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小车
【摘要】在最近几年,随科学技术的进步,智能化和自动化技术越来越普及。
各种高科技也广泛应用于玩具制造领域,使其娱乐性和互动性不断提高。
本文主要以SPCE061A为基础介绍了如何应用SPCE061A芯片进行语音控制小车的硬件和软件设计。
首先介绍了SPCE061A的主要性能及其引脚的功能,然后在硬件上为了满足其运行条件设计了电源电路、复位电路、键盘电路等;为了实现语音控制,设计了MIC输入电路,SPEAKER输出电路;为了实现对步进电机的控制,设计了电机行驶控制电路板。
在软件编程上,设计了相应的程序语句来实现这些硬件的功能。
设计和调试表明,在环境背景噪音不太大,MIC接受距离不太远,控制者的发音清晰的前提下,语音控制小车能对特定的语音指令做出反应,实现预定的功能,做出预想中的有限的动作。
【关键词】语音识别智能小车无线遥控
Abstract:
Inrecentyears,withscientificandtechnologicalprogress,intelligenceandautomationtechnologybecomesmorewidelyavailable.Techisalsowidelyusedinthemanufactureoftoys,itentertainingandinteractiverising.
ThisarticlemainlytakesSPCE061Aasafoundation,andintroduceshowtocarryonthehardwareandthesoftwaredesignofthevoicecontrolledcarwiththeapplicationoftheSPCE061Achip.
ThisarticlefirstintroducesSPCE061A’smainperformanceanditspinfunction,inordertosatisfyitsworkingcondition,Idesignthepowercircuit、theresetcircuit、thekeyboardcircuitandsoon;Inordertorealizethevoicecontrol,IdesigntheMICinputcircuit,theSPEAKERoutputcircuit;Inordertorealizethecontroltostepmotor,Idesignthemotorcontrolcircuit.Atthesametime,Ialsodesignedthecorrespondingprocedurestatementtorealizethesehardwarefunctions.
Thedesignandthedebuggingindicatesthat,whenweuseitunderthepremisesthatthebackgroundnoiseisnottoobig,theMICacceptsrangeisnottoofar,andthemaster'spronunciationisclear,thisvoicecontrolledcarcanmakethepresetresponsestothespecificvoicecommands,realizesthelimitedmovements.
Keywords:
IntelligentCarSpeechRecognitionwirelessremotecontrol
第一章绪论
根据美国玩具协会的调查统计,近年来全球玩具销量增幅与全球平均GDP增幅大致相当。
而全球玩具市场的内在结构比重却发生了重大变化:
传统玩具的市场比重下在逐步缩水,高科技含量的电子玩具则蒸蒸日上。
美国玩具市场的高科技电子玩具的年销售额2004年较2003年增长52%,而传统玩具的年销售额仅增长3%。
英国玩具零售商协会选出的2001年圣诞最受欢迎的十大玩具中,在七款玩具配有电子元件。
从这些数字可以看出,高科技含量的电子互动式玩具已经成为玩具行业发展的主流。
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。
该小车的传统的手动遥控小车的机械部分做了改进,使之可以实现任意角度转向和以任意速度前进,而不象一般的小车那样只能以固定角度转向和以固定速度前进,因此更加接近真实的车辆。
本文还在小车的控制系统中采用语音识别系统,使控制者可以用语音对小车进行控制,产生相应的动作,而且小车和控制者还具有一定的交互功能。
所以说此次研究实践还是具有较强的实用性和发展前景。
1.1单片机概述
1.1.1单片机概述
单片机是单片微型计算机的简称,它是把组成微型计算机的各部件:
中央处理器、存储器、输入输出接口电路、定时器/计数器等制作在一块集成电路芯片中,构成一个完整的微型计算机。
从1971年Intel公司首次推出4004的4位单片微处理器以来,字长不断增加,现在普遍使用8位,并向16位过渡。
1.1.2单片机性能特点
单片机的性能特点有:
高集成度,在平方毫米级别的芯片上可制造上万个晶体管电路;结构紧凑,可靠性高;功耗小,成本低。
1.1.3单片机的应用
由于单片机超小型化,结构紧凑,可靠性高,价格低廉,在国民经济中得到了广泛的应用:
工业方面:
电机控制,工业机器人,过程控制,数字控制
仪器仪表:
智能仪器,医疗器械,色谱仪,示波器
民用方面:
电子玩具,电视游戏机,录像机,激光盘驱动
电讯方面:
调制解调器,智能线路运行控制
导航控制:
导弹控制,鱼雷制导,智能武器,航天导航
数据处理:
图形终端,彩色黑白复印机,硬盘驱动器,磁带机,打印机
汽车方面:
点火控制,ABS防滑,尾气排放控制
其他方面…
1.1.4单片机的发展趋势
单片机发展趋势:
增加存储器容量,片内EPROM开始EEPROM化,存储器编程保密化,片内I/O多功能化及低功耗CMOS化等。
1.2凌阳16位u’nSP&S482;系列单片机
1.2.1凌阳16位u’nSP&S482;系列单片机的结构
随着单片机MCU的发展,其应用领域也逐渐由传统的控制扩展到控制处理、数据处理以及数字信号处理(DigitalSignalProcessing,DSP)等领域.具有自主知识产权的台湾凌阳16位单片机是为适应单片机的功能集成化发展而设计的。
它的CPU内核采用台湾凌阳公司推出的16位微处理器芯片u’nSP&S482;,围绕u’nSP&S482;所形成的16位u’nSP&S482;系列单片机,采用的是模块式集成结构,以u’nSP&S482;内核为中心,集成不同规模的ROM,RAM和功能丰富的各种外设部件。
1.2.2凌阳16位u’nSP&S482;系列单片机的特点
1、体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展
u’nSP&S482;家族把各功能部件模块化地集成在一个芯片里,内部采用总线结构,因而减少了各功能部件之间的连线,提高了其可*性和抗干扰能力。
另外,模块化的结构易于系统扩展,以适应不同用户的需求。
2、具有较强的中断处理能力
具有较强的中断处理能力.u’nSP&S482;家族的中断系统支持10个中断向量及10余个中断源,适合实时应用领域.u’nSP&S482;家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口.另外u’nSP&S482;的指令系统提供具有较高运算速度的16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,使得u’nSP&S482;家族运用在复杂的数字信号处理方面,既便利又比专用DSP芯片价廉。
3、高性能价格比
u’nSP&S482;家族片内带有高寻址能力的ROM、静态RAM和多功能的I/O口。
另外,u’nSP&S482;的指令系统提供具有较高运算速度的16位×16位的乘法运算指令和内积运算指令,为其应用增添了DSP功能,使得u’nSP&S482;家族运用在复杂的数字信号处理方面既很便利,又比专用的DSP芯片廉价。
4、指令系统功能强效率高.
u’nSP&S482;的指令系统的指令格式紧凑,执行迅速,并且其指令结构提供了对高级语言的支持,这可以大大缩短产品的开发时间。
5、低功耗、低电压
u’nSP&S482;家族采用CMOS制造工艺,同时增加了软件激发的弱振方式、空闲方式和掉电方式,极大地降低了其功耗。
另外,u’nSP&S482;家族的工作电压范围大,能在低电压供电时正常工作,且能用电池供电。
这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。
第二章系统设计方案
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,则只要定时时间一到,中断服务程序就会发出指令让小车停下来。
本设计通过无线麦克对小车进行远程遥控,并利用车载的SPCE061A板进行语音控制,使小车具备智能性和互动性。
2.1SPCE061A特性简介
SPCE061A是一款性价比很高的十六位单片机,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。
该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。
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(ICE,In-CircuitEmulator)接口。
2.2语音控制小车设计要求
2.2.1功能要求:
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。
2.2.2参数说明
车体:
双电机两轮驱动
供电:
电池(四节AA:
1.2V×4或1.5V×4)
工作电压:
DC4V~6V
工作电流:
运动时约200mA
第三章硬件电路设计
3.1系统硬件设计
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。
系统的流程图如图所示
无线麦克(FM发射)
FM调频接收
SPCE061A(语音处理并发出控制命令)
令)
小车的方向控制桥路
和驱动控制桥路(控制小车的行动和转向)
小车的控制者发出控制命令如“前进”“后退”等时,首先通过其携带的无线麦克发送出去,并由小车上安装的调频接收部分解调出来并传递给单片机的麦克输入,单片机通过滤波处理之后通过器语音处理模块对接受到的命令与训练之后存储的命令进行比较,决定发给小车的控制命令,最终控制小车的运动。
整个控制过程的实现较为简单,可靠性也较高
3.2车体介绍
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。
所以又称前面的轮子为方向轮,后面的两个轮子为驱动轮。
3.21小车的机械结构和工作原理
小车的机械部分分为转向机械和驱动机械。
转向机械主要由转向电机、转向架和两个前轮组成。
驱动机械采用玩具小车常用的双电机驱动方案包括两个减速电机和两个后轮。
转向机械工作原理为:
转向时由控制者向小车发出转向信号,转向电机根据转向信号正向或反向旋转一定角度,电机通过齿轮、齿条系统带动转向架摆动一定角度,最终带动与转向架固定在一起的前轮偏摆一定角度。
小车在转向时由于内、外侧的车轮的转变半径不同,所以内外侧车轮的转速也不相同。
前轮为从动轮,会根据转变角度的大小自动调节内、外侧车轮的转速;而后轮为主动轮,其转速分别由两个电机独立驱动,不会根据转变半径自动调节转速。
因此小车转变时,控制系统在控制转向电机的同时还需要根据转向角度的大小向两个驱动电机发出控制信号,调节两个驱动电机的转速使之产生特定的转速比,从而使转弯顺利进行。
在这里,转弯的角度、转速经与小车的尺寸及转变半径有关。
小车的遥控系统
遥控系统包括两大部分,一部分是无线麦克的FM发射部分,用于将控制者的命令通过无线电波发送出去;部分位于小车上,用于接收遥控器发出的信号,并将解调出的语音信号传递给61板。
并由61来控制转向机构和驱动机构,使小车实现预期的动作,最终实现远程遥控。
3.3无线麦克的制作
3.31无线麦克的设计指标和方案
设计指标:
该无线发射话筒调谐在88~108MHz调频波段,发射距离30米左右,可用任何调频接收装置接受,且收到的声音清晰悦耳,无杂波干扰,对本地调频电台也无影响。
电路采用电容三点式振荡器,简单可靠,起振容易。
整个电路做在一块大小为9×10cm左右的电路板上,为了能长时间稳定工作,电路采用3V电池供电。
微调电感线圈的间隙,可以改变FM调频波的频率值。
设计方案:
设计方案示意图如图所示
信号源
输入换能设备
发送设备
3.32相关元器件简介
无线发射话筒所用元件列表如下所示
无线发射话筒所用元件列表
元件类别
元件序号
元件大小
元件封装
电阻
R1
16KΩ
AXIAL0.3
电阻
R2
16KΩ
AXIAL0.3
电阻
R3
33KΩ
AXIAL0.3
电阻
R4
100Ω
AXIAL0.3
电容
C1
202pF
RAD0.1
电容
C2
0.47uF
RAD0.2
电容
C3
36pF
RAD0.1
电容
C4
222pF
RAD0.1
电容
C5
68pF
RAD0.1
电容
C6
36pF
RAD0.1
电感
L1
0.07uH
2PORTS(自制)
NPN
Q1
2SC9018
TO-220
天线
E1
1PORT(自制)
电键
K
KEY-4P(自制)
电源
BT
3V
BT_BOX-5*2
话筒
MIC
2PORTS(自制)
其中L1电感线圈的选取,用直径为0.6mm的漆包线在普通的圆珠笔心上绕4圈,与C3并联谐振,经过计算频率大概在100MHz左右。
三极管用2SC9018高频小功率管,要求β≥100,放大系数过高容易产生不稳定,过低将不利于电路起振。
三极管有三个管脚,分别为基极(B),集电极(C),发射器(E)。
9018的外科为塑料,成半个圆柱形,如果将圆弧面朝下,那么最左边的那个管脚就是基极(B),从左到右就分别为基极(B),集电极(C),发射器(E)。
如果有万能表也可以测试得到。
以便焊接时辨认。
MIC采用微型超薄电容式话筒。
话筒的底端有两个引脚,分别为正极和负极
天线用一根8厘米左右的软线构成。
电源采用能放置两个AA电池(1.5V)电池盒组成,电池盒内部的一端两个电池槽之间是用导线相通的,另一端则分别引出两根导线,该端含有弹簧的管脚口是电源的负极,另一端为正极。
电键是含有四个管脚,但其中距离较大又相邻的两个管脚是一直都是导通,距离较近且相邻的两个管脚在电键没有按下去的状态下是开路的,按下按钮的时候才是导通的,故接入电路的为这两个管脚。
3.33无线麦克的硬件电路实现
无线发射话筒的原理电路图如图所示。
无线发射话筒的原理电路图
电路原理分析
本电路采用电容三点式振荡电路,R3是Q1的基极偏置电阻,给三极管提供一定的基极电流,使Q1工作在放大区,R4是直流反馈电阻,起到稳定三极管工作点的作用。
开始振荡时,这些电阻决定静态工作点,当振荡产生以后,由于晶体管的非线性及工作状态已进入截止区,电阻R4又起自偏压作用,从而限制和稳定了振荡的振幅。
当L1作为扼流电感时,又防止电源对回路的旁路作用,也可以用较大的电阻代替。
C4为去耦电容用于在电路电压起伏或者消失时稳定电路的电压。
话筒MIC可以采集外界的声音信号,这里我们用的是驻极体小话筒,灵敏度非常高,可以采集微弱的声音,同时这种话筒工作时必须要有直流偏压才能工作,话筒采集到的交流声音信号通过R1,C1;R2,C2构成高、低频阻容滤波器耦合到三极管的基极。
由于三极管的正反馈放大作用,L1,C3构成的高频振荡器的高频信号经C6等效反馈到三极管发射极。
两信号一同被三极管混频形成高频FM载波(88~108MHz),经C5传输到天线,由天线向周围空间发送FM信号。
这种调频话筒的调频原理是通过改变三极管的基极和发射极之间电容来实现调频的,当声音电压信号加到三极管的基极上时,三极管的基极和发射极之间电容会随着声音电压信号大小发生同步的变化,同时使三极管的发射频率发生变化,实现频率调制。
FM无线电台运作有关频率在88和108MHz之间.电容器C3和自制的电感构成一个LC环路,其发射频率将和FM调频接收装置的频率产生共振而被接收。
在振荡回路环路中,电容通过两极板在电场中储存电能,电感通过线圈在磁场中储存能量。
由法拉第电磁感应知道,变化的电场产生磁场,变化的磁场产生电场,而这边电场和磁场的变化都是以正弦波的形式传输的,所以在空间的,电场和磁场相互垂直传输。
从而达到发射效果。
电路中部分元件参数的计算
此次实验为无线发射话筒设计,要求设计的电路稳定性高,输出幅度较平稳,频率覆盖宽,因此采用改进型三端电容振荡电路。
3.34电路元器件参数的设定
LC谐振频率(即发射频率)的计算
本电路中的谐振频率就是发射频率,故发射频率f由电容C3和电感L1共同决定,频率的计算公式为f=1/(2π√LC)[Hz],其中L单位为H,C单位为F)所以本无线发射频率为f=1÷[2×3.14×(0.07×10-6×36×10-12)1/2]=100.3MHz。
天线长度计算
天线由一根10厘米左右的导线构成,它的长度大约为1/4的FM发射波波长。
FM发射波的传播速度用光速来计算。
而改发射器的发射频率接近108MHz。
所以天线长度的计算公式为:
L=3×108÷4÷f由上面的实际元件计算得出的频率为100.3MHz来计算得
L=3×108÷4÷(100.3×106)m=0.748m。
自制电感的电感值计算
自制电感的大小由线圈的半径r,长度x,和砸数n共同决定。
电感的计算公式为:
L=N2R2(0.229R+0.254X)[μH],(其中R和X的单位为米)。
本电感的砸数为4圈,长度为8mm,半径为3.5mm。
所以电感L=42×0.00352÷(0.229×0.0035+0.254×0.008=0.692μH≈0.07μH。
电路元器件参数的设计
R1,C1,R2,C2构成滤波器,设计时使得mic中输出高频信号时由R1,C1器连通作用,输出低频信号时由R2,C2起连通作用,因为截止频率f=1/√RC,所以取R1=R2=16k,则令C1=220pf,适应高频信号,C2=0.47uf,适应低频信号。
R3为偏置电阻,为达到静态工作点,可取R3=33k。
R4为负反馈电阻,一般R4两端电压为0.5U,经过R4电流为1~2mA,否则会导致反馈点过高或过低,所以取R4为1000。
L1,C3.C4可由计算电路的起振条件,相位平衡条件,幅度平衡条件求得。
用开环分析法,画出其微变等效电路(如图所示)。
Uf=U0(1/jwC4)/(1/(jwC3+1/jwL1)+(1/jwC4))B(w)=Uf/U0=(jwC3+1/jwC4)/(jwC4+jwC3+1/jwL1),
令Z=1/(1/(jwC3+1/jwL1)+1/jwC4)
U0=-Gm*Ui/(1/R0+1/Ri+1/Z)
==>
A(w)=U0/Ui=-Gm/(1/R0+1/Ri+1/Z)
A(w)*B(w)=-Gm(jwC3+1/jwL1)*(R0*Ri*jwC4*(jwC3+1/jwL1)/((jwC4+jwC3+1/jwL1)*((R0+Ri)(-w*wC3C4+C4/L1)+R0Ri(jwC3+1/jwL1)))
得相位平衡条件为:
(R0+Ri)(-w*wC3C4+C4/L1)=0
振荡角频率为:
w=√(1/L1C3)
幅度平衡条件为:
GmR0Ri*wC4(-w*w*C3*C3-1/w*w*L1*L1+2C3/L1)/R0Ri(-wC4-wC3+1/wL1)(-wC3+1/wL1)=1
此时一定满足起振条件,即A(w)*B(w)>1
Gm为9018中原有参数,w也只需适当即可
所以由以上两式可取
L1=0.07uH,C3=36pf,C4=68pf,C6=5pf。
3.35电路仿真
在EWB32中绘制的电路如图所示。
EWB中的电路图
发送幅度,接收幅度,发送频率,接收频率如图所示:
发送幅度的波形图
接受幅度
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