【正文】 .......................................................................................................................... 47 華科學院本科畢業(yè)設計（論文） 1 第 1 章 緒 論 選題的目的和意義 選題目的 通過設計一個用單片機控制的語音小車來熟悉模塊化編程方法，掌握 C 語言匯編語言的程序設計和調(diào)試方法，并理解單片機的原理、結(jié)構(gòu)、指令；運行模式及應用方法。以玩具市場為例，具有高科技含量的電子玩具、智能玩具發(fā)展迅猛，電子互動式、智能化玩具已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流。與機器進行語音交流，讓機器明白你說什么，這是人們長期以來夢寐以求的事情。近二十年來，語音識別技術(shù)取得顯著進步，開始從實驗室走向市場 。本文利用凌陽單片機設計一個具有語音識別功能的智能遙控小車。所以此次研究具有較強的實用性和發(fā)展前景。 聲控玩具車：進一步提高系統(tǒng)的濾噪性能，和識別的準確率，并利用已有的軟件開發(fā)出獨具特色的語音芯片，并將其集成在遙控上即可做出聲控玩具車。將芯片置于防盜門上，使之可以完成主人叫門即開門的功能。這于我們的系統(tǒng)是極其相似的。 聲控技術(shù)雖然是一項比較先進的技術(shù)。從發(fā)出指令到執(zhí)行指令，有一段延遲時間，雖已降低到盡可能的小，但還是很明顯。 2.、對環(huán)境的適應。這個不足之處還沒有很有效的解決方案。各人的發(fā)音不盡相同，因此該系統(tǒng)還限于單人識別。另外，多人識別，也沒有較為有效、成熟的算法供參考。使用了“前、后、左、右、?！蔽鍌€字作為小車行駛的指令。具體的項目制作過程分為兩部分：軟件部分和硬件部分。 語音控制小車的主要功能： 1. 可以通過簡單的 I/O 操作實現(xiàn)小車的前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)功能； 2. 配合 SPCE061A 的語音特色，利用系統(tǒng)的語音播放和語音識別資源，實現(xiàn)語音控制的功能； 3. 可以在行走過程中聲控改變小車運動狀態(tài)； 4. 在超出語音控制范圍時能夠自動停車。一個完整的語音識別系統(tǒng)可大致分為語音特征 提取、聲學模型與模式匹配 (識別算法 )和語義理解 3 部分。 圖 從圖中我們可以看出語音識別一般分為 2個步驟：第一步是系統(tǒng)“學習”或“訓練”階段，這一個階段的任務是建立識別基本單元的聲學模型以及進行文法分析的語言模型，即構(gòu)建參考模式庫；第二步是“識別”或“測試”階段，根據(jù)識別系統(tǒng)的類型選擇能夠滿足要求的識別方法，采用語音分析方法分析出這種識別方法所要求的語音特征參數(shù)，按照一定的準則和測度與參考模式庫中的模型進行比較，通過判決得出結(jié)果。 去噪端點檢測特征提取模式匹配參考模板結(jié)果識別語言輸入訓練參數(shù)修正輸出康虹：基于單片機的語言控制小車設計 4 圖 方案論證 采用 DSP+FPGA 方案 語音識別根據(jù)實際需要和應用場合的不同，可以分為孤立詞識別和連續(xù)語音識別、特定人識別和非特定人識別。現(xiàn)在應用于語音識別的芯片主要為 DSP(數(shù)字信號處理器 )芯片：如 TI 公司的TMS320 系列?？刂乒δ苋?，常需要與單片機或 FPGA (現(xiàn)場可編程門陣列 )結(jié)合 , 來實現(xiàn)人機交互 。這些將使整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)龐大 ,設計繁瑣 。該實現(xiàn)方案結(jié)構(gòu)如圖 所示。 CPU時鐘頻率為 0． 32～ 49． 152 MHz，具有較高的處理速度，可使 μ’n SPTM 能夠非常容易、快速地處理復雜的數(shù)字信號；擁有可編程音頻 處理；內(nèi)置 2 K Word 的 SRAM 和 32 K Word 的 FLASH； 2 個 16 位可編程定時器／計數(shù)器 (可自動預置初始計數(shù)值 )， 2 個 10 位 DAC 輸出通道， 32 位通用可編程輸入／輸出端口。 圖 SPCE061A的語音控制小車實現(xiàn)方案 本案采用采用 SPCE061A 實現(xiàn)語音控制小車方案。 圖中的語音輸入部分 MIC_ IN、按鍵輸入 KEY、聲音輸出部分的功率放大環(huán)節(jié)等已經(jīng)做到了精簡開發(fā)板 —— 61 板上，為我們使用提供了很大的方便。 系統(tǒng)控制方案 小車的運動控制采用語音控制和中斷定時控制相結(jié)合，通過語音觸發(fā)小車動作，小車動作之后，隨時可以通過語音指令改變小車的運動狀態(tài)。 康虹：基于單片機的語言控制小車設計 8 華科學院本科畢業(yè)設計（論文） 9 SPCE061A 芯片 MIC輸入 口 復位按鈕 控制按鈕 程序接 口 第 3 章 系統(tǒng)硬件設計 系統(tǒng)硬件總體設計 系統(tǒng)的硬件方面，由于大部分的功能實現(xiàn)都是在 61板上完成的，只有電機控制部分電路另外設計在一塊獨立的電路板上，我們稱之為控制板。 圖 總體設計框圖 圖 系統(tǒng)硬件框圖 MIC 濾波 KEY SPCE061A 功效 SPK 方向控制橋路 驅(qū)動控制橋路 方向電機 驅(qū)動電機 康虹：基于單片機的語言控制小車設計 10 系統(tǒng)各單元設計 控制單元設計 SPCE061A 最小系統(tǒng)中，包括 SPCE061A 芯片及其外圍的基本模塊，其中外圍的基本模塊有：晶振輸入模塊（ OSC） 、鎖相環(huán)外圍電路（ PLL） 、復位電路（ RESET） 、指示燈（ LED）等。這為實現(xiàn)語音錄入提供了方便的硬件條件。另外十六位單片機具有一套易學易用的指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境，在此環(huán)境中，它支持標準 C 語言編程，也支持 C 語言與匯編語言的互相調(diào)用。 SPCE061 是一款擁有 2KRAM、 32KFlash、 32個 I/O 口，并集成了 AD/DA 功能強大的 16 位微處理器，它還擁有豐富的語音處理功能，為小車的功能擴展提供了相當大的空間。 SPCE061A 是繼 amp。’ nSP?系列產(chǎn)品 SPCE500A 等之后凌陽科技推出的又一款 16 位華科學院本科畢業(yè)設計（論文） 11 結(jié)構(gòu)的微控制器。較高的處理速度使 amp。’ nSP?能夠非常容易地、快速地處理復雜的數(shù)字信號。micro。 SPCE061A 特性： 16 位μ’ nSP 微處理器； 工作電壓：內(nèi)核工作電壓 VDD 為 ~(CPU)， I/O 口工作電壓 VDDH 為 VDD~(I/O)； CPU 時鐘： ~； 內(nèi)置 2K字 SRAM； 內(nèi)置 32K 閃存 ROM； 可編程音頻處理； 晶體振蕩器； 系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下 (時鐘處于停止狀態(tài) )，耗電小于 ； 2 個 16 位可編程定時器 /計數(shù)器 (可自動預置初始計數(shù)值 )； 2 個 10 位 DAC(數(shù) 模轉(zhuǎn)換 )輸出通道； 32 位通用可編程輸入 /輸出端口； 14 個中斷源可來自定時器 A / B，時基， 2 個外部時鐘源輸入，鍵喚醒； 具備觸鍵喚醒的功能； 使用凌陽音頻編碼 SACM_S240 方式 ( 位 /秒 )，能容納 210 秒的語音數(shù)據(jù)； 鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號； 32768Hz 實時時鐘； 7 通道 10 位電壓模 數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC)和單通道聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器； 聲音模 數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風放大器和自動增益控制 (AGC)功能； 具備串行設備接口； 低電壓復位 (LVR)功和低電壓監(jiān)測 (LVD)功能； 內(nèi)置在線仿真板 另外， SPCE061A 單片機具有易學易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā) 環(huán)境。 精簡開發(fā)板 —— 61 板 SPCE061A 精簡開發(fā)板（簡稱 61 板， SPCE061A EMU BOARD 的簡稱），是以凌陽 16 位單片機 SPCE061A 為核心的精簡開發(fā)－仿真－實驗板，是“凌陽科技大學計劃”專為大學生、電子愛好者等進行電子實習、課程設計、畢業(yè)設計、電子制作及電子競賽所設計的，也可作為單片機項目初期研發(fā)使用 ?！?61 板”可以采用電池供電。 圖 板硬件框圖 表 框圖說明 POWER 5Vamp。而且該 I/O 口是可編程的，即可以設置為輸入或輸出。非懸浮輸入又可以設置為上拉輸入或是下拉輸入。 康虹：基于單片機的語言控制小車設計 14 圖 SPCE061 板接口說明圖 3．音頻輸入 /輸出接口 正如我們在前面介紹的 61 板具有強大的語音處理功能，如圖 所示， X1 是語音的 MIC 輸入端，帶自動增益（ AGC）控制。 SPY0030 是凌陽的芯片，相當于 LM386，但是比 386 音質(zhì)好。 4 在線調(diào)試器（ PROBE）和 EZPROBE 接口 . 圖 J4 為 PROBE 的接口，該接口有 5 針，其中兩個分別是地（ VSS）和 電源（ VCC）。這樣，就不需要再用仿真器和編程器了，只要按 如 圖 ，就可以通過它在 PC 機上調(diào)試程序、在線仿真、最后將程序下載到芯片中，完成程序的 燒寫。 SPY0029 是凌陽公司設計的電壓調(diào)整 IC，采用 CMOS 工藝，具有靜態(tài)電流低、驅(qū)動能力強、線性調(diào) 整出色等特點，如圖 圖中的 VDDH3 為 SPCE061A 的 I/O 電平參考，如果該點接 SPCE061A（ PLCC84 封裝，下面的介紹中當出現(xiàn) SPCE061A 的引腳描述時，均指此封裝的芯片）的 51 腳，可使 I/O 輸出高電平為 ； VDDP 為 PLL 鎖相環(huán)電源， 接 SPCE061A 的 7 腳； VDD 和 VDDA 分別為數(shù)字電源與模擬電源， 分別接 SPCE061A 的 15腳和 36 腳； AVSS1 是模擬地， 接 SPCE061A 的 24 腳； VSS 是數(shù)字地， 接 SPCE061A 的38腳； AVSS2 接音 頻輸出電路的 AVSS2。為了獲得標準的 電壓，加入 SPY0029A 三端穩(wěn)壓器。 圖 VI1GND3VO2U3 S P Y 0 0 2 9AR 1 4 2 20R 1 5 2 20R 1 6 2 20R 1 7 2 20R 1 9 2 20R 2 0 2 20R 2 1 2 2012J 10C O N 2D3D I O D EC 3 41 04C 3 61 04+C 3 32 20 u +C 3 52 20 uGNDVDDV5 V3V D D AV D D PVDDH3A V S S 1A V S S 2P O W E RD4D I O D E 康虹：基于單片機的語言控制小車設計 16 音頻單元設計 音頻電路由音頻輸出和音頻輸入兩部分組成。圖中的 SPY0030 是凌陽的一款音頻放大芯片，可以工作在 ~6V 范圍內(nèi)，最大輸出功率可達 700mW。 圖 音頻電路 音頻輸入 部分 如圖 ， MICP 和 MICN 將隨著 MIC 產(chǎn)生的波形變化，并在兩個端口處形成兩路反相的波形，再經(jīng)過兩級運放放大，把放大的語音信號交給 ADC 轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，這個時候就可以通過單片機編程對這些數(shù)據(jù)進行處理，比如說進行語音數(shù)據(jù)壓縮、語音識別等。 圖 SPY0030A工作 原理圖 數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路 凌陽 SPCE061A 單片機自帶雙通道 DAC 音頻輸出， DAC DAC2 轉(zhuǎn)換輸出的模擬量電流信號分別通過 AUD1 和 AUD2 管腳輸出， DAC 輸出為電流型輸出，所以 DAC 輸出經(jīng)過 SPY0030音頻放大，以驅(qū)動喇叭放音，放大電路 (只列出 DAC1,DAC2 類似 )，這為單片機的音頻設計提供了極大方便。 圖 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路 按鍵、 LED 和復位電路 此電路主要是對電源和睡眠指示作用以及復位重新訓練小車等作用如 圖示。如圖 。 圖 微處理器連接圖 小車單元設計 語 音控制小車為四輪結(jié)構(gòu)。在自然狀態(tài)下，前輪在彈簧作用下保持中間位置。所以又稱前面的輪子為方向輪，后面的兩個輪子為驅(qū)動輪。 圖 車體側(cè)視圖 后輪 前輪 +C 1 71 00 uC 1 81 04IOB0IOB1IOB2IOB3IOB4IOB5IOB6IOB7IOB8IOB9IOB10I O B 1 1I O B 1 2I