声控四轮小车设计

上海电机学院毕业设计（论文）

声控四轮小车设计

The Design of Acoustic Four-wheel Car

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上海电机学院

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摘要

随着电子工业的发展，具有语音控制功能的小车越来越受到人们的青睐，在人们的日常消费生活中起着不可忽视的作用。目前，声控技术已在很多领域得到使用。比如声控手机、声控洗衣机、电视机、电脑等设备。

本文主要设计一种用声音进行控制的单片机小车。

声控小车指的是能够在人的语音命令控制下完成具体动作的小车，主要由控制板、驱动电路和车体组成，同时还要编辑合适的软件来具体控制小车的动作。控制板主要负责软件的写入，能够完成语音信号的压缩、存储、辨识、响应等功能，而驱动电路则能够根据控制板送来的驱动信号对车体上的直流电机和继电器进行控制，从而完成具体的动作。声控小车以拥有可编程音频处理的51单片机作为整个系统的控制核心，不需要添加额外的语音芯片就能实现语音控制功能；声控小车采用电路控制小车电机转动，根据语音识别技术，采用C语言进行编程，实现小车的前进,停止,左转和右转。

论文首先对系统的方案进行论证，然后对各单元的软件、硬件工作原理进行了阐述，并介绍了系统的主要组成部分情况。

关键词：语音识别；单片机；C语言编程；驱动电路；小车

声控四轮小车设计

The Design of Acoustic Four-wheel Car

Abstract

With the development of the electronics industry, with voice control function of the car more and more receives people's favor, in the daily life of people of consumption plays a role can not be ignored. At present, voice technology has been in a lot of fields obtained using. Such as voice phone, voice activated washing machines, televisions, computers and other equipment. In this paper, the design of a microcontroller with sound control of the car.

The voice of the car is able to complete the specific actions in the speech control command under the car, mainly by the control board, drive circuit and body composition, but also to edit the appropriate software to control specific car action. The control board is mainly responsible for writing the software, can complete voice signal compression, storage, identification, response etc. the function, and the drive circuit is able to control the body of the DC motor control board and relay driving signal sent, thus completing the specific action. Voice of the car has 51 single-chip programmable audio processing as the core of the whole system, do not need to add additional voice chip can realize voice control function; voice the car used car motor control circuit, according to the voice recognition technology, using C language programming, to achieve the car forward, stop, turn left and turn right.

First of all, this paper demonstrates the system's plan, and then describes the software and hardware working principle of each unit, and introduces the main components of the system.

Key words: Speech Recognition; Single Chip Microcomputer; C Language Programming; Diving Circuit; Car

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目录

摘要 (1)

Abstract (2)

目录 (3)

1 引言 (4)

2小车设计原理 (5)

2.1使用FFT快速傅里叶变换分析 (5)

2.2.1 FFT（离散傅氏变换的快速算法） (5)

2.2.2 dsp.fft系统对象 (10)

2.2.3 dsp.audiofilereader系统对象 (12)

3小车设计 (14)

3.1 Arduino UNO R3控制器 (14)

3.2 Arduino 双H桥直流电机驱动板模块 (15)

3.3 H桥驱动电路 (15)

3.4 Arduino4WD移动机器人平台 (16)

4小车的操作说明 (18)

4.1使用时的注意事项 (18)

结论 (19)

致谢 (20)

参考文献 (21)

附录A 试验程序 (22)

声控四轮小车设计

引言

声控技术是随着电脑的广泛应用出现的。这种崭露头角的声控技术，给人们的生活带来了极大的方便。特别是对于伤残病人用声音就可以打开门窗、窗帘、电视机、电灯等。声控的原理就在于当声波传到某物体的表面时，材料带电，使声音发生变化，从而制成声敏传感器，再配上语言识别系统，控制装置，就完成了。

智能语音技术发展至今，相当多想象中的应用场景已经有了现实雏形：如以Siri 为代表的语音输入和语音控制，依靠声纹识别技术的安全控制，智能家居特定情境下的简单人机交互等等。尤其当下：

亚马逊Echo，它能够接收用户语音指令，完成不同任务。

最近新出的Google Home可以借助日渐强大的谷歌助手对用户的语音控制进行识别，从而转化为智能家居全面智能声控的信息源。在谷歌助手的协助下，Google Home只需要录入用户的语音，即可智能识别出用户的意图。无论是提问还是开关电器，订购食品以及各方面的服务都能借助谷歌庞大的服务实现。

2小车设计原理

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2.1使用FFT快速傅里叶变换分析

2.2.1 FFT（离散傅氏变换的快速算法）

FFT（Fast Fourier Transformation），即为快速傅氏变换，是离散傅氏变换（DFT）的快速算法，它是根据离散傅氏变换的奇、偶、虚、实等特性，对离散傅立叶变换的算法进行改进获得的。

FFT块计算快速傅立叶变换（FFT）基于样品-1-由-P输入向量，U的各行的，或跨越一个N-D输入阵列，u的第一尺寸（P）。为用户指定的FFT长度，不等于P，零填充或截断，或模长度的数据包装在FFT操作之前发生。

包裹:y(:,l) = fft(数据包(u(:,l),M)) % P > M; l = 1,...,N

截断：y (:,l) = fft(u,M) % P > M; l = 1,...,N

当输入长度，P，比FFT长度，M，你可能会看到你的FFT输出幅度的增加。发生这些幅度增加，因为FFT块使用模M数据包裹保留所有可用的输入样本。

为了避免这种幅度的增加，可以截断你的输入样本的长度，P，到FFT长度，M。要做到这一点，在第l输出通道的第k个model.The进入FFT块前面放置一个垫块，Y（K，L），等于第l输入通道的M点离散傅立叶变换（DFT）的第k点。

块使用两个可能的FFT实现之一。您可以基于FFTW库中选择一个实现[3]，[4]，或实现基于板蓝根-2算法的集合。您可以选择Auto以允许该块选择实施。

Radix-2：

实现支持位反转处理，固定或浮点数据，并且允许该块以提供便携C代码生成使用的Simulink编码器?。的维数m在M-通过-N输入矩阵，决是二的幂。与其他尺寸的输入工作，用垫块垫或截断这些尺寸到二的幂，或者如果可能选择FFTW 。

用基数-2中选择，该块执行以下算法中的一种或多种：

1.蝶形运算

2.双信号算法

3.半长算法

4.基数为2，十取一在时间（DIT）算法

5.基数为2，十取一在频（DIF）算法

表.5.1 Radix -2算法实数和复数信号

Tab.5.1 Radix-2 Algorithms for Real and Complex Signals

输入的复杂性输出命令算法用于FFT 计算复杂的线性倒位操作和基2 DIT

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复杂的位序颠倒频率抽取

真正的线性倒位操作和基2 DIT与半长的双信号算法的结

合

真正的位序颠倒基2 DIF与半长的双信号算法的结合

FFT算法的效率可提高即时通过从实值形成复值序列输入信号DFT的计算之前序列。当有2N +1实输入通道，FFT块构成这些复值序列通过应用双信号算法到第一2N 输入通道，以及半长算法的最后奇数信道

用于与定点数据类型真正的输入信号，所以可以看到，在过去奇数通道的输出不同的数值结果，即使当所有的输入通道是相同的。这个数值差导致从在双信号算法和半长算法的差异。您可以消除两种方式这个数字的区别：

1.使用全精度算术定点输入信号

2.变更输入数据类型到浮点

基2优化三角函数值表，在某些情况下，该块的基2算法计算旋转因子的所有可能的三角值，其中K是M或N和较大值k=0,…k-1。该块在表中存储这些值，并在仿真过程中检索它们。

定点数据类型

下图5.2显示了FFT模块使用的数据类型定点信号。可以设置正弦表，蓄电池，在图中显示的产品输出，和输出数据类型在FFT对话框，对话框的讨论。

输入到FFT块是先浇铸到输出数据类型并存储在输出缓冲器中。每个蝶形级然后处理在累加器数据类型信号，具有的最终输出蝴蝶正投回输出数据类型。块乘以在一个十取一在时每个蝶形阶段之前旋转因子FFT和在一个十取一在频FFT每个蝶形级之后。

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图5.2 FFT模块使用的数据类型定点信号

Fig.5.2FFT module using the data type fixed-point signal

因为两者的输入到乘法器是复杂的乘法器的输出会出现在累加器的数据类型。有关执行复数乘法的详细信息，请参阅乘法数据类型

注意：当块输入为固定点，所有的内部数据类型签署定点。

对话框

出现在FFT块对话框的主窗格如下

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图5.3 FFT块对话框的主窗格

Fig.5.3 The main pane of the FFT block dialog

执行FFT

此参数设置为FFTW[3]，[4]，以支持一个任意长度的输入信号。块限制生成的代码与FFT实现举办能够运行MATLAB的计算机。

设置使用Simulink的编码器此参数基数2位反转处理，固定或浮点数据，或用于便携式C代码生成。的维数m ofnthe M-逐N个输入矩阵，必须是二的幂。与其他尺寸的输入工作，用垫块垫或截断这些尺寸的权力两种，或者如果可能选择FFTW实施。见基2实现将此参数设置为自动，让块选择FFT实现。对于非功率的二变换长度，限制块生成的代码MATLAB主机。

输出倒序

指定相对输出信道单元的顺序到输入元素的顺序。当你选择这个选项中，输出通道元素出现在相对顺序位反转于输入顺序。如果清除该复选框，输出通道元素出现在相对于输入排序线性顺序。线性订购输出需要额外的数据排序处理，因此，在某些情况下，它可能是在比特反转以便更好地输出。

注：FFT模块计算倒序其输出。线性订购FFT模块输出需要额外位反转操作。因此，在许多情况下，可以增加FFT块的速度通过选择倒序检查输出框。

对于输出的更多信息订购，请参阅线性和位反转输出顺序。

通过FFT尺度结果

当您选择此参数，该块除以FFT长度的输出FFT的。当你想此选项很有用FFT的输出留在相同的幅度范围作为其输入。用定点数据类型的工作时，这是特别有用的。继

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承输入维FFT长度选择要继承dimensions.When选中此复选框，输入的FFT长度，输入长度必须的动力二。如果不选中此复选框，则FFT长度参数变得可用来指定的长度。FFT 长度指定FFT长度。此参数变为可用，只有当你没有选择的输入参数尺寸继承FFT长度。

当您设置FFT实现参数到基数2，或当您检查输出在倒序复选框，这个值一定是一种权力中的两个。总结输入数据时，FFT长度比输入的长度短选择包或截断的输入端，这取决于所述FFT的长度。如果该参数被选中，模长度的数据包装之前发生FFT运算，给出的FFT长度比输入长度短。如果此属性被选中，输入数据到被截断FFT长度FFT 运算之前发生。默认被选中。

出现在FFT块对话框的数据类型面板如下图5.4。

图5.4 FFT块对话框数据类型面板

Fig .5.4 data type pane of the FFT block dialog

舍入模式

选择定点operations.The正弦表中的值舍入模式不服从这个参数;相反，他们总是舍入到最近。

溢出模式

选择定点，正弦表值不遵守此参数溢出模式;相反，它们总是饱和的。

正弦表数据类型

选择您指定的值的字长正弦表。正弦表值的分数长度始终等于字长减一。您可以设置此参数：

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一个继承的数据类型，例如规则，继承：同一个词的长度为输入，计算结果为一个有效的数据类型，例如一个表达式，fixdt（1,16）。

单击显示数据类型助手按钮显示数据，键入助手，它可以帮助您设置产品输出数据类型parameter.See指定数据类型使用数据类型助理以获取更多信息。

累加器的数据类型

指定累加器数据类型。见定点数据类型的插图描绘useof在此块累加器的数据类型。你可以设置这个参数为：继承的数据类型，例如规则，继承：

通过内部规则继承，计算结果为一个有效的数据类型的表达式。

例如，fixdt（1,16,0），单击显示数据类型助手按钮来显示数据类型助手，它可以帮助您设置累加器的数据类型参数。

指定输出数据类型。

见定点数据类型的插图描绘了该块使用的输出数据类型。您可以设置此参数：

继承数据类型的规则，例如，继承：通过内部规则继承。当您选择继承：通过内部规则继承，块计算输出Word自动长度和部分长度。该块使用来计算理想的输出字的方程式，长度和长度比例取决于鸿沟蝴蝶输出的两个复选框中的设置。

当选择由两个复选框鸿沟蝴蝶输出，输出字和分数提供了理想的长度是相同的输入单词和分数长度。

当由两个复选框清除鸿沟蝴蝶输出，该块计算理想输出字，并根据下列公式馏分长度，使用这些理想的效果，内部规则然后选择字长和分数长度是适合您的hardware.For 更多信息，请通过继承内在规律。

计算结果为一个有效的数据类型，例如一个表达式，fixdt（1,16,0），单击显示数据类型助手按钮来显示数据类型助手，它可以帮助您设置输出数据类型参数。

反对定点工具的变化锁定数据类型设置

选择此参数，以防止定点工具，从覆盖您在块屏蔽指定的数据类型。

2.2.2 dsp.fft系统对象

该FFT计算对象离散傅里叶

变换输入的（DFT）。对象使用一种或多种以下的快速傅立叶根据复杂变换（FFT）算法。

输入和输出是否处于直链或比特反转顺序：

双信号算法

半长算法

基数为2，十取一在时间（DIT）算法

基数为2，十取一在频（DIF）算法

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通过FFTW选择的算法[1]，[2]

计算一个输入的DFT：

1.定义和设置您的FFT object.See建设。

2.Call步骤根据dsp.FFT的特性计算输入的DFT。步骤的行为是特定于工具箱中的每个对象。

H = dsp.FFT返回一个FFT对象，高度，即计算一个N-D阵列的DFT。对于列向量或多维数组中，FFT对象计算DFT沿着第一维度。如果输入是一个行向量，在FFT对象计算单一样本的DFT的一排并发出警告。

表5.5 方法

Tab.5.5 method

clone 创建的对象具有相同的属性值FFT

getNumInputs 步进法的期望输入数

getNumOutputs 步进法输出数

isLocked 锁定状态的输入属性和不可调性能

release 允许属性值和输入特性更改

step 离散傅立叶变换

举例：

发现在加性噪声的信号的频率分量：

Fs = 800; L = 1000;

t = (0:L-1)'/Fs;

x = sin(2*pi*250*t) + 0.75*cos(2*pi*340*t);

y = x + .5*randn(size(x)); % noisy signal

hfft = dsp.FFT('FFTLengthSource', 'Property', ...

'FFTLength', 1024);

Y = step(hfft, y);

% Plot the single-sided amplitude spectrum

plot(Fs/2*linspace(0,1,512), 2*abs(Y(1:512)/1024));

title('Single-sided amplitude spectrum of noisy signal y(t)');

xlabel('Frequency (Hz)'); ylabel('|Y(f)|');

算法

这个目的实现算法，输入和对FFT块参照输出页。对象属性对应块参数。

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2.2.3 dsp.audiofilereade r系统对象

描述

该AudioFileReader对象从音频文件中读取的音频样本。

读取音频文件的音频采样：

1.定义和设置您的音频文件的读者对象。见施工。

2.Call步骤，根据dsp.AudioFileReader的属性读取音频采样。步骤的行为是特定于工具箱中的每个对象。

构成

H = dsp.AudioFileReader返回的音频文件阅读器系统对象，H读取从音频文件的音频。这个音频文件可以在所有平台上的格式如下：

MP3

M4a

MP4

WAV

FLAC

OGG

H = dsp.AudioFileReader返回一个音频文件读取器系统对象，H，与每个指定的属性设置为指定值。

H = dsp.AudioFileReader返回音频文件的读者对象，H，与文件名propertynset到文到文件名和其他指定的属性设置为指定的值。

算法

这个目的实现算法，输入和输出的描述在从多媒体文件块参照PAGE电泳对象属性对应块参数，

除：

对象有继承没有相应的财产从文件块参数采样时间。

对象始终继承了文件。该对象采样时间对输出档案结尾指标参数没有相应的属性。

对象始终输出EOF作为最后的输出。

对象为具有多媒体输出参数没有相应的属性，因为声音是唯一支持输出。对象为图像信号块参数没有相应的属性。

对象对输出色彩格式参数没有相应的属性。

对象具有用于视频输出数据类型参数没有相应的属性。

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表5.6 方法

Tab.5.6 method

clone 创建具有相同属性值的音频文件读写器对象getNumInputs 步进法的期望输入数getNumOutputs 步进法输出数

info 有关特定音频文件的信息

isDone 文件结束（逻辑）

isLocked 锁定状态的输入属性和不可调性能

release 允许属性值和输入特性更改

reset 重置内部状态的音频文件读写器从文件开始读取step 从音频文件中读取音频样本

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3 小车设计

3.1 Arduino UNO R3控制器

Arduino是一个能够用来感应和控制现实物理世界的一套工具。它由一个基于单片机并且开放源码的硬件平台，和一套为Arduino板编写程序的开发环境组成。Arduino可以用来开发交互产品，比如它可以读取大量的开关和传感器信号，并且可以控制各式各样的电灯、电机和其他物理设备。Arduino项目可以是单独的，也可以在运行时和你电脑中运行的程序（例如：Flash，Processing，MaxMSP）进行通讯。Arduino的编程语言就像似在对一个类似于物理的计算平台进行相应的连线，它基于处理多媒体的编程环境。

3.1.1为什么要使用Arduino？

有很多的单片机和单片机平台都适合用做交互式系统的设计。例如：Parallax Basic Stamp，Netmedia’s BX-24，Phidgets，MIT’s Handyboard 和其它等等提供类似功能的。所有这些工具，你都不需要去关心单片机编程繁琐的细节，提供给你的是一套容易使用的工具包。Arduino同样也简化了同单片机工作的流程，但同其它系统相比Arduino在很多地方更具有优越性：

便宜－和其它平台相比，Arduino板算是相当便宜了。最便宜的Arduino版本可以自己动手制作，即使是组装好的成品，其价格也不会超过200元。

跨平台－Arduino软件可以运行在Windows，Macintosh OSX，和Linux操作系统。大部分其它的单片机系统都只能运行在Windows上。

简易的编程环境－初学者很容易就能学会使用Arduino编程环境，同时它又能为高级用户提供足够多的高级应用。对于老师们来说，一般都能很方便的使用Processing 编程环境，所以如果学生学习过使用Processing 编程环境的话，那他们在使用Arduino开发环境的时候就会觉得很相似很熟悉。

软件开源并可扩展－Arduino软件是开源的，对于有经验的程序员可以对其进行扩展。Arduino编程语言可以通过C++库进行扩展，如果有人想去了解技术上的细节，可以跳过Arduino语言而直接使用AVR C 编程语言（因为Arduino语言实际上是基于AVR C 的）。类似的，如果你需要的话，你也可以直接往你的Arduino程序中添加AVR-C 代码。

Arduino基于AVR平台，对AVR库进行了二次编译封装，把端口都打包好了，寄存器啦、地址指针之类的基本不用管。大大降低了软件开发难度，适宜非专业爱好者使用。优点和缺点并存，因为是二次编译封装，代码不如直接使用AVR代码编写精练，代码执行效率与代码体积都弱于AVR直接编译。

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图3.1 Arduino UNO R3控制器

Fig.3.1 UNO R3 Arduino controller

3.2 Arduino 双H桥直流电机驱动板模块

LKV－HM3.0双H桥直流电机驱动板采用ST公司的L298N典型双H桥直流电机驱动芯片，可用于驱动直流电机或双极性步进电机，此驱动板体积小，重量轻，具有强大的驱动能力：2A的峰值电流和46V的峰值电压；外加续流二极管可防止电机线圈在断电时的反电动势损坏芯片；虽然芯片过热时具有自动关断功能，但安装散热片使芯片温度降低，让驱动性能更加稳定；板子设有2个电流反馈检测接口、内逻辑取电选择端、4个上拉电阻选择端、2路直流电机接口和四线两相步进电机接口、控制电机方向指示灯、4个标准固定安装孔。

3.3 H桥驱动电路

根据任务书中实现小车的前进、停止、左转和右转的任务要求，设计中的电机驱动模块采用全桥驱动电路进行设计。全桥驱动电路的工作原理是由四个三极管控制电机的电平，从而控制电机的正反转。全桥电路中，当把三极管按照矩形顶点放置，电机摆放在四个三极管中心，全桥驱动电路工作原理的电路图就像英文字母H，又称为H桥驱动电路.

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图3.2 H桥驱动电路图

Fig.3.2 H bridge drive circuit

H桥电路控制电机的正反转和停止的工作原理就是控制四个三极管的导通和开断，三极管就像一个单刀双掷开关。当可以为电机提供正负电压的两个相应三级关导通，而另外两个三级关断开时，电机工作；当四个三年管都关断时，不能为电机提供有效正负电压，电机停止；当四个三极管同时为导通状态时，整个H桥电路上会出现很大的短路电流，会严重的烧毁三极管，甚至给整个系统带来严重的后果。

在声控小车设计中，虽然两个电机所担当的任务不同，但是仍然采用相同的驱动电路来对前后轮单机分别进行驱动。

图3.3 H桥驱动电路

Fig.3.3 H bridge driving circuit

3.4 Arduino 4WD移动机器人平台

4WD铝合金移动机器人平台是奥松机器人结合全国大学生电子设计竞赛规则以及Arduino互动教学课程要求，自主研发的全铝合金4轮驱动移动机器人平台。此款平台

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可搭载多款控制器、驱动器、传感器和无线射频模块等，平台上支撑板设有51单片机控制器、Arduino UNO控制器、Arduino mega328控制器、Arduino mega1280控制器、32路舵机控制器固定孔、二自由度舵机云台固定槽、碰撞开关安装孔，除此之外，前端板可安装红外避障传感器、红外测距传感器、光线传感器、超声波传感器、超亮发光灯等。平台主体采用硬质铝合金材料，此种材料具有重量轻、强度高、不变形等特点。

图3.4 Arduino 4WD移动机器人平台

Fig.3.4 4WD Arduino mobile robot platform

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4 小车的操作说明

连接好硬件并载入程序后小车就可以使用了，拍拍手，小车就能接收到声音信号，缓缓动起来前进，拍手拍得越快，小车也向前运动地越快，拍手停止，小车也随即停止了。用手在不同的材质上敲击，发出不同的音质就能让小车进行倒车、左拐、右拐等。同样的，频率越快，小车也运动地越快。

以上是一个完整的命令执行过程，如果还想让它执行其它动作，那么只需要重复上述步骤就可以了。

4.1使用时的注意事项：

1．安装电池一定要注意电池的正负极性，切勿装反；

2．长期不用请将电池从电池盒中取出；

3．由于语音信号的不确定性，语音识别的过程会出现一定的误差和不准确性；

4．由于小车行动比较灵活，速度比较快，在使用时一定要注意保持场地足够大，以免撞坏小车的内部电路，且保证不会对周围的物体造成伤害；

5．不要让小车长时间运行在堵转状态（堵转状态：由于小车所受阻力过大，造成小车电机加电但并不转动的现象），这样会造成很大的堵转电流，有可能会损坏小车的控制电路。