1、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 3.2 SPCE061A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 4.3 PWM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
2、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
3、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:DC 4V6V 工作电流:运动时约 200mA3 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
4、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。 3.2SPCE061A精简开发板“61板”是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,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
5、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 6 V,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 470F滤波电容和一个 0.1F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,
6、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4.7K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,
7、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I
8、OB9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
9、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
10、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
11、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 4.3 PWM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
12、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
13、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IOB13IOB10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Fl
14、ash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
15、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
16、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“SUBB A,R2”中若R2为计数值,A寄存器设为8,就可如下:当“8R2”有产生借位,借位标志C=1,表示编码为1。当“8R2”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“RRC A”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;-HOME EQU 14 ;伺服马达回到中点时间常数BACK EQU 3 ;伺服马达反转时间常数FOR EQU 25 ;伺服马达正转时间常数; -;遥控器按键16比较码CODE_K1 EQ
17、U 19H ;机器人前进比较码CODE_K2 EQU 18H ;机器人后退比较码CODE_K3 EQU 0AH ;机器人左转比较码CODE_K4 EQU 09H ;机器人右转比较码CODE_K5 EQU 0BH ;机器人回到中点比较码CODE_K6 EQU 14H ;机器人行走启动进比较码; -IRCOM EQU 30H ;红外线信号解码数据放置变量起始地址COM EQU 32H ;比较第3字节变量; -IRIN EQU P3.2 ;红外线IR信号输入位引脚定义WLED EQU P3.7 ;发光二极管引脚定义SPK EQU P3.4 ;压电喇叭引脚定义DJL EQU P1.0 ;左侧伺服马达引
18、脚定义DJR EQU P1.1 ;右侧伺服马达引脚定义; - ORG 0H ;程序代码由地址0开始执行 JMP BEGIN ;进入主程序; -BEGIN: CLR DJL ;关闭左侧伺服马达CLR DJR ;关闭右侧伺服马达CLR SPK ;关闭压电喇叭 CALL LED_BL ;发光二极管闪烁,表示程序开始执行 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL GO_HOME ;全部伺服马达回到中点 CALL LED_BL ;发光二极管闪烁,表示机器人准备完毕 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声CALL QD ;运行行走启动子程序,摆好行走姿态SETB IRIN ;红外线信号IR输入位设
19、为高电平,准备接收红外信号LOOP: MOV R0,#IRCOM ;设置IR解码起始地址 CALL IR_IN ;进行IR解码CALL OP ;进行解码比较,并控制机器人动作 JMP LOOP ;继续循环执行; -DELAY: MOV R6,#50 ;10ms延时子程序D1: MOV R7,#99 DJNZ R7,$ DJNZ R6,D1 DJNZ R5,DELAY RET; -LED_BL: MOV R1,#4 ;发光二极管闪烁子程序LE1: CPL WLED ;发光二极管反向 MOV R5,#10 CALL DELAY ;进行100ms延时 DJNZ R1,LE1 RET; -BZ: MO
20、V R6,#0 ;压电喇叭发声子程序B1: SETB SPK ;压电喇叭得电,开始发声 DJNZ R6,B1 MOV R5,#5CALL DELAY ;进行50ms延时 CLR SPK ;关闭压电喇叭 RET; -DEL: ;0.1ms延时子程序 MOV R5,#1DELAY1: MOV R6,#2E1: MOV R7,#22E2: DJNZ R7,E2 DJNZ R6,E1 DJNZ R5,DELAY1 RET; -IR_IN: ;红外解码子程序I1: JNB IRIN,I2 ;等待红外IR信号出现JMP I1I2: MOV R4,#20 ;发现红外IR信号,延时一下I20: CALL DE
21、L DJNZ R4,I20 JB IRIN,I1 ;确认红外IR信号出现I21: JB IRIN,I3 ;等待IR变为高电平 CALL DEL JMP I21I3: MOV R3,#0 ;8位数清0LL: JNB IRIN,I4 ;等待IR变为低电平 CALL DEL JMP LLI4: JB IRIN,I5 ;等待IR变为高电平 CALL DEL JMP I4I5: MOV R2,#0 ;0.1ms 计数L1: CALL DEL JB IRIN,N1 ;等待IR变为高电平 MOV A,#8 ;设置减数为8 CLR C ;清除借位标志C SUBB A,R2 ;判断高低位 MOV A,R0 ;取
22、出内存中原先数据 RRC A ;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 INC R3 ;处理完成一位,R3+1(R3计数) CJNE R3,#8, LL ;循环处理8位 MOV R3,#0 ;R3清0 INC R0 ;处理完成1个字节,R0+1(R0计数) CJNE R0,#34H, LL ;循环收集到4个字节 JMP OK ;至完成返回N1: INC R2 ;R2+1(R2计数) CJNE R2,#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 MOV A,COM CJNE A,#COD
23、E_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CALL LED_BL ;发光二极管闪烁CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声CALL GO_HOME ;执行回到中点CALL LED_BL ;发光二极管闪烁CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声RETA1: MOV A,COM CJNE A,#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 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL GO_FOR ;执行前进 RETA2: MOV A,COM CJNE A,#CODE_K2, A3 ;对解码进行比较,看是否是后退指令,否就转至下一
24、项比较 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL GO_BACK ;执行后退 RETA3: ;L MOV A,COM CJNE A,#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 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL GO_L ;执行左转 RETA4: ;R MOV A,COM CJNE A,#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 CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL GO_R ;执行右转 RETA5:MOV A,COMCJNE A,#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CALL LED_BL ;发光二极管闪烁CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 CALL QD ;执行行走启动 CALL LED_BL ;发光二极管闪烁CALL BZ ;压电喇叭发出嘀的一声 RETA6: RET ;返回; -HOME1: SETB DJZ ;各伺服电机回中点控制子程序 SETB DJL SETB DJR MOV R4,#HOMEG1: CALL DEL DJNZ R4,G1 CLR DJZCLR DJL CLR DJR MOV R4,#(200-HOME)G2: CALL DEL DJNZ R4,G2 RET;
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