学位论文基于单片机的语音控制小车.docx
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学位论文基于单片机的语音控制小车
基于单片机的语音控制小车设计
摘要
随着电子工业的发展，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。
目前，声控技术已在很多领域得到使用。
本文对语音控制功能的小车概况做了阐述。
在硬件设计方面，本论文以凌阳公司的SPCE061A单片机为控制核心，以语音小车控制电路板为辅，设计小车的动作。
完成了电源电路、复位电路、键盘电路、音频输入电路，音频输出电路和无线控制电路等硬件功能模块的设计。
在软件方面，利用C语言进行编程，进行语音的“训练”和“识别”。
设计出具有如下功能的语音声控小车:
能够根据录制的语音命令来控制小车的前进，后退，左转，右转的功能。
测试表明，在环境背景噪音不太大，控制者的发音清晰的前提下，语音控制小车的语音识别系统能对特定的语音指令做出智能反应，做出预想中的有限的动作。
论文首先对系统的方案进行论证，然后对各单元的软件、硬件工作原理进行了阐述，并介绍了系统的主要组成部分情况。
关键词：
SPCE061A，语音识别，全桥驱动，小车
Voicecontrolcardesignbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract
Withthedevelopmentoftheelectronicsindustry,thevoice-thecontrolcarbecomemoreandmorepopulartopeople.Anditplaysanimportantroleinpeople'sdailylife.Atpresent,thevoice-activatedtechnologyhashad2inmanyfields,Forexample,voice-activatedphone.Onlyifyoucalledoutthenamesyouwantanditautomaticallycalledtothetelephone.
Thisarticlegivesadetailtothevoice-activatedcar.Inhardwaredesign,thepaperuseSunplusSPCE061Aasthecontrolofcore.Onthesoftware,weuseClanguageprogrammingforvoice"training"and"recognition"..Completedthepowercircuit,resetcircuit,keyboardcircuitry,audioinputcircuits,audiooutputcircuitandcontrolcircuitofwirelesshardwaresuchasthedesignoffunctionmodules.Ithasthefollowingfeatures:
Accordingtorecordedthevoicecommandtocontrolthecartostart,stop,turnright,andturnleft.Testshaveshownthatbackgroundnoiseintheenvironmentisnottoobig,thecontrollerunderthepremiseofclearpronunciation,voicecontrolcarvoicerecognitionsystemcanmakeintelligentresponsetoaparticularvoicecommands,limited,asexpected.
Firstofall,ccashutconfirmthesystemoftheprogram,andthendescribetheunit'ssoftwareandhardwareaswellasintroducethemaincomponentsofthesituation.
Keywords:
SPCE061A，SpeechRecognition，Full-bridge,driver，Trolley
目录
摘要I
AbstractII
第1章绪论-1-
1.1选题的目的和意义-1-
1.1.1选题目的-1-
1.1.2.选题意义-1-
1.2语音小车的发展及现状-1-
1.3课题的目的任务和要求-2-
第2章语音小车的方案论证-3-
2.1语音控制方案-3-
2.2方案论证-4-
2.2.1采用DSP+FPGA方案-4-
2.2.2采用MCS-51方案-4-
2.2.3采用凌阳61方案-5-
2.3系统控制方案-6-
第3章系统硬件设计-9-
3.1系统硬件总体设计-9-
3.2系统各单元设计-10-
3.2.1控制单元设计-10-
3.2.2动力单元设计-15-
3.2.3音频单元设计-16-
3.2.4小车单元设计-19-
3.3系统总体电路图-26-
第4章系统软件设计-27-
4.1系统总体程序设计-27-
4.2系统各分支设计-28-
4.2.1训练子程序-28-
4.2.2语音识别子程序-29-
4.2.3动作子程序-31-
4.2.4中断子程序-34-
第5章系统调试-37-
5.1硬件调试-37-
5.2软件调试-38-
5.3系统联调-39-
结论-41-
参考文献-43-
致谢-45-
附录-47-
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、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、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3.3V，与单片机、FPGA、Flash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0．32～49．152MHz，具有较高的处理速度，可使μ’nSPTM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2KWord的SRAM和32KWord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，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3.361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µ’nSP™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。
因此，与SPCE500A相比，以µ’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μ’nSP微处理器；
工作电压：
内核工作电压VDD为3.0V~3.6V（CPU），I/O口工作电压VDDH为VDD~5.5V（I/O）；
CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；
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2μA@3.6V；
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（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，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，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unSPIDE，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
POWER
5V&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
S5
EZ-PROBE和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
OSC
32768晶振电路
VREF
A/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 K1~
K1~K3
扩展的按键：
接IOA0~IOA2
SPCE061A
61板核心：
16位微处理器
PORTA/B
32个I/O口
61板接口说明如图3.3所示：
2．61板输入/输出（I/O）接口
61板将SPCE061A的32个I/O口IOA0~IOA15，IOB0~IOB15全部引出，对应的引脚为：
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，可以选择同向输出或者反相输出。
图3.5SPCE061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是凌阳的芯片，相当于LM386，但是比386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）。
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-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3.661、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2.4~6V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
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