多功能语音控制小车

多功能语音控制小车文章来源：凌阳大学计划网站 作者：凌阳大学计划网站 发布时间：2003:30:31 摘要关键词： 片机 ，语音辨识，光电传感器摘要：随着电子业的发展，自动化已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，本系统模拟将来的智能小车。根据开始录制的语音命令来控制启动、停止、返回和语音模，并且能自动避开障碍物，进行前行和倒退。利用光电检测器检测道路上的障碍物，控制电动小汽车行使状态，并自动记录往返距离，在整个行程中如果遇到正前方的障碍物将倒退一段距离后拐弯正向前行。片机概述 继 m列产品 之后凌阳科技推出的又一个 16 位结构的微控制器。目前有两种封装形式：84 引脚的 装和 80 引脚的 片封装。主要性能如下：16 位 m处理器；工作电压： )；钟： 32768内置 2K 字 置 32K 可编程音频处理；32 位通用可编程输入/ 输出端口；32768时时钟，锁相环 荡器提供系统时钟信号；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 - 模转换)输出通道；7 通道 10 位电压模- 数转换器(单通道语音模声音模- 数转换器输入通道内置麦克风放大器自动增益控制(能；系统处于备用状态下( 时钟处于停止状态 )耗电小于 214 个中断源：定时器 A / B，2 个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 具备触键唤醒的功能；使用凌阳音频编码 式()，能容纳 210 秒的语音数据；具备异步、同步串行设备接口；具有低电压复位(能和低电压监测(能；内置在线仿真电路接口 具有保密能力；具有 能（由具体型号决定） 一、方案设计与论证 本系统为典型的实时控制系统，易用单片机控制来实现，这里以凌阳 片机为主控元件，提出两种设计方案。 方案一：采用凌阳 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24 个 I/O 口，由于凌阳 片机提供 32 个 I/O 口，一片即可实现所有功能，这为设计过程提供了极大方便。其主要设计思想是：小车上，安装一个霍尔元件利用单片机的 部中断判别轮胎转数的结果用以计算路程；安装三个检测障碍物的光电检测器和一个碰撞开关，利用扫描的方式来控制拐弯和返回；利用单片机的 制继电器选择小车的正、反向和加、减速行驶；凌阳 六位单片机提供了丰富的时基信源和时基中断，给设计者以大量的选择空间，并给设计者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。整体框架如图 1，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 六位单片机，与第一种方案不同之处在于利用单片机的 生控制调速的脉宽和控制小车的正、反行驶，用凌阳 六位单片机的 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，这里考虑到大众化设计，采用第一个方案。 二、路方框图及说明系统原理框图如图 1 所示。主控元件采用凌阳 片机，属于凌阳 u列产品的一个 16 位结构的微控制器。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，只内嵌 32K 字的闪存（但用在此系统上已经绰绰有余。较高的处理速度使 u够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。因此以 u核心的控制器也适用在数字语音识别应用领域。 作电压范围内的工作速度范围为 高的工作速度使其应用领域更加拓宽。2K 字 32K 字 占一页存储空间， 32 位可编程的多功能 I/O 端口；两个 16 位定时器/计数器；32768时时钟；低电压复位/ 监测功能；8 通道 10 位模通道 10 位 式的音频输出功能，这就为本系统的特定人辨识和语音播报打下了基础。 光电检测电路电路为了确定障碍物，加入障碍物检测的光电传感器，根据小车所处的位置改变行驶状态，所使用的光电传感器为市场上普通的光电传感器，再没检测到障碍物时 出为低电平，在检测到障碍物时 与传感器内部电路断开，因而加一个上拉电阻，如图 2 所示，此时将输出高电平。在检测障碍物的过程中采用查询方式。继电器驱动电路的设计由于单片机 I/O 口提供的电流太小，不能直接驱动继电器。在这里采用 8050 来提供一个开关电压，实现 I/O 口对继电器的驱动，用 掉继电器断开时线圈产生的反向电流，保护8050。如图 3。 图 3 行使状态控制电路的设计如图 4 所示为行使状态控制电路，整个小车的行驶状态由两个电机来控制， 控制左拐和右拐， 控制前进、倒退以及三挡速度。具体控制如表 1 所示。 图 4行使状态控制电路 表一： 行驶状态 速前进 1 0 1 1 0 0 中速前进 1 0 1 0 0 0 慢速前进 1 0 0 0 0 0 左拐 1 0 0 0 1 0 右拐 1 0 0 0 0 1 全速倒退 0 1 1 1 0 0 中速倒退 0 1 1 0 0 0 慢速倒退 0 1 0 0 0 0 倒退左拐 0 1 0 0 1 0 倒退右拐 0 1 0 0 0 1 程计数的设计 通过检测车轮转过的转数乘上车轮的周长来计算路程，霍尔元件就是一种很好的可用于车轮转数计数的元件。在普通转盘计数的仪表中加装霍尔元件和磁铁，即可构成基于磁电转换技术的传感器。霍尔元件固定安装在计数转盘附近，永磁铁安装在计数盘位上，当转盘每转一圈，永磁铁经过霍尔元件一次即在信号端产生一个计量脉冲。由于霍尔电压很微弱()，需用霍尔集成电路进行处理，如图 4 所示。无论信号转子的哪个叶片通过空气间隙时，霍尔信号发生器都将产生一个电位由高到低的脉冲信号直接送 外部中断源，信号转子通过霍尔元件将产生一个中断，此中断的个数即为车轮转过的转数。 图 5 示电路 采用共阴极数码管 行动态显示，有四位数码管，这四个数码管的段选a、b、c、d、e、f、g 分别接在一起，每一个都拥有一个共阴的位选端，通过动态显示可轮流显示时间和路程，这有利于节省 I/O 口。系统显示时间的精度为 1S，显示路程的精度为 作为位选控制， 传输要显示的数据，数据线和位选线直接接凌阳 ，因为 I/O 口输出电流很小不会对 成损坏，它的电压值却足以驱动 不像别的单片机还要外接驱动电路和电阻，采用凌阳 片机大大减化了设计过程和硬件电路。 图 麦克录音输入及 路麦克风电路如图 4 所示。凌阳的 16 位单片机，具有 能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到 49M，具备运算速度高的优势等等，这为语音的播放、录放、合成及辨识提供了条件。本系统接入 路如图所示，录制语音辨识命令服务。 图 7下图是简化的语音识别原理图，其中实线部分成为训练模块，虚线部分为识别模块。辨认特定的使用者即特定语者(D)模式，使用者可针对特定语者辨认词汇(可由使用者自行定义，如人名声控拨号)，即在启动小车前，系统将会提示输入语音命令作简单快速的训练纪录，在这里输入“启动”“停止”“返回”和“ 模式切换”四个语音命令，通过使用者的声音特性来加以辨认。随着技术的成熟，进入语音适应阶段 SA(使用者只要对于语音辨识核心，经过一段时间的口音训练后，即可拥有不错的辨识率。 图 语音播报电路音频部分的原理图如下所示，在图 9 中可以看到两个跳线，其作用在于可以测量 输出波形；另外拔掉跳线，可以断开 喇叭放大的通路，使得 道处于开路状态。这样便于用其他用途，用户可以用过这个跳线来加入自己的外围电路。凌阳音频压缩算法根据不同的压缩比分为以下几种 (具体可参见语音压缩工具一节内容) ：缩比为8:，8:压缩比为 80:3，80: 压缩比为 80:2000>240 用凌阳 先把所需要的语音信号录制好，本系统共包括十多个语音资源，整个语音信号经凌阳 缩算法压缩只占有 储空间，片机具有 32k 闪存，使用内部 可满足要求。凌阳 片机自带双通道 频输出， 换输出的模拟量电流信号分别通过 出为电流型输出，所以 出经过 频放大，以驱动喇叭放音，放大电路如图 9(只列出了 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，音频的具体功能主要通过程序来实现。图 9 音频放大电路 三、件流程图及设计思路说明 中断服务流程图部分 片机有两个外部中断，分别为 个外部输入脚分别为 B 口的 复用脚。和 两条外部中断请求输入线，用于输入两个外部中断源的中断请求信号，并允许外部中断以负跳沿触发方式来输入中断请求信号。黑线检测，确定小车位置，轮子转数检测用于计算路程。显示和播报部分 当收到三次辨识循环，小车停止，进行路程的显示和拨报，路程的显示采用动态显示，显示路程，采用四位显示单位为厘米，显示子程序流，程图如图 12，显示的同时会有语音播报时间和路程，语音采用凌阳 音播报，流程图如图 13。 图 12 图 13 语音辨识部分 在这里我们用的是 特定语者辨识 语音样板由单个人训练，也只能识别训练某人的语音命令，而他人的命令识别率较低或几乎不能识别。 图14 是语音辨识的一个整体框图： 图