毕业设计（论文）音控与PC机控制智能车的设计.doc

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1、泉州师范学院毕业论文（设计）音控与PC机控制智能车的设计 物信 学 院 电子信息科学与技术 专 业 07 级 2 班学生姓名 学 号 指导教师 职 称 完成日期 2011-02-16 教务处 制目录1 引言.32 智能小车设计要求.4 2.1 功能要求.4 2.2 参数说明.43 芯片特性简介.4 3.1 SPCEO61A特性简介.4 3.2 STC89C52特性简介 .5 3.3 cc1100-232特性简介.5 3.4 L298N 特性简介.6 3.5 DS18B20 特性简介.64 系统总体方案介绍.6 4.1 系统硬件方案.6 4.2 系统控制方案.65 系统硬件设计.7 5.1 车体

2、介绍.7 5.2 控制板原理图.75.2.1语音控制原理图.75.2.2 下位机控制原理图.85.2.3 巡线模块原理图.85.2.4 温度检测原理图.86 系统软件设计.10 6.1 系统的总体流程图.10 6.2 语音识别原理简介.10 6.3 语音识别子程序.11 6.4 巡线子程序.11 6.5 检测温度子程序.12 6.6 下位机程序.12 6.7 上位机程序.127 结语.138 参考文献.14音控与PC机控制智能车的设计物理与信息工程学院 电子信息科学与技术指导教师 助教摘要设计并制作语音控制与pc机控制的小车。以凌阳SPCE061A和STC89C52单片机为核心控制部件，利用c

3、c1100-232无线串口模块进行无线通信，以直流电机、舵机、电机驱动芯片L298N、DS18B20、红外发射接收二极管、光电开关E3-DS30C4等为主要元器件，开发了硬件系统，以unSp IDE 2.6.20和Keil uVision3作为软件开发环境，Visual basic6.0开发上位机，利用串口控件进而对小车进行操控，软件包括小车的语音识别、播放、检测障碍物、循迹及行驶状态控制软件。关键词单片机；光电传感器；无线通信；pc机；语音识别；温度Several control intelligent car designPhysics and information engineerin

4、g institute Sience and Technology of Electronic Information 070303098 XIE Hong-jieInstructor WU Zhong-Long AssistantAbstract: Is designed and produced speech control with the PC control car. With sunplus SPCE061A and STC89C52 singlechip control unit, use cc1100-232 wireless serial interface module,

5、wireless communication with dc motor, steering, motor drive chip DS18B20, L298N, infrared emission receiving diode, photoelectric switch E3 - DS30C4 etc for main components, develop the hardware system, in order to unSp IDE 2.6.20 and uVision3 as Keil software development environment, Visual basic6.

6、0 development PC, using a serial port control and car for handling, software including car speech recognition, broadcast, detection barriers, follow tracing and travel state control software. Key words: Microcontroller, Photoelectric sensor, Wireless communication, PC, Speech recognition, temperatur

7、e 1 引言 在这日新月异的新时代，电子信息技术在高速发展，人们对自动化、智能化的要求不断提高，自动控制、智能化已成为必然的发展趋势。本文设计的音控与PC机控制的智能小车正是体现智能化的一面，它的主要特点利用单片机实时对外部采集的声音信号进行分析处理，最终辨识语音信息，根据辨识的结果去执行相关的动作。还可通过电脑操作，利用无线模块与小车进行数据交换。2 智能小车设计要求 2.1功能要求通过两种途径进行控制小车，一种利用SPCE061A单片机进行语音识别，根据识别结果对小车发出相应的指令，进而达到控制小车的目的；另一种是利用visual basic6.0 开发上位机，利用串口通信控件与小车进行指

8、令交换，实现PC机控制小车的功能。两种控制途径与小车的指令传输与接收利用cc1100-232无线串口通信来完成。智能小车的主要功能： 1.小车从串口接收到指令后，通过I/O操作驱动电路实现小车的前进、后退、左转、右转、左后退、右后退、巡线的功能；2.全程检测小车前后是否有障碍，并执行相应动作；3.通过DS18B20获取温度数据，接收到读取指令之后将数据传给PC机,pc机并保存温度数据；4.通过pc机，可调节小车上的摄像头角度（左右约80旋转）。2.2 参数说明 车体：采用现成玩具车架，后轮驱动，前轮转向。驱动用直流电机，转向用舵机。 供电：采用2节3.6V可充电式锂电池串联共7.2V给直流电机

9、供电，然后将7.2V电压经7805稳压到5V再给单片机系统和其他芯片供电。 工作电压：DC 4V-6V 工作电流：小车运动时约200mA 控制距离：空旷无阻碍约50m3 芯片特性简介3.1 SPCE061A 特性简介 SPCE061A为凌阳科技研发生产的性价比非常高的一款十六位单片机，利用此芯片可以很方便灵活的实现语音的录制与播放，此芯片内置有8路10位精度的ADC，其中一路为音频转换的通道，并且芯片内置有自动增益电路。这个硬件资源为实现语音录入提供了方便的条件。两路10位精度的DAC，只需要外接功放，即可完成语音的播放功能。SPCE061的主要特性4： 1. 16位的nSP 微处理器； 2

10、工作电压：内核工作电压VDD为3.0V3.6V(CPU)，I/O口工作电压VDDH为VDD5.5V(I/O)； 3. CPU时钟：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）； 4. CPU时钟：0.32MHz49.152MHz； 5. 内置2K字SRAM； 6. 内置32K闪存ROM； 7. 可编程音频处理； 8. 低电压复位(LVR)功和低电压监测(LVD)功能；9. 系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于2A/3.6V； 10. 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)； 11. 2个10位DAC(数-模转

11、换)输出通道； 12. 32位通用可编程输入/输出端口； 13. 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； 14. 具备串行设备接口；15. 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；3.2 STC89C52特性简介 下位机采用的是STC89c52单片机（引脚图如图1-1），STC89c52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，带有8K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。此器件使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，和工业标准的80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器3。在

12、单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活度。STC89C52的主要特性简介： 1. 8KB Flash ROM，可擦除1000次以上，数据保存10年； 2. 256字节内部RAM； 3. 一个6向量2级中断结构； 4. 4个中断优先级； 5. 4个8位I/O口； 6. 3个16位定时/计数器，T0、T1、T2； 7. 全静态工作方式：024MHz。 8. 全双工串行口； 9. 片内晶振及时钟电路10.看门狗定时器；11.2个数据指针。 图1-1 STC89C52引脚图 3.3 cc1100-232特性简介 3.3.1 C

13、C1100-232无线模块特性： 1. 低功耗模块，最大发射功率10mW； 2. 载频频段433MHz； 3高抗干扰能力和低误码率；4. 传输距离远；在直线可视情况下，天线放置高度位置2 米，9600bps 可靠传输距离大于200m (BER=10-3/9600bps)；1200bps 传输距离可达300m(BER=10-3/1200bps)。3.3.2 主要技术指标调制方式： FSK；工作频段： 433MHz；接口数据格式： 8N1(无校验)；发射功率： 10mW；接收灵敏度： -110dBm1200bps；信道速率： 固定；串口波特率： 4800、9600、19200bps可选；工作温度：

14、 -25+85；电源： 2.7VDC-5.5VDC(推荐5VDC)；模块尺寸: 41 * 21 * 1mm（尺寸不含天线座和天线）；发射电流： 30mA；接收电流： 20mA；待机电流： 2-3mA；天线接口： SMA-50欧姆。 3.4 L298N 特性简介L298N为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双桥步进电机专用驱动芯片（Dual FullBridge Driver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相不仅电机的专用驱动芯片，也可驱动两个直流电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A

15、以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压，此芯片可直接由单片机的I/O端口来提供模拟的时序信号。而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 3.5 DS18B20 特性简介 温度检测是采用美国DALLAS公司生产的DS18b20温度传感器，该芯片耐磨耐摔，而且体积又小，使用非常方便，DS18b20是通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源。DS18B20 的主要特性：1. 独特的单线接口方式，仅需一个端口引脚就可进行双向通讯；2. 简单的多点

16、分布应用；3. 无需任何外部器件；4. 可通过数据线供电；5. 零待机功耗；6. 工作电压：35V/DC；7 测温范围-55 +125C，测温的分辨率为0.5C；8. 测量温度结果以912位数字量串行送出；9. 温度数字量转换时间200ms；10. 用户可定义的非易失性温度报警设置；11. 报警搜索命令识别并标志超过程序限定温度的器件；12. 应用包括温度控制、工业系统、消费品、温度计或任何热感测系统。4 系统的总体设计介绍4.1 系统硬件方案本设计以凌阳单片机SPCE061A和STC89C52为核心控制部件，以直流电机、舵机、电机驱动芯片L298N、红外发射接收二极管、光电开关E3-DS30

17、C4等为主要元器件，通过编程利用SPCE061A的语音处理功能，根据麦克风采集的语音信号与事先训练好的语音库的特征语音进行比对，从而进行语音辨识，根据辨识的语音命令，再利用SPCE061A与STC89C52的双机通信，它们之间通过cc1100无线模块进行通讯，控制小车的停车、行驶方向、自动巡线以及蔽障，系统的总体结构框图如图2-1和2-2所示。4.2 系统控制方案小车的运动采用语音控制和pc机（电脑）控制，可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行状态。也可通过pc机的键盘或鼠标操作，控制小车的运行状态。麦克风凌阳SPCE061A单片机扬声器CC1100-232无线

18、模块PC机Max232电平转换图2-1 上位机结构框图STC89C52单片机蔽障模块循迹模块转向舵机后轮驱动电机控制摄像头舵机CC1100-232无线模块温度模块图2-2 下位机结构框图5 系统硬件设计5.1 车体简介车体为四轮结构，如图3-1所示。其中前面两个车轮通过连动杆连接在一起再接舵机摆臂，由转向舵机控制前轮的左右摆动，实现小车的转向功能。后面两个车轮由直流电机驱动，为整个小车提供动力。转向舵机驱动电机后轮前轮图3-1 车体顶视图5.2 控制板原理图5.2.1 语音控制原理图语音控制原理图如图4-1所示，语音控制电路主要参考凌阳科技公司开发的精简61板，以SPCE061A单片机为核心，

19、spy0030为主要原件构成语音控制电路，语音控制电路包括单片机最小系统电路、电源电路、复位电路、ICE电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）。SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；另一种为80个引脚，LQFP80封装，我们采用PLCC84封装。在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。5.2.2 下位机控制原理图下位机控制原理图如图4-2、4-3和4-4

20、所示，下位机以STC89C52单片机为核心，L298N驱动芯片、7805稳压芯片和DS18B20温度传感器为主要原件组成，外围电路简洁，工作稳定可靠，也方便软件编程。5.2.3 巡线模块原理图巡线模块原理图如图4-5所示1，黑线探测传感器采用红外发射接收二极管，因此我们利用红外探测法探测黑线的位置2，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

21、 5.2.4 温度检测原理图温度检测原理图如图4-6所示，采用数字式温度传感器DS18B20，它是数字式温度传感器，具有测量精度高，连接电路简单等特点，此类传感器仅需要一条数据线进行数据传输，使用3.7与DS18B20的I/O口连接处加一个4.7K上拉电阻,VCC接电源正极,VSS接地（电源负极）。图4-1 语音控制原理图图4-2 下位机（51）最小系统图4-3 下位机电机驱动电路图4-4 下位机电源模块图4-5 巡线模块原理图图4-6 巡线模块原理图图4-6 温度检测原理图6 系统软件设计6.1 系统的总体流程图语音识别小车的主程序流程图如图5-1所示，主要分三部分：训练、识别、重新训练。训

22、练部分：对小车训练的目的为了建立特征语音模型。系统一开始先判断小车是否被训练过，如果没有训练过则提示要求对其进行训练，训练成功后将训练的语音模型存到FLASH存储区中，以后使用时就不用再对小车进行训练了。小车的训练流程图如图5-2所示。识别部分：电路上电后，单片机通过MIC实时采集声音样本，经识别后，如果识别的结果为我们程序预先设定好的触发名时，就进入待命状态，并调出相应组的语音模型装载到辨识器中,等待命令。重新训练部分：由于凌阳的SPCE061A芯片是特定人语音芯片，不同人使用的话最好要重新训练，才会有较准确的识别率，因此我们设置了一个重新训练的命令按键，程序循环检测该按键，一旦检测到此按键

23、被长按住2.5S时，就将擦除训练标志位（0xe000单元），并且等待复位。复位后，检测训练标志位为0xffff时就会要求对小车重新训练，进而重新建立语音模型76.2 语音识别原理简介这里的语音识别主要分为“训练”和“识别”两个阶段。在训练阶段，单片机对定时采集到的样本进行分析处理，从中获取语音特征信息，建立新的特征模型；在识别阶段，单片机对定时采集到的语音样本也进行处理分析，获得语音特征信息，再将这个特征信息与以有的特征模型比对，如果二者匹配度到达一定程度的话，则采集到的语音指令被识别。76.3 语音识别子程序语音识别子程序如图6-1所示，单片机分析识别相应的指令后，通过cc1100无线模块发

24、送相应的指令，下位机接收到指令后就会去执行相应的动作。开始训练训练第一组指令第一组训练成功训练第二组指令第二组训练成功训练成功提示训练结束开始已训练过训练小车保存训练数据进入识别模式语音识别并发送指令重新训练擦除模型存储区等待复位装载语音模型图5-1 语音识别系统流程图 图5-2 训练流程图语音识别触发名左后退准备名字右后退循迹返回前进后退左转右转图6-1 语音识别子程序流程图6.4 巡线子程序巡线子程序流程图如图6-3所示，探测黑线的传感器采用四对红外发射接收二极管，它不但成本低、而且灵敏度满足设计要求,巡线模块输出端接单片机I/O口，当下位机接收到巡线指令时，单片机通过读取I/O状态，就能

25、判断黑线位置，根据程序算法相应改变直流电机的速度与转向舵机的角度，就可以使小车自动巡着黑线运动，达实现巡线的功能。6.5 检测温度子程序 检测温度子程序流程图如图6-4所示，当下位机接收到读取温度指令时，单片机就对ds18B20初始化，接着开始变换温度，转换完成后读回温度数据，再通过无线通信模块将温度数据传给上位机，上位机读取温度后记录此时刻的温度数据。6.6 下位机程序下位机主程序流程图如图6-5所示，初始化部分主要是对I/O口和ds18b20进行初始化，串行中断实时检测是否接收到数据指令，如果接收到数据，再对数据进行判断，判断出指令后，就去执行相应的动作。执行相应动作具体包括：检测障碍、前

26、进、后退、左转、右转、左后退、右后退、加速前进、加速后退、巡黑线、转动摄像头和读取温度并发送给上位机。6.7 上位机程序上位机主程序流程图如图6-6所示，上位机是通过Visual Basic6.0开发的操作平台，在主程序中，初始化部分主要对串口、波特率的设置；检测是否接收到数据是利用visual basic6.0的MSComm控件的串口通讯功能实现的6；判断键值部分主要包括控制小车的状态指令、调节摄像头角度指令、查询小车周围温度指令、打开历史记录的温度指令、拍照保存等指令。上位机初始化时波特率为9600bps，串口默认为COM5，在串口未打开前，只有“打开视频”、“打开温度记录”和“打开串口”

27、三个命令按钮可操作，其余按钮需等待打开串口时才可操作。我们在读取温度数据时，同时会保存温度，并记录保存温度的日期和时间，方便查询。在视频窗口中有“拍照”、“保存”和“打开图片文件”三个命令按钮。命令按钮可以通过鼠标单击事件触发，也可以通过键盘事件触发。主窗口中主要有显示当前温度，还有有一栏提示小车此时的执行状态，若遇到障碍物，下位机就会发指令给PC机，并自行停止，执行状态一栏里会提示前方或着后方遇到障碍物，障碍物被清除时，及时提示道路通畅的标语。上位机主窗口图如图6-2所示： 图6-2 上位机主窗口图开始初始化判断指令执行相应动作接收到数据返回开始温度子程序跳过ROM初始化变换温度读取温度数据

28、返回开始巡线程序初始化检测黑线检测到黑线根据程序算法，控制速度和转向舵机参数返回图6-3 巡线子程序流程图 图6-4 检测温度子程序流程图 图6-5 下位机主程序流程图 开始初始化打开串口键盘/鼠标事件？判断键值发送相应指令返回接收到数据读取指令并判断显示或保持数据 图 6-6上位机主程序流程图7 结语 本设计综合应用了SPCE061A、STC89C52的软硬件资源及visual basic6.0开发软件与cc1100无线通讯模块，成功的实现无线语音控制及pc机控制功能。本设计中还采用红外光电传感器检测路面障碍物，也可自动巡黑线。本设计制作的音控与PC机控制的智能车工作性能稳定，易于空控制，成

29、本低，希望能对类似工程的设计提供借鉴。8 参考文献1 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，20032 阎石.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，19833 丁向荣，杨军，周永明.单片机应用系统与接口技术.北京：电子工业出版社，20084 张培仁，张志坚，高修峰.十六位单片微处理器原理及应用.北京：清华大学出版社，2005.5 5 韩亚萍. Visual basic6.0基础培训百例.北京：机械工业出版社，2006.1 6 李长林.visual basic 串口通信技术与典型实例.北京：清华大学出版社，2005.1 7 SPCE061A应用方案.北京：凌阳科技大学计划教育推广中心