電子設(shè)計競賽論文智能聲控小車

1、 目錄目錄 摘要（中文）摘要（中文）|3 摘要（英文）摘要（英文）3 第一部分第一部分 設(shè)計任務(wù)及要求設(shè)計任務(wù)及要求 一、任務(wù)4 二、功能和要求.4 第二部分第二部分 方案分析與論證方案分析與論證 一、主控系統(tǒng)分析與論證4 二、機械系統(tǒng)分析與論證5 三、電機驅(qū)動模塊分析與論證6 第三部分第三部分 系統(tǒng)原理框圖系統(tǒng)原理框圖.7 第四部分第四部分 系統(tǒng)硬件設(shè)計系統(tǒng)硬件設(shè)計 一、后輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計.7 二、前輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計.10 第五部分第五部分 系統(tǒng)軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件設(shè)計 一 語音識別原理簡介12 二、程序總體流程圖13 第六部分第六部分 系統(tǒng)檢測與整機指標(biāo)系統(tǒng)檢測與整機指標(biāo)15 第七部分第七

2、部分 參考資料與文獻參考資料與文獻15 第八部分第八部分 總結(jié)與致謝總結(jié)與致謝. 15 摘要（中文）摘要（中文） 隨著電子業(yè)的發(fā)展，自動化已不再是一個新鮮的話題，無人駕 駛的小汽車也必將進入實用階段，本系統(tǒng)模擬將來的智能小車。本 次設(shè)計為聲控智能電動車，主要采用凌陽 61 板單片機控制小車的 行使。這部智能的聲控小車可以實現(xiàn)前進，左傳，右轉(zhuǎn)，后退，左 后轉(zhuǎn)，右后轉(zhuǎn)，矩形運動等功能，整個過程還是聲控的，并且可以 實現(xiàn)調(diào)速且能在前進時能播放音樂，這樣的設(shè)想很新穎獨特。 關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞 語音識別語音識別 智能聲控智能聲控 spce061a 摘要（英文）摘要（英文） along with the ele

3、ctronics industry development, the automation no longer is a new topic. the pilotless compact car also will certainly to enter the practical stage, this system simulation future intelligent car.this design for the voice control intelligence electric car, mainly uses insults the positive 61 board mon

4、olithic integrated circuit to control the car exertion.this intelligent voice control car may realize the advance, annals of zuo, the right-turn, the backlash, after left transfers, after right transfers, functions and so on rectangular movement, entire process or voice control, and may realize the

5、velocity modulation also can when the advance can broadcast music, such tentative plan is very novel and unique. 第一部分 設(shè)計任務(wù)與要求 1.1 任務(wù)任務(wù) 設(shè)計并制作一個智能聲控小車，使用凌陽 61 板并用它的語音功能控制小車 的行使，并且小車在行使中播放音樂。 1.2 功能及要求功能及要求 1.2.1 通過聲音來控制小車的動作，可以實現(xiàn)前進，后退，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)，左 后轉(zhuǎn)，右后轉(zhuǎn)等基本動作。 1.2.2 利用聲控實現(xiàn)走圓形路徑和方形路徑，在行使功能之前先播放音樂。 1.2.3 小車在

6、前進，左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)時，小車實現(xiàn)慢速行駛。 1.2.4 車體以凌陽迷你型賽車為限，單片機用 spce061a 第二部分 方案的分析與論證 2.1 主控系統(tǒng)分析與論證主控系統(tǒng)分析與論證 方案設(shè)計與論證方案設(shè)計與論證 本系統(tǒng)為典型的實時控制系統(tǒng)，易用單片機控制來實現(xiàn)，這里以凌陽 spce061a 單片機為主控元件，提出兩種設(shè)計方案。 方案一方案一 采用凌陽 spce061a 十六位單片機，對小車的整個行駛過程進行實時監(jiān)控， 完成我們設(shè)計的功能需要 4 個 i/o 口，由于凌陽 spce061a 單片機提供 32 個 i/o 口，一片即可實現(xiàn)所有功能，這為設(shè)計過程提供了極大方便。其主要設(shè)計 思想是：在車

7、體的控制板上連接凌陽 spce061a 單片機使小車可以語音遙控，使 用分組識別方法編程，實現(xiàn)多指令運動，利用 iob8、iob9、iob10 、iob11 用 掃描的方式來控制 10 條指令，并利用程序完成小車的預(yù)定軌跡運動；利用單片 機的 iob8 、iob9 產(chǎn)生控制調(diào)速的脈寬和控制小車行駛速度，用凌陽 spce061a 十六位單片機的 timea 和 timeb 很容易實現(xiàn)脈寬調(diào)制，這大大加強了用脈寬調(diào) 制控制加減速的可選性，這種方案可以使程序簡單，易于控制。 方案二方案二 此方案也采用凌陽 spce061a 十六位單片機，與第一種方案不同之處在于利 用單片機的 iob8-iob13

8、控制直流斬波電路選擇小車的正、反向和加、減速行駛； 凌陽 spce061a 十六位單片機提供了豐富的時基信源和時基中斷，給設(shè)計者以大 量的選擇空間，并給設(shè)計者提供精確的時基計數(shù)，其加減速通過大功率電阻消 耗功率來實現(xiàn)，但對直流斬波電路要求較高，并且實現(xiàn)難度比較大。 結(jié)論：我們選第一個方案。 2.22.2 機械系統(tǒng)分析與論證機械系統(tǒng)分析與論證 本題目要求小車的機械系統(tǒng)穩(wěn)定、簡單，而四輪運動系統(tǒng)具備以上特點。 我們使用的是凌陽公司生產(chǎn)的迷你型賽車： 2.2.1 驅(qū)動部分：小車自帶的直流電機驅(qū)動后輪，其電機性能很好，可 以很好的驅(qū)動小車實現(xiàn)各種功能，故我們沒有進行重新焊接驅(qū)動部分的電路板， 2.2.

9、2 轉(zhuǎn)向部分：我們使用了小車的自帶轉(zhuǎn)向系統(tǒng)。實際使用中發(fā)現(xiàn)其 性能很好。原理如圖 2.2.1： 圖 2.2.1 轉(zhuǎn)向機械原理 2.2.3 車體：由于小車底盤為塑料材質(zhì)，將電池放置在車體的正下方，并 將電池蓋用螺絲擰緊，以避免車體中部承受過多壓力，同時可增加驅(qū)動輪的抓 地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。 2.32.3 電機驅(qū)動模塊分析與論證電機驅(qū)動模塊分析與論證 2.3.1 后輪電機驅(qū)動模塊后輪電機驅(qū)動模塊 方案一：采用橋式可逆斬波電路對電動機的開或關(guān)進行控制,通過對 igbt 開關(guān)切換對小車的速度進行調(diào)整.此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是橋式可逆 斬波電路的響應(yīng)時間慢,可靠性不高。 方案二：通

10、過 pwm 脈寬調(diào)制的方法,實現(xiàn)對小車速度的控制。這種調(diào)速方 式可使用凌陽 spce061a 自帶的 pwm 輸出，實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動 和反轉(zhuǎn)。 結(jié)論結(jié)論：決定采用 pwm 脈寬調(diào)制的方法控制直流電機。 2.3.2 轉(zhuǎn)向控制模塊轉(zhuǎn)向控制模塊 方案一：采用普通電機控制電動機的轉(zhuǎn)向,雖然此種電機的控制很簡單,但是 其不能實現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向。 方案二：用步進電機來控制電動車的轉(zhuǎn)向,此方法的優(yōu)點是轉(zhuǎn)向算法易實現(xiàn) 且能實現(xiàn)具體角度的轉(zhuǎn)向,可靠性較高,但步進電機價格較高，且本設(shè)計對方向的 左前輪 右前輪 電機 連桿 電機 控制要求也不是那么嚴(yán)格，故我們選用方案一。 第三部分 系統(tǒng)原理框圖 經(jīng)過方案論

11、證的過程之后，我們選定了僅采用單片機作為核心部件的方案， 其系統(tǒng)總方框圖如圖 3.0.0 所示。 具體的功能設(shè)置已通過該圖做了直觀的說明。 第四部分 系統(tǒng)硬件設(shè)計 4.1后輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計后輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計 后輪采用普通直流電機，通過控制脈沖占空比算法,實現(xiàn)對小車速度的控制。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、帶載能力大，能承受 頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。 圖 3.0.0 系統(tǒng)總原理框 spce061 語音控 制模塊 方向控制電 機驅(qū)動器 主軸電機 驅(qū)動器 調(diào)速系統(tǒng)分析與論證：調(diào)速系統(tǒng)分析與論證： 1調(diào)速論證調(diào)速論證： 電機分析： 由直

12、流電機調(diào)速公式：n=un/ce-iara/ce可知直流電機的調(diào)速基本上有三種 方法：.改變電源電壓,.電樞回路電阻，即改變ra,.減弱磁通。由 于是玩具電動車電機是永磁性電機，其勵磁是無法改變的，故選用方案和. 分別如圖1，圖2 由于受電機電樞額定電壓及換相等問題的限制，只可能減小電源電壓來達(dá) 到調(diào)樞的目的。有電機的轉(zhuǎn)速-轉(zhuǎn)矩特性曲線可以分析得：電源電壓降低，轉(zhuǎn)速 也隨之降低，若拖動恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載（如電動小車），電動機運行于不同的轉(zhuǎn)速上， 電動機的電樞電流ia也是不變的，因為： 電磁轉(zhuǎn)距 t=ctia=tl 電樞電流 ia=tl/ct 因此，tl=常數(shù)時，ia=常數(shù)。即：ia與電機轉(zhuǎn)速無關(guān)。再者電

13、動機的機械特性 的硬度較硬，且不隨電壓的變化而變化。這樣就更加容易穩(wěn)定電機的運行。即 使轉(zhuǎn)距變化電機的速度變化也是很小的。當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時，轉(zhuǎn)速的變化 也是連續(xù)的，這就可以實現(xiàn)無極調(diào)速，能很好的適應(yīng)不同時候的轉(zhuǎn)速要求。 2 后電機h橋的工作原理： h橋有四個臂分別為b1、b2、b3、b4，分別對應(yīng)圖 2.7中的 q2、q3、q7、q8。四個臂分為兩組q2、q3和q7、q8，每一組的兩個臂都是同時 導(dǎo)通，同時關(guān)斷的。如果讓q2、q3導(dǎo)通q7、q8關(guān)斷，電流會流經(jīng)q3、負(fù)載、q2 組成的回路，加在負(fù)載load兩端的電壓左正右負(fù)，此時電機正轉(zhuǎn)；如果讓 q7、q8導(dǎo)通q2、q3關(guān)斷，電流會流經(jīng)q8

14、、負(fù)載、q7組成的回路，加在負(fù)載load 兩端的電壓為左負(fù)右正，此時電機反轉(zhuǎn)。另外如果讓q2、q3關(guān)斷q7、q8也關(guān)斷， 負(fù)載load兩端懸空，此時電機停轉(zhuǎn)。這樣就實現(xiàn)了后電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止 三態(tài)控制。 3pwm輸出調(diào)速信號 pwm（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常 配合橋式驅(qū)動電路實現(xiàn)直流電機調(diào)速， 非常 簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就 是直流斬波原理。如圖1所示， 若s3、s4 關(guān)斷，s1、s2受pwm控制，假設(shè)高電平 導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗， 則在一個周期 內(nèi)的導(dǎo)通時間為t，周期為t，則電機兩端的平均電壓為： u=vcc t/ t=vcc ，其中，=t/t稱為占空比，vcc為電源電壓（電源電壓

15、減去兩個 開關(guān) 管的飽和壓降） 。 電機的轉(zhuǎn)速與電機兩端的電壓成比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比 成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占 空比1時，電機轉(zhuǎn)速最大。 我們使用的是凌陽公司的 spce061 單片機，它是 16 位單片機，頻率最高達(dá) 到 49mhz，可提供 2 路 pwm 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比 16 級可調(diào)，控制電機 的調(diào)速范圍大，使用方便。spce061 單片機有 32 個 i/o 口， 內(nèi)部設(shè)有 2 個獨 立的計數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的 pwm 信號輸出，用以 控制電機調(diào)速。如果需要調(diào)速，我們利用程序使端口產(chǎn)生 p

16、wm 波形，調(diào)用 spce061a 的 pwm 資源，通過調(diào)節(jié) pwm 的占空比來實現(xiàn)速度的調(diào)節(jié)。當(dāng) iob11iob8 輸出的邏輯電平組合為“0001”時，加在后輪電機上的驅(qū)動電壓為 vcc；而當(dāng) iob11iob8 輸出“0000”時，加在后電機上的電壓為 0v。如果交替 地向端口送“0001”和“0000”兩種組合（pwm 輸出端口自動實現(xiàn)） ，那么加在 小車電機兩端的電壓就在 vcc 和 0v 之間不停的跳變，對應(yīng)的電機電壓波 如下 圖： 4.2 前輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計前輪電機驅(qū)動模塊設(shè)計 前電機前電機h橋的工作原理橋的工作原理：h橋有四個臂分別為b1、b2、b3、b4，分別對應(yīng)圖 2.

17、7中 的q2、q3、q7、q8。四個臂分為兩組q2、q3和q7、q8，每一組的兩個臂都是同時導(dǎo)通， 同時關(guān)斷的。如果讓q2、q3導(dǎo)通q7、q8關(guān)斷，電流會流經(jīng)q3、負(fù)載、q2組成的回路，加 在負(fù)載load兩端的電壓左正右負(fù)，如圖 2.8所示，此時電機正轉(zhuǎn)；如果讓q7、q8導(dǎo)通 q2、q3關(guān)斷，電流會流經(jīng)q8、負(fù)載、q7組成的回路，加在負(fù)載load兩端的電壓為左負(fù)右 正，此時電機反轉(zhuǎn)，對應(yīng)圖 2.9所示。另外如果讓q2、q3關(guān)斷q7、q8也關(guān)斷，負(fù)載load 兩端懸空，此時電機停轉(zhuǎn)。這樣就實現(xiàn)了前電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止三態(tài)，以實現(xiàn)小車的 左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直走的方向控制。 t 0 u 由于q2、q3，

18、q7、q8的導(dǎo)通和關(guān)斷是通過q1、q6控制，而q1、q6的導(dǎo)通 和關(guān)斷又是通過mot1（iob10）、mot2（iob11）控制的，所以電機的狀態(tài) 還是通過i/o端口來控制的。下表描述了iob10和iob11所控制電機運行狀態(tài)與 端口數(shù)據(jù)的對應(yīng)關(guān)系 表 i/o端口狀態(tài)與電機運行狀態(tài)的對應(yīng)關(guān)系。 iob11iob10 q1 q6 q2、q3 q7、q8 電機 00 關(guān)斷 關(guān)斷 關(guān)斷 關(guān)斷 停轉(zhuǎn) 01 導(dǎo)通 關(guān)斷 導(dǎo)通 關(guān)斷 反轉(zhuǎn) 10 關(guān)斷 導(dǎo)通 關(guān)斷 導(dǎo)通 正轉(zhuǎn) 小車的運動是靠輪子帶動的，而輪子的轉(zhuǎn)動是靠電機帶動的，所以在確定 了電機的運行狀態(tài)之后就能夠推斷出小車的運行狀態(tài)。下面是小車運行狀態(tài)

19、與 61板端口數(shù)值對照表（表 2.2）： 表 小車的動作和端口輸出對照表 iob11iob8 前電機 后電機 小車 0000 停轉(zhuǎn) 停轉(zhuǎn) 停止 0001 停轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前進 0010 停轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退 0101 正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左前轉(zhuǎn) 1001 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右前轉(zhuǎn) 0110 正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)左后轉(zhuǎn) 1010 反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn) 右后轉(zhuǎn) 、 第五部分 系統(tǒng)軟件設(shè)計 5.1 語音識別原理簡介語音識別原理簡介： 語音識別主要分為“訓(xùn)練”和“識別”兩個階段。在訓(xùn)練階段，單片機對采集到 的語音樣本進行分析處理，從中提取出語音特征信息，建立一個特征模型；在 識別階段，單片機對采集到的語音樣本也進行類似的分析處理，提取出語音的 特征信息，然后

20、將這個特征信息模型與已有的特征模型進行對比，如果二者達(dá) 到了一定的匹配度，則輸入的語音被識別。 語音識別的具體流程如下圖所示： 5.2、程序總體流程圖、程序總體流程圖 流程說明：語音識別小車的程序流程如上圖所示，分為四大部分來說明： 初始化部分、訓(xùn)練部分、識別部分、重訓(xùn)操作。 初始化部分：初始化操作將iob11iob8設(shè)置為輸出端，用以控制電機，將 ioa的低8位設(shè)置為下拉的輸入端，用來連接按鍵。 訓(xùn)練部分：訓(xùn)練部分完成的工作就是建立語音模型。程序一開始就會去判 斷小車是否被訓(xùn)練過，如果沒有訓(xùn)練過則會要求對其進行訓(xùn)練，并且會在訓(xùn)練 成功之后將訓(xùn)練的模型存儲到flash當(dāng)中，在以后使用時就不需要

21、重新訓(xùn)練了； 如果已經(jīng)訓(xùn)練過會把存儲在flash中的模型調(diào)出來裝載到辨識器中。 識別部分：在識別環(huán)節(jié)當(dāng)中，如果辨識結(jié)果是名字，直接置待命標(biāo)志，然 后等待動作命令。只有檢測到待命標(biāo)志，小車才會根據(jù)相應(yīng)的辨識結(jié)果執(zhí)行動 作，如果沒有待命標(biāo)志即使識別到動作命令也不會執(zhí)行動作。小車在執(zhí)行完對 應(yīng)的命令之后，將清除待命標(biāo)志，結(jié)束待命狀態(tài)。 重訓(xùn)操作：考慮到有重新訓(xùn)練的需求，所以在這里設(shè)置了重新訓(xùn)練的按鍵， 程序運行時循環(huán)掃描該按鍵，什么時間檢測到此鍵按下，則將擦除語音模型存 儲區(qū)首單元（0 xe000）所在的頁，等待復(fù)位到來。復(fù)位后，程序重新從頭開始 執(zhí)行，當(dāng)檢測到語音模型存儲區(qū)首地址為0 xffff（擦除后的值）時會要求重新對 其進行訓(xùn)練。 以語音識別程序（car_demo）為例，說明語音識別小車的實現(xiàn)過程，下圖 第六部分第六部分 系統(tǒng)檢測與整機指標(biāo)系統(tǒng)檢測與整機指標(biāo) 本系統(tǒng)經(jīng)測試運行效果良好，達(dá)到了預(yù)期的目的，語音控制和音頻播放帶 給人耳目一新的感覺。為了更好的實現(xiàn)語音辨識，本系統(tǒng)機械性能要求較高， 噪聲不能太大，行使速度不宜太快。 第七部分第七部分 參考資料與文獻參考資料與文獻 spce061a 單片機原理及其應(yīng)用技術(shù) dsp 理論基