李雯雯， 孔 勐， 胡金花

（合肥師范學(xué)院 電子信息工程學(xué)院，安徽 合肥230601）

本設(shè)計(jì)利用凌陽(yáng)單片機(jī)的語(yǔ)音功能，模擬自動(dòng)導(dǎo)航小車［1］設(shè)計(jì)并制作了一個(gè)音控小車。凌陽(yáng)單片機(jī)、前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)、后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)以及車體共同構(gòu)成一個(gè)帶有語(yǔ)音識(shí)別的系統(tǒng)［2］，可以根據(jù)麥克風(fēng)采集的語(yǔ)音信號(hào)和事先訓(xùn)練好的語(yǔ)音庫(kù)的特征語(yǔ)音進(jìn)行對(duì)比，選擇執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作，外加兩個(gè)反射式紅外傳感器［3］實(shí)時(shí)監(jiān)控小車的行進(jìn)范圍，防止小車在行使過(guò)程中碰撞，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)避障功能［4］。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

聲控小車部分主要分為車身緊急校正模塊、語(yǔ)音輸入模塊、語(yǔ)音輸出模塊、小車動(dòng)作執(zhí)行模塊、中心控制模塊［5］。系統(tǒng)中聲控小車部分的原理框圖［6］如圖1所示：

圖1 聲控小車原理框圖

圖1中兩個(gè)外部中斷連接的是兩個(gè)反射式紅外傳感器，主要用于感測(cè)車庫(kù)內(nèi)標(biāo)出的白色邊界線，從而控制小車在一個(gè)合理的區(qū)域內(nèi)動(dòng)作。MIC是聲控小車的語(yǔ)音輸入模塊，主要用于接收智能車庫(kù)的語(yǔ)音命令。SPK是聲控小車的語(yǔ)音輸出模塊，主要用于發(fā)出對(duì)語(yǔ)音命令的應(yīng)答。M1是小車的前輪轉(zhuǎn)向執(zhí)行電機(jī)，由一個(gè)普通直流電機(jī)以及一些連動(dòng)齒輪組成。M2是小車的后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由一個(gè)減速電機(jī)以及一些齒輪組構(gòu)成。

本系統(tǒng)主控芯片采用SPCE061A［7］。以μ’nSPTM［8］為核心的SPCE061A微控制器是適用于數(shù)字語(yǔ)音識(shí)別應(yīng)用領(lǐng)域中的一種最經(jīng)濟(jì)的選擇；交流減速電機(jī)是采用交流單相電容運(yùn)轉(zhuǎn)的電機(jī)，它適合于在低速傳動(dòng)裝置中作驅(qū)動(dòng)組件，能起到簡(jiǎn)化機(jī)械結(jié)構(gòu)和降低能耗的作用，它具有運(yùn)行穩(wěn)定、轉(zhuǎn)矩大、容易控制等特點(diǎn)；普通直流電機(jī)用做轉(zhuǎn)向電機(jī)，調(diào)速范圍大，工作范圍大，并且轉(zhuǎn)速高，響應(yīng)速度快，適合用于音控小車的轉(zhuǎn)向；電機(jī)驅(qū)動(dòng)（L298N）是SGS公司的產(chǎn)品。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A；Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V；Vs電壓最大36V；紅外反射式光電傳感器［9］，其紅外反射光強(qiáng)法的測(cè)量原理是將發(fā)射信號(hào)經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號(hào)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

聲控小車的車身是用玩具車改裝而成，中央控制單元采用凌陽(yáng)61板，電源部分是由三塊手機(jī)電池組成，前輪電機(jī)采用普通直流電機(jī)，后輪驅(qū)動(dòng)電機(jī)采用減速電機(jī)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片采用L298。

2.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案：

L298N作為驅(qū)動(dòng)芯片，一方面要接受來(lái)自單片機(jī)的控制信號(hào)，通過(guò)L298N的使能控制端ENA、ENB控制芯片的工作狀態(tài)。另一方面要給步進(jìn)電機(jī)以輸入信號(hào)（OUT1口～OUT4口），使電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。L298與步進(jìn)電機(jī)的連接電路如圖2所示：

圖2 L298連接圖

2.2 傳感器電路設(shè)計(jì)方案：

反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。在車前方安裝了左右兩個(gè)反射式紅外傳感器。它們分別接單片機(jī)的EXT1和EXT2外部中斷，從而保證了實(shí)時(shí)性，達(dá)到了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。反射式紅外傳感器接線圖如圖3所示：

圖3 反射式紅外傳感器接線圖

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 行使?fàn)顟B(tài)控制電路的設(shè)計(jì)：

整個(gè)小車的行駛狀態(tài)由兩個(gè)電機(jī)來(lái)控制，MOTOR 1控制左拐和右拐，MOTOR 2控制前進(jìn)、倒退。具體行使?fàn)顟B(tài)控制如表1所示。

表1 行使?fàn)顟B(tài)控制表

3.2 語(yǔ)音辨識(shí)設(shè)計(jì)：

凌陽(yáng)的SPCE061A是16位單片機(jī)，具有DSP功能，有很強(qiáng)的信息處理能力，具備運(yùn)算速度高的優(yōu)勢(shì)，為語(yǔ)音的播放、錄放、合成及辨識(shí)提供了條件。

特定語(yǔ)者（Speaker Dependent，SD）模式即辨認(rèn)特定的使用者，使用者可針對(duì)特定語(yǔ)者辨認(rèn)詞匯，即在啟動(dòng)小車前，系統(tǒng)將會(huì)提示輸入語(yǔ)音命令作簡(jiǎn)單快速的訓(xùn)練紀(jì)錄，在這里輸入“啟動(dòng)”“停止”“返回”和“模式切換”四個(gè)語(yǔ)音命令，通過(guò)使用者的聲音特性加以辨認(rèn)。進(jìn)入語(yǔ)音適應(yīng)（speaker adaptation，SA）階段，使用者只要經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的訓(xùn)練后，即可擁有不錯(cuò)的辨識(shí)率。語(yǔ)音識(shí)別電路基本結(jié)構(gòu)圖和語(yǔ)音識(shí)別原理圖如圖4和圖5所示：

圖4 語(yǔ)音識(shí)別電路結(jié)構(gòu)

圖5 語(yǔ)音識(shí)別原理圖

3.3 辨識(shí)主程序如圖6所示：

圖6 辨識(shí)主程序流程

3.4 中斷部分

由于凌陽(yáng)單片共有9個(gè)中斷相量即FIQ、IRQ0－IRQ6及UART IRQ。而9個(gè)中斷向量共安置了14個(gè)中斷源，這樣就出現(xiàn)了一個(gè)中斷向量中包含多個(gè)中斷源的情況，當(dāng)編寫中斷服務(wù)子程序時(shí)注意判斷和區(qū)分同一中斷向量下的中斷源。

4 小結(jié)

模擬AGV的音控小車以凌陽(yáng)16位單片機(jī)為控制核心，能夠識(shí)別使用者的語(yǔ)音指令，并且按照指令完成前進(jìn)、倒車、左傳、右轉(zhuǎn)以及倒庫(kù)等動(dòng)作；外加的兩個(gè)反射式紅外傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控小車動(dòng)作，防止小車在行駛過(guò)程中碰撞［10］，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)避障功能。模擬AGV的聲控小車實(shí)物如圖7所示：

圖7 聲控小車實(shí)物圖

整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，并且充分體現(xiàn)了凌陽(yáng)16位單片機(jī)在數(shù)字信號(hào)處理及語(yǔ)音處理方面的優(yōu)越性。

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