基于单片机的语音控制小车系统设计与实现

编号：

毕业设计说明书

题目：基于单片机的语音控制

小车系统设计与实现

学院：机电工程学院

专业：机械设计制造及其自动化

学生姓名：

学号：

指导教师：

职称：教授

题目类型：工程设计工程技术研究软件开发

摘要

在科技革命日新月异的创新发展过程中，人们越来越离不开智能化的科技时代；就此，机器的语音智能化扮演着越来越重要的角色，人类所追求的机器人性化，就是让机器能够听懂我们人类的语言，并以此为目的使机器为我们人类服务，在这个探寻的过程中，语音识别成为人与机器沟通的核心。

本课题为语音小车的设计，设计难点也主要在于语音的识别技术，通过多方面的学习参考文献，最终确定语音小车的设计方案，让小车能够听懂人的话语命令动作起来。小车主体硬件结构主要采用ICRoute 公司生产的高性能语音识别芯片LD3320作为语音识别模块，专门负责接收、识别外界的语音信号，在内部通过处理，转换成数字信号；使用STC11L08XE单片机作为主控模块，专门负责处理接受的语音信号，把处理后的语音信号转换成小车的控制信号；使用L298N作为小车电机的驱动模块，该芯片是ST公司生产的一种高电压大电流的电机驱动芯片，当接收到单片机发出的控制信号时，用于控制小车的启动、停止和转向；在软件上，通过单片机向LD芯片写入需要识别的关键字，由LD内部非特定人识别的算法得出匹配结果，再由单片机获取结果执行操作，其次，使用单片机内部定时计数器T0通过计数的方式产生PWM方波调压，控制小车输出电压，实现非特定人语音控制小车前进、后退、左转、右转、加速、减速、停止等运动状态，由于所选语音芯片工作性能稳定，在反复的实验调试中，小车都能够有效的识别声音，最终,稳定的实现各个运动要求，完成课题设计要求。

关键词：单片机；语音识别；LD3320；L298N；语音控制

Abstract

In the process of innovation and development of science and technology change rapidly in revolution, people are increasingly inseparable from the intelligent era of science and technology; and thus, voice intelligent machines playing more and more important role, the pursuit of human nature of robot, is to allow the machine to be able to understand our language and for this purpose to make the machine for our human services, in the search process, speech recognition has become the core of human and machine communication.

The topic to speech car design, design difficulties mainly in that the speech recognition technology, through a wide range to learn References , ultimately determine the design of the voice car, let the car able to understand human speech a command action to work effectively. The car body structure of the hardware consists of ICRoute's high performance speech recognition LD3320 chip as a voice recognition module, be responsible for receiving, identifying external voice signal and converted into digital signal by processing; Using STC11L08XE microcontroller as the main control module, responsible for processing voice signals, converts the processed voice signal into a control signal car; A kind of motor driver chip L298N with high voltage and large current produced by ST company as the motor vehicle driver module, upon receiving the single chip microcomputer control signal, used to control the car start, stop, and turn; On the software, through the single chip microcomputer to write need keywords into LD3320 chip , the matching results are obtained by the algorithm of the non-specific person identification in the chip, perform an operation by single chip microcomputer to obtain results , second, the use of single chip microcomputer internal timing counter T0 by way of counting PWM square wave voltage regulation , the car output voltage control ,to achieve non-specific voice control car forward, backward, turn left turn right, speed up, slow down, stop and other sports status, because the selected the voice chip performance and stability, in repeated the experiment in debugging, the car are able to recognize the voice effectively, to implement various requirements of movement Stability ,complete the task design requirements.

Keywords: single chip microcomputer; speech recognition; LD3320; L298N; voice control

目录

引言 (1)

1绪论 (2)

1.1 国内外语音识别技术的发展现状 (2)

1.2 课题设计意义 (3)

1.3 课题设计方案 (3)

2 语音小车硬件设计 (6)

2.1 语音小车原理框图 (6)

2.2 语音识别模块 (7)

2.2.1语音接收识别模块 (9)

2.2.2语音芯片部分逻辑电路 (11)

2.2.3单片机模块 (14)

2.3 电源模块 (16)

2.4 电机驱动模块 (17)

3 语音小车软件设计 (19)

3.1 系统软件流程图 (19)

3.2 语音识别流程图 (20)

3.3 LD语音模块设计 (21)

3.4 PWM模块设计 (23)

3.5 软件开发平台 (25)

3.5.1系统编程软件keil uvision4 (25)

3.5.2 USB转串口下载器工具 (25)

4系统调试 (26)

4.1 软件调试 (26)

4.2 硬件调试 (29)

4.2.1电路焊接测试 (29)

4.2.2 LM2940稳压输出测试 (30)

4.2.3LM2940稳压输出测试 (31)

4.2.4小车PWM电压输出测试 (31)

4.3 语音小车整体调试 (33)

5设计总结 (34)

谢辞 (35)

参考文献 (36)

附录 (37)

引言

自动语音识别技术在很久以前就为科学家们所想到。基于人类语音是现如今普遍的通信基础，所以在人与机器人的交互当中，语音识别技术是关键。随着计算机和语音处理技术的发展，语音识别系统的实用性将进一步提高[1]。国外已有多种基于语音识别产品的应用，这预示着语音识别技术有着非常广泛的应用领域和市场前景。语音智能语音小车现在不仅作为一种新型的玩具，备受广大的群众喜欢，它也成为我们大学里面学习内容的一部分，在设计制作小车的方面，我们能够了解学习到关于语音识别系统的知识，随着科技的发展，现在的语音智能化很普遍了。语音识别是通过让机器人“知道、读懂”人类发出的语言，并通过内部处理，产生相应的命令指令来操作动作。随着微电子技术的发展，现如今声控技术为人们提供着各种便利，就声控玩具车而言，提高系统的滤噪性能，能准确的识别语音，并进行良好的控制，还有一些是作为看门狗的语音系统及现在应用在汽车当中的语音智能系统，但是声控的技术由于噪声的原因控制不理想，所以现在的状况是如何提高语音技术的时效性和对环境的适应性，以及能够识别多人语音。随着科技的发展，我们的生活中越来越离不开智能化的机器，智能化产品已经成为我们人类社会生活中不可分割的一部分；由于日常生活的要求以及人类消遣娱乐的要求不一样，科技的市场为我们创造出许多智能机器，有一些是手动智能化的产品，当然也有语音智能化的机器，语音智能机器的到来大大的为人类做出了许多贡献。

现如今，机器人的发展越来越多样化，也越来越受到广大人们的喜爱，几乎渗透在我们生活的所有邻域，在人与机器的沟通方面，语音识别技术的发展成为不可或缺的关键，在语音识别技术里，首先是要提取语音的特征参量，在人说话产生的语音信号里面提取有用的信息进行语音的识别，当然人们所说的话语中，由于人的发声结构的差异性，导致每个人说的话都有一定的区别，在语音特征参量的提取中，会考虑到这些音普、基音以及元音辅音和擦音等要素。语音识别技术有两类，即特定和非特定识别，特定人识别就是只识别出声音特定的人，该声音频谱唯一，继而不适用多人语音识别；而非特定人识别技术恰恰相反，不分男女老少年龄大小，都可以识别出来，所以比较适用于广泛人群。

1 绪论

1.1 国内外语音识别技术的发展现状

与机器交流一直是人们的梦想，人们也在一直不断的探索研究着，如今语音识别技术的发展也已经逐步成熟[2]，它在高新信息产业的人机交互中起着关键性作用，语音识别技术是今后和未来智能化发展的一个重要突破口。

国外语音识别技术的快速发展是在上个世纪的九十年代[3]；早在五十年代初期，外国人研发了一台能识别10个数字英文发音的系统，现如今的语音识别技术又有了新的发展方向，即分为特定与非特定连续语音识别，还分有大词汇量的语音识别和孤立词识别以及多人语音识别等，在该技术的邻域里面，还运用了神经网络技术。由于前期许多大公司对语音识别技术的投入很大的资本，使其发展非常迅速；九十年代后，语音识别技术的评估机制不断提高，在语音识别的准确率上也显著提升[4]；如今，语音产品非常的多元化，国外非常著名的语音系统有Siri、Google Now以及微软Cortana，这些技术都基本应用在手机，Siri衍生于美国国防部的研究产品，它原是主要使用在为军方处理一些复杂的事情，如今成为民用软件，成为人们学习生活的个人助理，Siri成立于2007年，通过与Nuance合作，发展成为真正的语音识别工具，Siri能够在如今的手机当中成为一个使用的机器人，人类通过自然的语音输入，使它能够搜索资料、播报实况、安排行程、提问对答等；除了SIri 外其他的语音识别软件的使用在生活当中也都是大同小异，都是为人们提供快速便捷的服务。

在五十年代，我国开始研究语音识别技术，由于科技的发展相当快速，语音识别的研究进展也很快。以前只是在实验室里探索研究，现如今已发展到面向生活实际。在80年代后期，由于我国对语音识别技术发展执行相关计划，我们的语音识别技术的发展进入到一个全新的发展阶段，大部分权威的科研机构都曾经在实验室进行过语音识别技术方面的研究[5]。据报道，在07年某月北京的自然博物馆中，新开展馆展出了一只具有语音对话功能的智能熊猫，其外形逼真，当人和它说话的时候，它能够在人多嘈杂的展馆中识别出人说的话，识别成功率也很高；之后了解到它是在非特定人连续语音识别系统上开发制作的，基于该系统特性，这只机器熊猫识别人们说话的成功率在98%左右，所以在展馆中非常有趣。随着对语音识别技术的着重发展，特别是人们生活中，小词汇量的非特定人语音识别使用广泛，受日常人们的生活需要，且识别率很高，因而这也足以证明：人们在平常生活中，中小词汇量的非特定人识别技术是即实用又受欢迎的。

在2009年前后，由于语音识别解码器的高度集成发展为我国的语音识别实时应用提供了殷实的基础；随着互联网的发展，我国著名的语音识别系统有百度语音，它不仅提供一般的语音服务，在手机及导航中，为用户定制了特色的搜索服务。到现在，我国语音识别技术也相对成熟，国内该方向上的研究水平也与国外差不多，除此外，在汉语

识别的技术上，我们拥有技术上特点与优势，该技术加有我们中国独有的特色元素。

1.2 课题设计意义

在大多数的小车设计中，小车的控制都是基于手动遥控控制小车的运动状态，需要操作人员通过用手操控遥控装置来实现，对此，本次课题设计主要是通过语音来控制小车，从而解放我们的双手，做到更加智能化的控制小车，打破传统的小车控制操作，让小车明白你说了什么，并根据说出的口令命令进行相应动作，开创新的小车控制方式，；语音小车在现代的玩具制造业中也占据着重要的地位，小车以语音控制的这一新颖控制方式，受到很多小孩子的喜欢，他们可以像动画片中的主人公一样，拥有一个属于自己的机器人，能够对它进行语音控制，提高了玩具的趣味性；就此，我们的课题以非特定人语音识别展开设计，语音识别的研究在语音识别系统稳定实用化中成为一个非常重要的方向[6]。语音识别技术的研究取得了显著的进步，从以前的假想实现成为现实；如现在的智能玩具市场中，智能小车作为微电子智能玩具是面向广大群众需求的主流，这区别于传统式的手遥控小车运动方式，大大的带给人们一种前所未有的新鲜感，在这些设计系统当中，语音识别技术是关键，让人们体验到不用动手只用开口的真正智能化。

通过课题设计，我自己也能了解学到一些有关语音识别技术方面的知识，这些知识区别于我所在学校学到的传统基础知识，它能让自己大开眼界，了解到现在的语音识别科技的发展趋势，设计中，也让自己把在学校中学到的知识重新的复习了一遍，让自己受益匪浅。语音识别技术的应用也很广，不仅仅局限于玩具小车的设计中，在现在的高端产品中都担任着重要的角色，如家具电器、智能手机、智能导航仪等中都发挥着不可估量的作用。因此，展开语音小车的设计是非常有意义的。

1.3 课题设计方案

经过多方的学习参考文献资料，由此得出了三种最初的设计方案，并加以认真考虑那种方法最为适于课题的设计。

方案一：采用STC11L08XE单片机作为主控芯片，语音识别模块使用LD3320语音芯片，在该模块上也集成有REG1117-3.3V的稳压芯片，由于LD3320芯片集成了语音接收识别处理器和外部电路，其系统也精简，由于LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路，包括AD 和DA 转换器、麦克风、声音输出等接口，且不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM[7]；由于电路的精简，让各个芯片之间按原理设计的要求焊接在一起，使用起来非常的实用方便，该语音模块能够直接集成在现有的产品中，并且可以直接实现语音识别、声控、人机对话等功能，此语音模块的市场价格相对比较便宜，它采用的非特定人连续语音识别的技术，使得该模块的语音识别率相当高；通过使用LM2596和

LM2940芯片作电源模块，分别为两个直流电机、L298N、语音模块提供电源，采用定

时/计数器T0产生的PWM方波来控制电机的正反转等运动状态[8]，实现该方案结构如图1-1所示：

图1-1 STC单片机方案框图

方案二：使用凌阳SPCE061A单片机来设计语音小车，这款芯片非常的强大，其内部集成了语音的识别模块并且具有语音的播报和录放功能的模块[9]，只需要焊接好麦克风（MIC）和拓展语音的功放就可以了，在本设计当中，只要一块SPCE061A就能实现基本的功能模块的功能，极其的精简，在设计过程中节约了大量的时间，非常的便于使用，但是价格比较昂贵，这个方案的基本结构图如图1-2所示：

图1-2 凌阳61核心方案框图

方案三：这个方案是基于TMS320vc5420这款芯片的语音处理板的设计，整个设计都是围绕着TMS320vc5420为主要核心电路进行设计，该系统以语音CODEC芯片与DSP芯片作为最主要核心，并且具有强大的数据处理的能力和较灵活的与外部通信的接

口电路，其预算处理的速度非常的高效，能够快速的分析处理大量的语音信号的数据，实时性也不错，基于其性价比比较昂贵，一般用的不是太多，这个方案的设计如图1-3所示：

图1-3 DSP核心方案框图

由以上方案对比，方案一其性价比也相对比较便宜，基于该核心芯片是能够识别非特定人语音的，并且该芯片的识别正确率也很高，有95%这样的识别正确率，区别于一些需要进行事先录制声音的语音识别芯片，在芯片外围电路也比较简单，芯片外围设有喇叭、麦克风等拓展口，在语音识别方面上有较大的优势；方案二运用的比较的广泛，看起来也比较简易，但是考虑到其在软件上的设计比较困难并且整个设计价格较高；方案三虽然对语音信号的数据处理非常的强大，但是也考虑到其昂贵的价格，不宜选择；所以经过这三种方案的探讨与仔细的分析思考后，决定选择方案一为此次设计方案。

2 语音小车硬件设计

2.1 语音小车原理框图

基于硬件平台的设计，构建小车硬件原理框如图2-1所示。

图2-1 语音小车原理框图

此次的设计有三个大模块，即为语音识别模块LD3320（与单片机STC11L08XE集合在一块板子上）、电源模块（由LM2596和LM2940组成）、电机驱动模块L298N；在小车的设计上，使用两节3.7v电池为整个系统供电，在驱动小车上，电池输出电压由电压可调LM2596芯片稳压后输出，为小车的两个直流电机提供驱动电源；一部分由LM2940芯片把电池输出电压稳定在5V，测试输出稳定后，专门为整个语音芯片工作；由于这个语音模块中的LD3320和单片机的工作电压都是3.3V的，所以还要经过一个稳压芯片REG1117-3.3把电源模块里稳压输出的5V降低为3.3V，这样才能够使整个语音模块正常的工作；当接收语音的信号时候，该信号会经过语音芯片的逻辑处理，通过芯片内部的AD/DA转换，变换成单片机能够读取的数字信号，通过I/O口，由单片机内部的逻辑处理，再通过软件的编程，使用定时器中断T0产生脉冲宽度调制波（PWM）信号，然后再通过控制输出I/O口的操作，对L298N发出相对应的控制信号，实现对小车电机运动状态的操作。