电子设计竞赛论文-智能声控小车.doc

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1、 目录目录 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 设计任务及要求设计任务及要求 一、任务4 二、功能和要求.4 第二部分第二部分 方案分析与论证方案分析与论证 一、主控系统分析与论证4 二、机械系统分析与论证5 三、电机驱动模块分析与论证6 第三部分第三部分 系统原理框图系统原理框图7 第四部分第四部分 系统硬件设计系统硬件设计 一、后轮电机驱动模块设计7 二、前轮电机驱动模块设计10 第五部分第五部分 系统软件设计系统软件设计 一 语音识别原理简介12 二、程序总体流程图13 第六部分第六部分 系统检测与整机指标系统检测与整机指标15 第七部分第七部分

2、参考资料与文献参考资料与文献15 第八部分第八部分 总结与致谢总结与致谢 15 摘要（中文）摘要（中文） 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。本 次设计为声控智能电动车，主要采用凌阳 61 板单片机控制小车的 行使。这部智能的声控小车可以实现前进，左传，右转，后退，左 后转，右后转，矩形运动等功能，整个过程还是声控的，并且可以 实现调速且能在前进时能播放音乐，这样的设想很新颖独特。 关键词关键词 语音识别语音识别 智能声控智能声控 SPCE061A 摘要（英文）摘要（英文） Along with the electro

3、nics 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 monolit

4、hic 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 velo

5、city modulation also can when the advance can broadcast music, such tentative plan is very novel and unique. 第一部分 设计任务与要求 1.1 任务任务 设计并制作一个智能声控小车，使用凌阳 61 板并用它的语音功能控制小车 的行使，并且小车在行使中播放音乐。 1.2 功能及要求功能及要求 1.2.1 通过声音来控制小车的动作，可以实现前进，后退，左转，右转，左 后转，右后转等基本动作。 1.2.2 利用声控实现走圆形路径和方形路径，在行使功能之前先播放音乐。 1.2.3 小车在前进，左

6、转，右转时，小车实现慢速行驶。 1.2.4 车体以凌阳迷你型赛车为限，单片机用 SPCE061A 第二部分 方案的分析与论证 2.1 主控系统分析与论证主控系统分析与论证 方案设计与论证方案设计与论证 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 SPCE061A 单片机为主控元件，提出两种设计方案。 方案一方案一 采用凌阳 SPCE061A 十六位单片机，对小车的整个行驶过程进行实时监控， 完成我们设计的功能需要 4 个 I/O 口，由于凌阳 SPCE061A 单片机提供 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：在车体的控制

7、板上连接凌阳 SPCE061A 单片机使小车可以语音遥控，使 用分组识别方法编程，实现多指令运动，利用 IOB8、IOB9、IOB10 、IOB11 用 扫描的方式来控制 10 条指令，并利用程序完成小车的预定轨迹运动；利用单片 机的 IOB8 、IOB9 产生控制调速的脉宽和控制小车行驶速度，用凌阳 SPCE061A 十六位单片机的 TimeA 和 TimeB 很容易实现脉宽调制，这大大加强了用脉宽调 制控制加减速的可选性，这种方案可以使程序简单，易于控制。 方案二方案二 此方案也采用凌阳 SPCE061A 十六位单片机，与第一种方案不同之处在于利 用单片机的 IOB8-IOB13 控制直流

8、斩波电路选择小车的正、反向和加、减速行驶； 凌阳 SPCE061A 十六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，但对直流斩波电路要求较高，并且实现难度比较大。 结论：我们选第一个方案。 2.22.2 机械系统分析与论证机械系统分析与论证 本题目要求小车的机械系统稳定、简单，而四轮运动系统具备以上特点。 我们使用的是凌阳公司生产的迷你型赛车： 2.2.1 驱动部分：小车自带的直流电机驱动后轮，其电机性能很好，可 以很好的驱动小车实现各种功能，故我们没有进行重新焊接驱动部分的电路板， 2.2.2 转向

9、部分：我们使用了小车的自带转向系统。实际使用中发现其 性能很好。原理如图 2.2.1： 图 2.2.1 转向机械原理 2.2.3 车体：由于小车底盘为塑料材质，将电池放置在车体的正下方，并 将电池盖用螺丝拧紧，以避免车体中部承受过多压力，同时可增加驱动轮的抓 地力，减小轮子空转所引起的误差。 2.32.3 电机驱动模块分析与论证电机驱动模块分析与论证 2.3.1 后轮电机驱动模块后轮电机驱动模块 方案一：采用桥式可逆斩波电路对电动机的开或关进行控制,通过对 IGBT 开关切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是桥式可逆 斩波电路的响应时间慢,可靠性不高。 方案二：通过 PW

10、M 脉宽调制的方法,实现对小车速度的控制。这种调速方 式可使用凌阳 SPCE061A 自带的 PWM 输出，实现频繁的无级快速启动、制动 和反转。 结论结论：决定采用 PWM 脉宽调制的方法控制直流电机。 2.3.2 转向控制模块转向控制模块 方案一：采用普通电机控制电动机的转向,虽然此种电机的控制很简单,但是 其不能实现精确的转向。 方案二：用步进电机来控制电动车的转向,此方法的优点是转向算法易实现 且能实现具体角度的转向,可靠性较高,但步进电机价格较高，且本设计对方向的 左前轮 右前轮 电机 连杆 电机 控制要求也不是那么严格，故我们选用方案一。 第三部分 系统原理框图 经过方案论证的过程

11、之后，我们选定了仅采用单片机作为核心部件的方案， 其系统总方框图如图 3.0.0 所示。 具体的功能设置已通过该图做了直观的说明。 第四部分 系统硬件设计 4.1后轮电机驱动模块设计后轮电机驱动模块设计 后轮采用普通直流电机，通过控制脉冲占空比算法,实现对小车速度的控制。 这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、带载能力大，能承受 频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。 图 3.0.0 系统总原理框 SPCE061 语音控 制模块 方向控制电 机驱动器 主轴电机 驱动器 调速系统分析与论证：调速系统分析与论证： 1调速论证调速论证： 电机分析： 由直流电机调

12、速公式：n=Un/Ce-IaRa/Ce可知直流电机的调速基本上有三种 方法：.改变电源电压,.电枢回路电阻，即改变Ra,.减弱磁通。由 于是玩具电动车电机是永磁性电机，其励磁是无法改变的，故选用方案和. 分别如图1，图2 由于受电机电枢额定电压及换相等问题的限制，只可能减小电源电压来达 到调枢的目的。有电机的转速-转矩特性曲线可以分析得：电源电压降低，转速 也随之降低，若拖动恒转矩负载（如电动小车），电动机运行于不同的转速上， 电动机的电枢电流Ia也是不变的，因为： 电磁转距 T=CtIa=TL 电枢电流 Ia=TL/Ct 因此，TL=常数时，Ia=常数。即：Ia与电机转速无关。再者电动机的机

13、械特性 的硬度较硬，且不随电压的变化而变化。这样就更加容易稳定电机的运行。即 使转距变化电机的速度变化也是很小的。当电源电压连续变化时，转速的变化 也是连续的，这就可以实现无极调速，能很好的适应不同时候的转速要求。 2 后电机H桥的工作原理： H桥有四个臂分别为B1、B2、B3、B4，分别对应图 2.7中的 Q2、Q3、Q7、Q8。四个臂分为两组Q2、Q3和Q7、Q8，每一组的两个臂都是同时 导通，同时关断的。如果让Q2、Q3导通Q7、Q8关断，电流会流经Q3、负载、Q2 组成的回路，加在负载Load两端的电压左正右负，此时电机正转；如果让 Q7、Q8导通Q2、Q3关断，电流会流经Q8、负载、

14、Q7组成的回路，加在负载Load 两端的电压为左负右正，此时电机反转。另外如果让Q2、Q3关断Q7、Q8也关断， 负载Load两端悬空，此时电机停转。这样就实现了后电机的正转、反转、停止 三态控制。 3pwm输出调速信号 PWM（脉冲宽度调制）控制，通常 配合桥式驱动电路实现直流电机调速， 非常 简单，且调速范围大，它的原理就 是直流斩波原理。如图1所示， 若S3、S4 关断，S1、S2受PWM控制，假设高电平 导通，忽略开关管损耗， 则在一个周期 内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压为： U=Vcc t/ T=Vcc ，其中，=t/T称为占空比，Vcc为电源电压（电源电压减去两个

15、 开关 管的饱和压降） 。 电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比 成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占 空比1时，电机转速最大。 我们使用的是凌阳公司的 SPCE061 单片机，它是 16 位单片机，频率最高达 到 49MHz，可提供 2 路 PWM 直接输出，频率可调，占空比 16 级可调，控制电机 的调速范围大，使用方便。SPCE061 单片机有 32 个 I/O 口， 内部设有 2 个独 立的计数器，完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的 PWM 信号输出，用以 控制电机调速。如果需要调速，我们利用程序使端口产生 PWM 波

16、形，调用 SPCE061A 的 PWM 资源，通过调节 PWM 的占空比来实现速度的调节。当 IOB11IOB8 输出的逻辑电平组合为“0001”时，加在后轮电机上的驱动电压为 VCC；而当 IOB11IOB8 输出“0000”时，加在后电机上的电压为 0V。如果交替 地向端口送“0001”和“0000”两种组合（PWM 输出端口自动实现） ，那么加在 小车电机两端的电压就在 VCC 和 0V 之间不停的跳变，对应的电机电压波 如下 图： 4.2 前轮电机驱动模块设计前轮电机驱动模块设计 前电机前电机H桥的工作原理桥的工作原理：H桥有四个臂分别为B1、B2、B3、B4，分别对应图 2.7中 的

17、Q2、Q3、Q7、Q8。四个臂分为两组Q2、Q3和Q7、Q8，每一组的两个臂都是同时导通， 同时关断的。如果让Q2、Q3导通Q7、Q8关断，电流会流经Q3、负载、Q2组成的回路，加 在负载Load两端的电压左正右负，如图 2.8所示，此时电机正转；如果让Q7、Q8导通 Q2、Q3关断，电流会流经Q8、负载、Q7组成的回路，加在负载Load两端的电压为左负右 正，此时电机反转，对应图 2.9所示。另外如果让Q2、Q3关断Q7、Q8也关断，负载Load 两端悬空，此时电机停转。这样就实现了前电机的正转、反转、停止三态，以实现小车的 左转、右转、直走的方向控制。 t 0 U 由于Q2、Q3，Q7、Q

18、8的导通和关断是通过Q1、Q6控制，而Q1、Q6的导通 和关断又是通过MOT1（IOB10）、MOT2（IOB11）控制的，所以电机的状态 还是通过I/O端口来控制的。下表描述了IOB10和IOB11所控制电机运行状态与 端口数据的对应关系 表 I/O端口状态与电机运行状态的对应关系。 IOB11IOB10 Q1 Q6 Q2、Q3 Q7、Q8 电机 00 关断 关断 关断 关断 停转 01 导通 关断 导通 关断 反转 10 关断 导通 关断 导通 正转 小车的运动是靠轮子带动的，而轮子的转动是靠电机带动的，所以在确定 了电机的运行状态之后就能够推断出小车的运行状态。下面是小车运行状态与 61

19、板端口数值对照表（表 2.2）： 表 小车的动作和端口输出对照表 IOB11IOB8 前电机 后电机 小车 0000 停转 停转 停止 0001 停转正转前进 0010 停转反转后退 0101 正转正转左前转 1001 反转 正转 右前转 0110 正转反转左后转 1010 反转反转 右后转 、 第五部分 系统软件设计 5.1 语音识别原理简介语音识别原理简介： 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的分析处理，提取出语音的 特征信息，然后将这个特

20、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下图所示： 5.2、程序总体流程图、程序总体流程图 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IOB11IOB8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Flash当中，在以后使用时就不需要重新训练

21、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0xffff（擦除后的值）

22、时会要求重新对 其进行训练。 以语音识别程序（Car_Demo）为例，说明语音识别小车的实现过程，下图 第六部分第六部分 系统检测与整机指标系统检测与整机指标 本系统经测试运行效果良好，达到了预期的目的，语音控制和音频播放带 给人耳目一新的感觉。为了更好的实现语音辨识，本系统机械性能要求较高， 噪声不能太大，行使速度不宜太快。 第七部分第七部分 参考资料与文献参考资料与文献 SPCE061A 单片机原理及其应用技术 DSP 理论基础于应用技术 电子实习指导书 凌阳 16 位单片机 C 语言程序设计 凌阳 16 位单片机应用基础 参考网站 第八部分第八部分 总结与致谢总结与致谢 经过着五天艰苦

23、却很充实的制作与培训，使我们感受颇多，并且收获了许多。 从中我们学到了许多课本上学不到的知识，更学会了分析，学会了坚持，学会 了忍耐。这次培训不仅锻炼了我们的动手能力，激发了我们的创新思维，提高 了我们的团队合作精神，而且培养了我们面对挫折勇于克服的意志品质和吃苦 耐劳的精神。我们也深深的体会到理论结合实际的重要性，体会到知识是无尽， 激发我们去追求。经历了这次全新的学习和实践的过程后 ，我们深深的感悟到 了“学海无涯”的真正含义，我们要学习的知识真的是太多太多了！但我们也 暗自庆幸，我们已经意识到了，并开始了积极的“充电” ，我们感激有这么好的 机会参加这次五一的培训，虽然不能回家甚至不能休

24、息，但我们知道这会更有 意义和价值；并且我们感慨时间飞逝，短短的培训竟已接近尾声。 在这次实践中，我们对单片机有了很深的理解，而且能够还学会了应用 C 语 言自己编写程序。对于焊接 61 板，我们掌握了电烙铁的使用方法，懂得了各种 零件的检查、检测方法，熟悉了各种仪表的使用。在对硬件电路连接中，我们 学会了用各种方法来分析电路及其性能，这样不知不觉之中便把各种知识融入 其中。 我们非常感激有如此好的老师，他们放弃了这珍贵的五一长假，细心的给 我们进行讲解和辅导；我们感激学校给我们这样一个认识自我提高自我的机会， 我们感激有这么好的环境和设备进行学习和制作。 要感谢的真的是太多太多了，我们会在以后的工作与学习中继续努力，用我 们的实际行动来回报老师和一切支持和鼓励我们的人们。