基于单片机的语音控制小车毕业设计论文文档格式.docx

1、 SPCE061A，Speech Recognition，Full-bridge ,driver，Trolley第1章 绪 论1.1 选题的目的和意义1.1.1选题目的 通过设计一个用单片机控制的语音小车来熟悉模块化编程方法，掌握C语言汇编语言的程序设计和调试方法，并理解单片机的原理、结构、指令；运行模式及应用方法。1.1.2.选题意义 语音识别系统的实用化研究是语音识别研究的一个主要方向。以玩具市场为例，具有高科技含量的电子玩具、智能玩具发展迅猛，电子互动式、智能化玩具已经成为玩具行业发展的主流。我国是玩具生产和出口大国，但在高科技玩具的发展方面和国外的差距很大，因此，及时投入精力广泛开展这

2、方面的研究，无论对技术创新应用，还是社会经济发展，都有巨大的现实意义。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。近二十年来，语音识别技术取得显著进步，开始从实验室走向市场。语音识别功能大大增加了玩具使用的乐趣，并使玩具体现出一定的智能性，因此成为大部分电子玩具、智能玩具设计中使用的关键技术。本文利用凌阳单片机设计一个具有语音识别功能的智能遥控小车。该设计将遥控车由传统的手动遥控改成了语音识别遥控，集成了先进的语音识别技术，加上小车的机动灵活的特点，使控制者可以通过语音控制小车实现预设

3、动作，从而释放控制者的双手，而且小车和控制者之间还具有一定的交互功能。所以此次研究具有较强的实用性和发展前景。1.2 语音小车的发展及现状随着微电子技术、计算机技术、及传感器技术的迅速发展，现今声控技术已经应用到社会中的各个角落，为人们提供着各种便利。1、声控玩具车：进一步提高系统的滤噪性能，和识别的准确率，并利用已有的软件开发出独具特色的语音芯片，并将其集成在遥控上即可做出声控玩具车。2、能识别主人的看门狗：在本系统的基础上扩充对说话者的识别功能，并将软件硬件化，集成在芯片上。将芯片置于防盗门上，使之可以完成主人叫门即开门的功能。3、真实汽车上的声控系统：在驾驶的过程中，不便于用手来完成的其

4、它操作可以用声控系统来实现。这于我们的系统是极其相似的。但是实际的汽车中可能存在着大量的噪声，所以，滤噪便成为最为关键的技术。声控技术虽然是一项比较先进的技术。但是，声控技术在无限传输时的合成的质量不是很好，它还需进一步提高，因为无线环境中的背景噪音太大了，当然还有其他方面的因素影响着声控功能的发挥，具体来说表现在以下几个方面：1 、时效型。从发出指令到执行指令，有一段延迟时间，虽已降低到尽可能的小，但还是很明显。可行的方法就是改用高效的DSP芯片，这在经费上和时间上都是不允许的。2.、对环境的适应。如果环境噪声很大，或偶尔出现较大的噪声，则会出现误识。这个不足之处还没有很有效的解决方案。3、

5、多人识别。各人的发音不尽相同，因此该系统还限于单人识别。若要做多人识别，则识别的时效性会降低，即有很大的延迟。另外，多人识别，也没有较为有效、成熟的算法供参考。1.3 课题的目的任务和要求声控小车其技术要求是通过相关语音对小车进行操作控制。使用了“前、后、左、右、停”五个字作为小车行驶的指令。本毕业设计有助于培养我们的独立动手能力、思考能力。具体的项目制作过程分为两部分：软件部分和硬件部分。其目的让我们熟悉61板的设计与制作，并掌握其原理；学会运用C语言进行编程且运用。语音控制小车的主要功能： 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

6、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。第2章 语音小车的方案论证2.1 语音控制方案2.1.1基本原理机器语音识别、处理的过程与人对语音识别、理解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语音特征提取、声学模型与模式匹配（识别算法）和语义理解3部分。其基本原理如图2.1所示。图2.1语音识别系统原理框图从图中我们可以看出语音识别一般分为2个步骤：第一步是系统“学习”或“训练”阶段，这一个阶段的任务是建立识别基本单元的声学模型以及

7、进行文法分析的语言模型，即构建参考模式库；第二步是“识别”或“测试”阶段，根据识别系统的类型选择能够满足要求的识别方法，采用语音分析方法分析出这种识别方法所要求的语音特征参数，按照一定的准则和测度与参考模式库中的模型进行比较，通过判决得出结果。 2.1.2语音识别系统的构成语音识别系统的基本结构主要包括预处理、A /D转换、起止点识别、特征提取和识别判断等部分, 结构如下图2.2所示。图2.2语音识别系统的基本结构2.2 方案论证2.2.1 采用DSP+FPGA方案语音识别根据实际需要和应用场合的不同，可以分为孤立词识别和连续语音识别、特定人识别和非特定人识别。语音识别追求的主要指标为高识别率

8、、实时性和大词汇量；而对于一个语音识别系统，还应考虑软硬件设计简单、价格低廉、外围控制灵活、人机交互便捷等特点。现在应用于语音识别的芯片主要为DSP（数字信号处理器）芯片：如TI公司的TMS320系列。然而, 将DSP 芯片用于小型语音识别系统中, 其不足之处是很明显的：引脚多、 价格贵、 使用繁琐;控制功能弱，常需要与单片机或FPGA （现场可编程门阵列）结合, 来实现人机交互; 常需要外接A /D 转换芯片；引脚为3. 3 V，与单片机、FPGA、F lash 存储器等连接时，要考虑电平匹配。这些将使整个系统结构庞大,设计繁琐。2.2.2采用MCS-51方案采用 MCS-51 系列单片机实

9、现，由于有语音识别和语音播放功能，所以需要扩展语音识别模块和语音播放模块，这样必然造成端口的资源紧张，所以还必须加入接口扩展芯片。该实现方案结构如图 2.3 所示。图2.3采用 MCS-51 系列单片机实现语音控制小车2.2.3 采用凌阳61方案SPCE061A是凌阳科技推出的一个16位结构的微控制器。CPU时钟频率为03249152 MHz，具有较高的处理速度，可使n SPTM能够非常容易、快速地处理复杂的数字信号；拥有可编程音频处理；内置2 K Word的SRAM和32 K Word的FLASH；2个16位可编程定时器计数器（可自动预置初始计数值），2个10位DAC输出通道，32位通用可编

10、程输入输出端口。它是数字语音识别应用领域产品中的一种比较经济的选择。图2.4基于SPCE061A的语音控制小车实现方案本案采用采用SPCE061A实现语音控制小车方案。系统结构框图2.5如下：图2.5结构系统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。2.3 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，

11、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。第3章 系统硬件设计3.1 系统硬件总体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。图3.1 总体设计框图图3.2 系统硬件框图3.2 系统各单元设计3.2.1 控制单元设计SPCE061A 最小系统中，包括 SPCE061A 芯片及其外围

12、的基本模块，其中外围的基本模块有：晶振输入模块（OSC） 、锁相环外围电路（PLL） 、复位电路（RESET） 、指示灯（LED）等。图3.3 61板最小系统SPCE061A芯片特性简介SPCE061A是一种十六位单片机，使用它可以非常方便灵活的实现语音的录放，该芯片拥有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。两路10位精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成语音的播放。另外十六位单片机具有一套易学易用的指令系统和集成开发环境，在此环境中，它支持标准C语言编程，也支持C语言与汇编语言的互相调用。另外还提供了语

13、音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就可以很容易的完成语音的录放、识别等功能，这些都为软件开发提供了方便的条件。SPCE061是一款拥有2KRAM、32KFlash、32个I/O口，并集成了AD/DA功能强大的16位微处理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。只要按照该单片机的要求对其编制程序就可以实现很多不同的功能。SPCE061A 是继µnSP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（

14、FLASH）。较高的处理速度使&nSP能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以&nSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。SPCE061A特性： 16 位nSP 微处理器； 工作电压：内核工作电压 VDD为 3.0V3.6V（CPU），I/O口工作电压 VDDH为 VDD5.5V（I/O）； CPU时钟：0.32MHz49.152MHz； 内置 2K字 SRAM； 内置 32K闪存 ROM； 可编程音频处理； 晶体振荡器； 系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电小于 2*； 2 个 16 位可编程定时器/计

15、数器（可自动预置初始计数值）； 2 个 10 位 DAC（数-模转换）输出通道； 32 位通用可编程输入/输出端口； 14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒； 具备触键唤醒的功能； 使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式（2.4K位/秒），能容纳 210 秒的语音数据； 锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 32768Hz 实时时钟； 7 通道 10 位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器； 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； 具备串行设备接口； 低电压复位（LVR）功和低电压监测（LVD）功能； 内

16、置在线仿真板另外，SPCE061A单片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，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录放，这些都为软件开发提供了方便的条件。精简开发板61 板 SPCE061A精简开发板（简称 61 板，SPCE061A EMU BOARD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，是“凌阳科技大学计划”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作及电子竞赛所设计的，也可作为单片机项目初期研发使用。61板”除了具备

17、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。1. SPCE061A功能 61板上有调试器接口（Probe 接口）以及下载线（EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合 unSP IDE，可方便地在板上实现程序的下载、在线仿真调试。图3.4SPCE061 板硬件框图表 3.1 框图说明POWER5V&3V 供电电路PLL锁向环外部电路Power电源指示灯Sleep睡眠指示灯RESET复位电路K4复位按键PROBE在线调试器串行5 针接口S5EZ-PROBE 和

18、PROBE 切换的拨断开关J12、J3耳机插孔和两针喇叭插针DAC一路音频输出电路，采用SPY0030 集成音频放大器MIC麦克风输入电路OSC32768 晶振电路VREFA/D 转换外部参考电压输入接口R/C芯片其他外围电阻、电容电路K1K1K3扩展的按键：接IOA0IOA2SPCE061A61 板核心：16 位微处理器PORTA/B32 个I/O 口61 板接口说明如图3.3所示：261 板输入/输出（I/O）接口61 板将SPCE061A 的32 个I/O 口IOA0IOA15，IOB0IOB15 全部引出，对应的引脚为：A 口，4148、53、5460；B 口，51、8176、6864

19、。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，可以选择同向输出或者反相输出。图3.5 SPCE061 板接口说明图3音频输入/输出接口正如我们在前面介绍的 61 板具有强大的语音处理功能，如图 3.5 所示，X1 是语音的MIC 输入端，带自动增益（AGC）控制。J12 和J3 都是语音输出接口，一个是耳机插孔；另一个是两针的插针外接喇叭，由DAC 输出引脚21 或22 经语音集成放大器SPY0030 放大，然后输出。SPY0030

20、是凌阳的芯片，相当于LM386，但是比386 音质好。它可以工作在2.46.0V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）。4 在线调试器（PROBE）和EZ-PROBE 接口.图3.5中J4 为PROBE 的接口，该接口有5 针，其中两个分别是地（VSS）和3.3V 电源（VCC）。此接口与PROBE 的5 针接口相连，PROBE 的另一端接PC 机25 针并口。这样，就不需要再用仿真器和编程器了，只要按如图3.4所示将其连接好，就可以通过它在PC 机上调试程序、在线仿真、最后将程序下载到芯片中，完成程序的烧写。如图3.5中的J11 是EZ

21、-PROBE 的接口，我们提供一根转接线用作EZ-PROBE 的下载，一端连接PC 机的25 针并口，另外一端连接61 板的5 针 EZ-PROBE 接口，如图3.6所示：图 3.6 61、PROBE/连接线、计算机三者之间的连接图3.2.2 动力单元设计电源部分的电路，由电池盒提供的 4.5V直流电压经过 SPY0029 后产生 3.3V给整个系统供电。SPY0029 是凌阳公司设计的电压调整 IC，采用 CMOS 工艺，具有静态电流低、驱动能力强、线性调整出色等特点，如图3.7图中的 VDDH3 为 SPCE061A的 I/O电平参考，如果该点接 SPCE061A（PLCC84 封装，下面

22、的介绍中当出现 SPCE061A的引脚描述时，均指此封装的芯片）的 51 脚，可使 I/O输出高电平为 3.3V；VDDP为PLL锁相环电源， 接SPCE061A的7脚； VDD和VDDA分别为数字电源与模拟电源， 分别接SPCE061A的15脚和36脚； AVSS1是模拟地， 接SPCE061A的24脚； VSS是数字地， 接SPCE061A的38脚； AVSS2接音频输出电路的 AVSS2。图中前后两组电容用来去耦滤波，使其供给芯片的电源更加干净平滑。为了获得标准的3.3V电压，加入SPY0029A三端稳压器。两个二极管D3和D4，是为防止误将电源接反造成不必要损失而设置的，注意在操作过程

23、中千万不要将电源接反，因为反向电压超过一定的值，二极管将会被损坏，达不到保护的目的。图 3.7电源电路图3.2.3 音频单元设计音频电路由音频输出和音频输入两部分组成。SPCE061A内置 2路10 位精度的 DAC，只需要外接功放电路即可完成语音的播放。图中的 SPY0030 是凌阳的一款音频放大芯片，可以工作在 2.46V范围内，最大输出功率可达 700mW。 SPCE061A 芯片中已经集成了音频输入专用 ADC 以及 AGC 放大电路，因此芯片外部的电路比较简单。图3.8 音频电路音频输入部分如图3.9，MICP和MICN将随着MIC产生的波形变化，并在两个端口处形成两路反相的波形，再

24、经过两级运放放大，把放大的语音信号交给ADC转换为数字量，这个时候就可以通过单片机编程对这些数据进行处理，比如说进行语音数据压缩、语音识别等。图3.9音频输入外围电路音频输出部分SPY0030A是凌阳公司开发的专门用于语音信号放大的芯片，它的增益为：Gain = 2 * 5000 / （ 5000 + R1 ），如图 3.10是SPY0030的典型应用电路。图3.10 SPY0030A工作原理图数摸转换电路凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC音频输出，DAC1、DAC2转换输出的模拟量电流信号分别通过AUD1和AUD2管脚输出，DAC输出为电流型输出，所以DAC输出经过SPY0030音频

25、放大，以驱动喇叭放音，放大电路（只列出DAC1,DAC2类似），这为单片机的音频设计提供了极大方便。在它们后面接一个简单的音频放大电路和喇叭即可实现语音播报功能。图3.11 数模转换电路按键、LED和复位电路此电路主要是对电源和睡眠指示作用以及复位重新训练小车等作用如3.12图示。图3.12按键电路图3.13 复位电路 图3.14 LED电路3.6 下载线接口电路和在线调制电路此电路主要是下载程序代码和在线调试程序，为其那片机提供灵魂。如图3.15所示。图3.15下载调制电路MCU连接电路微处理电路即其小系统电路如图3.16所示，也是整个设计的核心部分，此单片机是16位单片机具有强大的处理功能，外部的其它信息由其处理后在传出，以达到控制效果。图3.16 微处理器连接图3.2.4 小车单元设计语音控制小车为四轮结构。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。