基于STC单片机的智能语音控制小车

基于 STC 单片机的智能语音控制小车一、实验目的1.随着科技的进步和社会的发展， 汽车技术的发展越来越智能化。

本次接口实验 设计就是基于简单智能化的基础上， 采用LD3320 语音单元和 STC 单片机和L298N 机电驱动， 开辟出基于语音无线控制与智能避障的小车， 实现非特定人声语音控 制小车， 以及小车超声波自动避障行驶的功能， 同时液晶显示出超声波前方障碍 物的距离。

2．掌握用 Altium Designer10 软件绘制原理图和 PCB 电路，以及电路板的制作 过程(包括转印、腐蚀，焊接，下载与调试)，熟练 Keil uVision4 环境以及单 片机 C 代码的编写、 调试和 hex 文件的生成并下载到单片机芯片内， 掌握软硬联 调技巧与方法。

3．掌握 基于 LD3320 的语音单元的编程、语音处理及与单片机间的通信。

二、系统总体方案本次设计的小车采用 STC89C52 单片机作为主控芯片， 通过 LD3320 语音单元 接单片机控制小车行驶状态(包括前进、后退、左转、右转及停车)；小车行驶 过程中遇到障碍物， 如果没有接收到语音信号而超声波检测模块检测周围障碍物 小于安全距离 40cm ，小车自动转向， 距离通过 LCD1602 液晶显示出来； 采用 L298 作为机电驱动芯片驱动小车行驶。

系统总体框图如图 2.1：图 2.1 系统总体框图LCD1602 液晶显示STC89C52 单片机7805 稳压电路18650 锂电池电源HC-SR04 超声波模块L298N 机电驱动直流减 速机电降压模块扬声器LD3320 语音单元三、硬件设计3.1 主控系统本次设计采用 STC89C52 单片机作为控制芯片， STC89C52RC 是 STC 公司生产的一种低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 字节系统可编程 Flash 存储器。

单片机系统电路图 2：图 3.1 单片机最小系统原理图复位电路：手动复位，按下复位按钮，复位脚得到 VCC 的高电平，单片机复位，按钮松开后，单片机开始工作。

如图 3.2 (1)：时钟电路：在52 单片机片内有一个高增益的反相放大器，反相放大器的输入端为XTAL1，输出端为XTAL2 ，由该放大器构成的振荡电路和时钟电路一起构成为了单片机的内部时钟方式。

如图 3.2 (2)：(1)复位电路： (2) 时钟电路：图 3.2 (1)复位电路 (2)时钟电路3.2 超声波模块超声波模块( HC-SR04)是小车测距和避障的重要模块。

该模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号；(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2；超声波时序图 3.3：图 3.3 超声波时序图由时序图表明你只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。

一旦检测到有回波信号则输出回响信号。

回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。

由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

公式： uS/58=厘米或者 uS/148=英寸；或者是：距离= 高电平时间*声速(340M/S) /2；建议测量周期为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

超声波电路如图 3.4：图 3.4 超声波电路3.3 LD3320 语音识别单元语音识别作为信息技术中一种人机接口的关键技术，具有重要的研究意义和广泛的应用价值。

语音识别技术的应用范围极其广泛，不仅涉及到日常生活的方方面面，在军事领域也发挥着极其重要的作用。

它是信息社会朝着智能化和自动化发展的关键技术，使人们对信息的处理和获取更加便捷，从而提高人们的工作效率。

语音识别是将人类的声音信号转化为文字或者指令的过程。

语音识别以语音为研究对象，它是语音信号处理的一个重要研究方向，是模式识别的一个分支。

根据在不同限制条件下的研究任务，产生了不同的研究领域。

这些领域包括：根据对说话人说话方式的要求，可分为孤立字(词)、连接词和连续语音识别系统；根据对说话人的依赖程度，可分为特定人和非特定人语音识别系统；根据词汇量的大小，可分为小词汇量、中等词汇量、大词汇量以及无限词汇量语音识别系统。

从语音识别模型的角度讲，主流的语音识别系统理论是建立在统计模式识别基础之上的。

语音识别系统本质上是一种多维模式识别系统，对于不同的语音识别系统，人们所采用的具体识别方法及技术不同，但其基本原理都是相同的，即将采集到的语音信号送到特征提取模块处理，将所得到的语音特征参数送入模型库模块，由声音模式匹配模块根据模型库对该段语音进行识别，最后得出识别结果。

语音识别系统基本原理框图如图 3.5 所示，其中：预处理模块滤除原始语音信号中的次要信息及背景噪音等，包括抗混叠滤波、预加重、模／数转换、自动增益控制等处理过程，将语音信号数字化；特征提取模块对语音的声学参数进行分析后提取出语音特征参数，形成特征矢量序列。

图 3.5 语音识别系统框图3.4 机电驱动小车轮子驱动采用直流减速机电，驱动芯片使用恒压恒流桥式 2A 驱动芯片 L298N 。

L298 是 ST 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N ， 内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。

可以方便的驱动两个直流机电， 或者一个两相 步进机电。

L298N 芯片可以驱动两个二相机电，也可以驱动一个四相机电，输出 电压最高可达 50V ，可以直接通过电源来调节输出电压； 可以直接用单片机的 IO 口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。

L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号 VSS ，VSS 可接 4.5~7 V 电压。

4 脚 VS 接电源电压， VS 电压范围 VIH 为＋2.5~46 V 。

输出电流可达 2.5 A ，可驱 动电感性负载。

L298 驱动电路如图 3.6：图 3.6 机电驱动电路相似性度量参考模式库识别训练输入 语音特征提取 识别结果预处理后处理L298N 机电驱动逻辑控制表 1：ENA IN1 IN2 运转状态0 X X 住手1 1 0 正转1 0 1 反转1 1 1 住手1 0 0 住手表 1 L298N 机电驱动逻辑控制根据机电驱动逻辑功能表，通过改变单片机 IO 口高低电平变化，可以方便实现小车前进、后退、左转、右转、住手。

3.5 LCD1602 液晶显示LCD1602 是工业字符型液晶，能够同时显示 16x02 即 32 个字符。

(16 列 2 行) 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块它有若干个 5X7 或者 5X11 等点阵字符位组成，每一个点阵字符位都可以显示一个字符。

每位之间有一个点距的间隔每行之间也有间隔起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以他不能显示图形。

其中 RS 为寄存器选择端，高位时是数据寄存器，低位时是指令寄存器； RW 时读写信号线，高位时是读，低位时是写； E 为使能控制端。

超声波避障的距离显示采用 LCD1602 液晶实现。

当超声波检测到前方障碍物在安全距离内(40cm)，单片机驱使小车自动转弯，并将超声波测得的障碍物的距离送到液晶并显示出来。

液晶与单片机的电路图如图 3.7：图3.7 液晶电路图3.6 电源与稳压电路由于小车机电的驱动电压普通选择 8V，单片机的电压为 5V，要实现小车供电和续航，采用 18650 大容量可充电锂电池，锂电池可提供 12V 供电，为了不影响驱动机电的供电电源和单片机供电电源产生信号干扰，设计中加入了可调降压模块，使 12V18650 锂电池电压调至 8V 后供给直流减速机电，使 12V18650 锂电池经 7805 稳压至 5V 后供给 STC 单片机、 L298N 机电驱动芯片、基于 LD3320 的语音单元和超声波等使用， L7805 的稳压和电源电路如图 3.8：图3.8 L7805 稳压和电源电路3.7 系统整体原理图与 PCB 主控图系统整体原理图与PCB 主控图如图3.9：(1) 系统整体原理图(2) PCB 主控图图 3.9 (1)系统整体原理图 (2) PCB 主控图四、软件设计4.1 系统总体软件设计软件设计部份分为两大类，一类是语音芯片应用程序的开辟设计，另一类是单片机下位机的程序编写。

小车操作流程是： 1，按下开关给单片机和驱动电路供电，系统初始化，语音启动小车； 3，通过语音控制小车前进、左转、右转、后退、住手； 4，行驶过程如遇障碍物，小车自动转弯避障，同时实时显示障碍物与车的距离。

小车操作流程如下图 4.1：开始初始化中断发生no串口中断yes 语音中断服务输出运动状态定时器中断超声波开启计算障碍物距离LCD1602显示结束yesno 距离小于40myesno 小车处于运动中转弯图 4.1 小车操作流程图4.2 语音识别开辟图 4.2 语音编程界面语音单元测试语音单元测试主要是语音识别参数进行测试，测试参数有麦克风灵敏度设置，语音端点检测，语音信号起始确认时间，语音信号结束时间，语音信号最长持续时间。

参数测试主要是麦克风灵敏度和语音端点检测。

通过控制变量法，在保持麦克风灵敏度一定的前提下，调节端点检测，来观察扬声器音频输出的准确性，反之，保持端点检测值至一定的前提下，调节麦克风灵敏度，以此来找到使语音准确输出的最优麦克风灵敏度参数和语音端点检测值，以保证语音输出的准确性。

误差分析：本次作品的相对误差如表 2，造成相对误差可从以下几方面分析。

其中，环境噪声是造成误差最重要的因素，在做系统测试时，并没有做到在低分贝理想环境下进行测试。

其次，本次作品是使用了麦克风，所以，麦克风的灵敏度不高也 会造成误差。

在语音识别模块，语音断点检测和语音信息相似度也会造成误差。

本次作品电源设计设置的语音信息相差太近， 会对识别造成难度。

最后， 说话距 离的远近也会造成误差， 做测试时并非每一次都在最佳距离范围内测试， 所以 会有误差。

表 2 语音模块误差测试4.3 单片机下位机软件设计单片机下位机软件设计采用模块化结构， 由主程序﹑定时子程序、 定时器中 断子程序、 机电驱动子程序﹑串口中断子程序、 显示子程序﹑超声波避障子程序 ﹑算法子程序构成。

其中： 避障中断服务子程序完成对超声波探测器产生的外部 中断进行处理， 如果超出预定的危（wei ）险距离就进行避障。