessor）系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求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µ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
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，该板通过挂接不同的硬件和下载不同的程序就可以实现各类特定功能的系统。
由于具有语音功能的特色，即使不挂接额外的硬件，只是下载一些开发环境下提供的程序就可以实现一个复读机、语音万年历之类的开发系统。
61板的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，而且“61板”可以采用电池供电。
1.3系统开发环境IDE
unSPIDE2.0.0是由凌阳科技提供的一个集成开发环境，它集程序的编辑、编译、链接、调试和仿真等功能为一体。
具有友好的交互界面、下拉菜单、快捷键和快速访问命令列表等，使编程、调试工作更加方便且高效。
此外，它的软件仿真功能可以不连接仿真板，模拟硬件的部分功能来调试程序。
2凌阳SPCE061A单片机
2.1SPCE061A概述
SPCE061A是凌阳科技研发生产的一款高性价比的16位单片机，可以非常方便灵活的实现语音录放功能。
该芯片拥有8路10位精度的ADC（音频输入通道），其中一位为音频转换通道，且内置自动增益电路。
这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。
两路10精度的DAC（音频输出通道），只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。
另外，凌阳16位单片机具有易学易用、高效率的指令系统和集成开发环境。
该开发环境支持标准C语言，可以实现C语言与凌阳汇编语言的互相调用，并且提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音的录放，这些都为软件开发提供了方便的条件。
在实际的生活中，61单片机的应用也很是广泛。
比如常见的家用电器控制器如冰箱、空调、洗衣机等白色家电。
比如仪器仪表类的具有语音提示功能的数字仪表。
还有电表、水表、煤气表、暖气表等。
通讯类产品的应用更为普遍如多功能录音电话、自动总机、语音信箱、数字录音系统产品等，给我们的生活带来极大地方便。
61单片机在医疗设备、保健器械（电子血压计、红外体温监测仪等）和体育健身产品（跑步机等）、电子书籍（儿童电子故事书类）、电教设备等语音识别类产品（语音识别遥控器、智能语音交互式玩具等）也都凸显出它独特的性能，让我们的生活更加便捷。
2.2SPCE061A性能
SPCE061A性能特点如下所示。
（1）工作电压（CPU）VDD为2.4~3.6V（I/O）VDDH为2.4~5.5V；
（2）CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；
（3）内置2K字SRAM和内置32KFLASH；
（4）可编程音频处理，晶体振荡器；
（5）系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2µA@3.6V；
（6）声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
（7）具备串行设备接口，具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能，内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口，具有保密能力，具有WatchDog功能。
2.3SPCE061A的结构及其特点
SPCE061A主要包括输入/输出端口、定时器/计数器、数/模转换、模/数转换、串行设备输入输出、通用异步串行接口、低电压监测和复位等部分，并且内置在线仿真电路ICE接口，较高的处理速度使其能够快速的处理复杂的数字信号。
且具有体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展的特点。
中断系统支持10个中断向量及10余个中断源，适合实时应用领域。
该单片机的性能价格比较高，片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
SPCE061A的结构如下图2.1所示。
图2.1SPCE061A的结构
另外，µ’nSP™的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令，为其应用增添了DSP功能，使得µ’nSP™家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利，又比专用的DSP芯片廉价。
而且具有功能强、效率高的指令系统。
它的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
再加上该单片机具有低功耗、低电压的特点，它采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗。
另外，µ’nSP™家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
2.461单片机的引脚排列
SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装。
PLCC84的排列如下图2.2所示。
图2.2SPCE061APLCC84封装排列图
2.5SPCE061A最小系统
最小系统接线如下图所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。
其它不用的电源端和地端接上0.1μF的去藕电容提高抗干扰能力，如下图2.3所示。
图2.3SPCE061A最小系统原理图
361实验板
3.1硬件框图及简要说明
SPCE061A的单片机的开发系统为SPCE061AEMUBOARD，通常情况下简称“61板”。
61板采用的是模块化结构设计，分为：
电源区、下载区、音频区、SPCE061A与周边器件、监控区、复位区、端口区。
其结构框图如下图3.1所示。
图3.161板框图
3.261板的接口说明
61板接口说明如下图3.2所示。
图3.261板接口
（1）输入/输出（I/O）接口
61板将SPCE061A的32个I/O口全部引出：
IOA0~IOA15，IOB0~IOB15，对应的SPCE061A引脚为：
A口，41～48、53、54～60；B口，5～1、81～76、68～64。
而且该I/O口是可编程的，即可以设置为输入或输出：
设置为输入时，分为悬浮输入或非悬浮输入，非悬浮输入又可以设置为上拉输入或是下拉输入；在5V情况下，上拉电阻为150K，下拉电阻为110K；设置为输出时，可以选择同相输出或者反相输出。
（2）音频输入/输出接口
61板具有强大的语音处理功能，如图3.2所示，X1是语音的MIC输入端，自带自动增益（AGC）控制，J3是语音输出接口，一个2pin的插针外接喇叭，由DAC输出引脚21或22经语音集成放大器SPY0030A放大，然后输出，SPY0030A是凌阳的一款芯片，功能相当于LM386，但是比LM386音质好，它可以工作在2.4~6.0V范围内，最大输出功率可达700mW（LM386必须工作在4V以上，而且功率只有100mW）。
（3）在线调试器PROBE和EZ_PROBE接口
图3.2中J4为PROBE的接口，该接口有5pin，我们就是通过它将PROBE与PC机连接起来进行调试、仿真和下载程序的。
这样，就不需要再用仿真器和编程器了。
图3.2中的J11是EZ_PROBE的接口，我们提供一根下载线用作程序的下载，一端连接PC机的25pin并口，另外一端接61板的5pinEZ_PROBE接口。
（4）电源接口
图3.2中J10是电源接口，61板的内核SPCE061A电压要求为3.3V，而I/O端口的电压可以选择3.3V也可以选择5V。
所以，在板子上具有两种工作电压：
5V和3.3V。
对应的引脚中15、36和7必须为3.3V,对于I/O端口的电压51、52、75可以为3.3V也可以是5V，这两种电平的选择通过跳线J5来选择。
61板的供电电源系统采用用户多种选择方式：
第一种方式是5V供电，用户可以用3节电池来供电，5V直流电压直接通过SPY0029（相当于一般3.3V稳压器）稳压到3.3V，为整个61板提供了5V和3.3V两种电平的电压。
另外也可以直接外接5V的直流稳压源供电，5V电压再通过SPY0029稳压到3.3V；第二种是3.3V供电，可以提供直流3.3V电压为实验板进行供电，此时整个板子有3.3V电压，I/O端口电压此时只有一种选择。
需要注意的是由于SPY0029A最大输出电流为50mA，所以如果需要外接一些模组时要先考虑负载能力。
（5）外部复位
复位是对61板内部的硬件初始化，61板本身具有上电复位功能，即通电就自动复位，另外，还具有外部复位电路，即在引脚6上外加一个低电平就可令其复位。
如图3.2中的RESET按键。
3.361板的检测
（一）主要测试部分
1、I/O口（A口作为输入，B口作为输出）；
2、睡眠功能（进入睡眠状态，绿色指示灯点亮）；
3、A/D转换输入（B口的低7位作为模拟电压源输出，对应A口的7个通道采样转换）；
4、MIC输入及语音输出（同时实现A/D和D/A转换功能）。
（二）61板自检的具体操作步骤（如图3.3所示）
图3.361板自检步骤
第一步连接电源，可以连接电池盒（3节），也可以直接接5V的稳压源；
现象：
当电源接通时，红色的发光二极管会点亮。
同时会有语音提示：
“欢迎进入自检模式”，此时因为还没有连线，所以会听到：
“I/O测试失败”的警告，进行第二步的操作；
第二步用排线分别将IOA口的低8位和IOB口的低8位相连，IOA口的高8位和IOB口的高8位相连，然后按下RESET复位键；
现象：
当按下RESET复位键后，程序重新开始执行，语音提示“欢迎进入自检模式”，当听到语音提示“I/O测试成功”后，进行第三步操作；
第三步按K1键进行睡眠功能测试；
现象：
如果测试成功，会看到绿色的发光二极管闪亮一下，并有语音提示“睡眠测试成功”，否则提示“睡眠测试失败”，然后进行第四步操作；
第四步按下K2键进行A/D转换的测试；
现象：
语音提示：
“A/D测试成功”，否则提示“A/D测试失败”，进入最后一步操作；
第五步拔掉第一步测试时的排线，并按下K3键测试MIC输入及D/A转换输出是否正常；（注：
在按下K3键后，喇叭会发出啸叫声，用手按在MIC上可消除啸叫声。
）
现象：
可以在MIC上轻轻的拍几下，同时听是否有声音输出，如果有，则说明MIC输入和D/A转换输出部分正常。
以上操作，只有当I/O测试成功后，按键才会有效。
4总体方案设计
4.1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。
4.2系统总体方案设计
采用SPCE061A实现语音控制小车方案，由于SPCE061A内部具有语音识别和语音播放功能，所以只需要扩展基本的MIC和语音功放即可，该方案总体结构设计如图4.1所示。
图4.1基于SPCE061A的语音控制小车实现方案
系统组成又可以按硬件结构分为以下两部分：
SPCE061A精简开发板、语音小车控制电路板。
语音输入部分MIC_IN、按键输入部分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，这就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转、反转和停止的三态运行。
系统的结构框图及硬件模块连线图分别如下图4.2和4.3所示。
图4.2系统结构框图
图4.3硬件模块连线图
4.3系统控制方案
小车的运动控制采用语音控制和中断定时控制相结合，通过语音触发小车动作，小车动作之后，随时可以通过语音指令改变小车的运动状态。
在每一次动作触发的同时启动定时器，如果小车由于某些原因不能正常的接收语音指令，则只要定时时间到，中断服务程序会发出指令让小车停下来。
5硬件电路设计
系统的硬件方面，由于大部分的功能实现都是在61板上完成的，只有电机控制部分电路另外设计在一块独立的电路板上，我们称之为控制板。
下面详细的介绍小车的结构和运行原理以及控制电路板的结构和功能实现。
5.1车体介绍
语音控制小车为四轮结构，如图5.1。
其中前面两个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动，来调节小车的前进方向。
在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间位置。
后面两个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。
所以又称前面的轮子为方向轮，后面的两个轮子为驱动轮。
图5.1小车车体侧视图
5.2小车的行走原理
前进：
从小车的结构分析，在自然状态下，前轮在弹簧作用下保持中间状态，这时只要后轮电机正转驱动小车，小车就会前进。
前进原理如图5.2所示。
倒车：
倒车动作和前进动作刚好相反，前轮电机仍然保持中间状态，后轮电机反转，小车就会向后运动。
倒车原理如图5.3所示。
左转：
前轮电机逆时针旋转（规定为正转），后轮电机正转，这时小车就会在前后轮共同作用下朝左侧前进。
左转原理如图5.4所示。
右转：
前轮电机反转，后轮电机正转，这时小车就是会在前后轮共同作用下朝右侧前进。
右转原理如图5.5所示。
图5.2车体前进原理图图5.3车体倒车原理图
图5.4车体左转示意图图5.5车体右转示意图
5.3控制板电路及原理
控制板电路主要包括：
接口电路、电源电路和两路电机的驱动电路，控制板原理图如图5.6所示。
接口电路：
接口电路负责将61板的I/O接口信号传送给控制电路板，I/O信号主要为控制电机需要的IOB8~IOB11这四路信号，同时为了方便后续的开发和完善，预留了IOB12~IOB15以及IOA8~IOA15接口可以在这些接口上添加一些传感器。
电源电路：
整个小车有4个电源信号：
电池电源，控制板工作电源，61板工作电源，61板的I/O输出电源。
系统供电由电池提供，控制板直接采用电池供电（VCC），然后经二极管D1后产生61板电源（VCC_61），通过61板的Vio跳线产生61板的端口电源（V1）。
二极管D1作用：
1、降压，4节电池提供的电压VCC最大可达到6V，D1可有效地降压。
2、保护，D1可以防止电源接反烧坏61板。
电机驱动电路：
IOB8和IOB9控制一个H桥，H桥输出端口J3接后轮电机，所以IOB8和IOB9控制小车的前进和后退；IOB10和IOB11控制另外一个H桥，该H桥输出端J4前轮电机，所以IOB10和IOB11控制小车的方向，实现小车的左转和右转。
图5.6控制板原理图
5.4全桥驱动电路及其原理
全桥驱动又称H桥驱动，下面介绍一下H桥的工作原理：
H桥一共有四个臂，分别为B1~B4，每个臂由一个开关控制，示例中为三极管Q1~Q4。
如果让Q1、Q2导通Q3、Q4关断，如图5.7所示，此时电流将会流经Q1、负载、Q2组成的回路，电机正转。
B1、B2工作时的H桥电路简图B3、B4工作时的H桥电路简图
图5.7全桥驱动原理1
如果让Q1、Q2关断，Q3、Q4导通，如图5.5所示，此时电流将会流经Q3、负载、Q4组成的回路，电机反转。
如果让Q1、Q2关断Q3、Q4也关断，负载Load两端悬空，如图5-10所示，此时电机停转。
这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。
如果让Q1、Q2导通Q3、Q4也导通，那么电流将会流经Q1、Q4组成的回路以及Q2和Q3组成的回路，如图5.8所示，这时桥臂上会出现很大的短路电流。
在实际应用时注意避免出现桥臂短路的情况，这会给电路带来很大的危害，严重的会烧毁电路。
B1~B4全部停止工作时的H桥简图B1~B4全部工作时的H桥简图
图5.8全桥驱动原理2
5.5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5.9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，继而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。
图5.9后轮电机驱动电路
当IOB8为高电平、IOB9为低电平时，Q1和Q4
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