基于SPCE061A單片機(jī)的語音控制玩具車設(shè)計(jì)

龍春陽

(湖南婁底職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 婁底 417000)

0 引言

近年來，世界科技的迅猛發(fā)展，高科技含量的機(jī)器人、電子玩具等已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流，發(fā)展科技型玩具已是必然的趨勢，不僅世界大玩具公司爭相開發(fā)，世界電腦巨頭微軟、英特爾、IBM、以及世界電器霸主松下、東芝、索尼等也都垂青于電子玩具，紛紛將半導(dǎo)體技術(shù)、數(shù)碼技術(shù)用于玩具開發(fā)。麻省理工學(xué)院也早已得到迪士尼等4大公司資助數(shù)百萬美元的研究開發(fā)經(jīng)費(fèi)。這種科技、教育與玩具制造業(yè)的結(jié)合，將是玩具業(yè)在技術(shù)上的又一次革命，為使其更加生動、智能，讓語音技術(shù)融入玩具中，不僅可以賦予玩具“聽”、“說”等交流能力，富含趣味性，使玩具更可愛、更吸引人，同時(shí)也有利于在兒童中普及現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)。這既能推動語音技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展，又能促進(jìn)科學(xué)技術(shù)在我國新生代中萌發(fā)生機(jī)，激發(fā)出更多創(chuàng)意，進(jìn)而為我國智能科技的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。同時(shí)亦將推動科技的智能化、產(chǎn)業(yè)化，這是社會科技發(fā)展的需求與動力。

凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A作為一種16位新型單片機(jī)，自帶語音系統(tǒng)，為實(shí)現(xiàn)玩具智能化提供了便捷，滿足了智能化的需求。同時(shí)，由于單片機(jī)作為一種簡單計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，起步較低、上手快，很適合電子愛好者作為起步學(xué)習(xí)，是掌握單片機(jī)應(yīng)用的好材料，而智能玩具車作為一種可實(shí)現(xiàn)的趣味性機(jī)器人，不失為一種學(xué)習(xí)的好方式，是進(jìn)一步提高軟件與硬件綜合運(yùn)用與實(shí)現(xiàn)的好途徑。

本文采用凌陽單片機(jī)SPCE061A作為語音控制玩具車的核心。利用它自身豐富的資源與電機(jī)驅(qū)動相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一款語音控制智能玩具車。

1 方案論證

根據(jù)需求，要實(shí)現(xiàn)語音對玩具車的控制，即至少通過人說話的聲音實(shí)現(xiàn)控制玩具車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等基礎(chǔ)變換運(yùn)動的功能。本設(shè)計(jì)的后續(xù)開發(fā)都是建立在這些基礎(chǔ)之上的。

1.1 系統(tǒng)控制方案

該方案采用直接加載凌陽16位單片機(jī)SPCE061A語音控制模塊，其原理框圖如圖1所示。

圖1 原理框圖

人的聲音通過話筒濾波之后，直接進(jìn)入單片機(jī)SPCE061A內(nèi)嵌的ADC模塊，由CPU處理后通過總線將信號傳至內(nèi)嵌的語音處理模塊，最后通過DAC模塊輸出，再經(jīng)功率放大器放大之后就可以聽到剛才的聲音。在聽到聲音的同時(shí)CPU也將信號通過I/O口輸出相應(yīng)信號到電機(jī)控制板，驅(qū)動玩具車按照所給的指令進(jìn)行運(yùn)動。而系統(tǒng)信號處理板中的各功能模塊有凌陽61板可借鑒，很大程度上減小了開發(fā)難度與開發(fā)周期。

一方面該方案由于有凌陽61板可借鑒，效果較好，同時(shí)又大大縮短了開發(fā)周期，只需認(rèn)真分析模塊的調(diào)用、I/O口的分配及軟代碼的開發(fā)，相對來說較容易實(shí)現(xiàn)。另一方面該方案采用1個(gè)電機(jī)控制方向，能夠使玩具車的運(yùn)行狀況更加靈活、穩(wěn)定，但精確度不高。

1.2 車體機(jī)械構(gòu)造方案

車體機(jī)械構(gòu)造方案主要解決玩具車車輪前后左右方向上受力問題。由于系統(tǒng)控制方案已確定后輪為驅(qū)動輪，前輪為方向輪。因此，對于后輪，運(yùn)動中輪與軸的交點(diǎn)與車體相對靜止，即相對位置是唯一的，只需驅(qū)動電機(jī)通過齒輪提供即可。對于前輪，要實(shí)現(xiàn)左右旋轉(zhuǎn)，在運(yùn)動中輪與軸的交點(diǎn)與車體相對位置就會發(fā)生變化，要確保在它變化時(shí)仍然受方向電機(jī)的控制。

以上方案通過2個(gè)彈簧，在電機(jī)沒有施力的情況下可以自動恢復(fù)，且彈簧較短，受力可調(diào)，解決了所有問題。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件方面，由于大部分的功能實(shí)現(xiàn)都是在61板上完成的，只有電機(jī)驅(qū)動電路和電源另外設(shè)計(jì)在一塊獨(dú)立的電路板上，不妨稱為驅(qū)動板。玩具車的運(yùn)行原理、驅(qū)動電路板的結(jié)構(gòu)和功能實(shí)現(xiàn)具體如下:

2.1 玩具車動作原理

此次設(shè)計(jì)的玩具車為4輪結(jié)構(gòu)，由電機(jī)控制車輪的運(yùn)行，后輪提供動力，前輪控制方向。彈簧的作用是使玩具車在沒有力作用的情況下，自動處于直行位置;在連桿和支點(diǎn)的協(xié)同作用下實(shí)現(xiàn)前輪左右偏移動作。

1)直行:由玩具車的結(jié)構(gòu)分析，在沒有力作用時(shí)，彈簧使前輪保持正直狀態(tài)(無偏移)，此時(shí)只需動力電機(jī)正轉(zhuǎn)，玩具車便直行。

2)倒車:倒車動作和前行相反，前輪保持直行狀態(tài)，動力電機(jī)反轉(zhuǎn)，玩具車向后運(yùn)動。

3)左轉(zhuǎn):前輪逆時(shí)針偏移(規(guī)定為正轉(zhuǎn))，后輪正轉(zhuǎn)，這時(shí)玩具車就會在前后輪共同作用下偏左前進(jìn)，即左前轉(zhuǎn)彎。

4)右轉(zhuǎn):前輪反偏，后輪正轉(zhuǎn)，這時(shí)玩具車偏右前進(jìn)。

2.2 驅(qū)動板原理

驅(qū)動板主要由電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路和接口電路組成。驅(qū)動板電路原理如圖2所示。

1)電源:整個(gè)設(shè)計(jì)中涉及到4個(gè)電源信號，即電池電源、61板電源、61板I/O端口電源及驅(qū)動板電源。所有電源由電池提供及分配。

2)接口電路:接口電路實(shí)現(xiàn)不同板之間的電路連接。通過它為61板提供電源、信號的輸出以及電機(jī)的驅(qū)動電源。為了以后系統(tǒng)的升級，實(shí)現(xiàn)更多更強(qiáng)大的功能，設(shè)計(jì)中預(yù)留了一些接口。

圖2 驅(qū)動板原理圖

3)驅(qū)動電路:驅(qū)動電路由2個(gè)NPN和2個(gè)PNP構(gòu)成H橋來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的驅(qū)動控制。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

主程序由初始化、訓(xùn)練操作、識別環(huán)節(jié)和重訓(xùn)操作等構(gòu)成。系統(tǒng)流程如圖3所示。

1)初始化:由于IOB8～I(xiàn)OB11用以使能電機(jī)向不同的方向轉(zhuǎn)動，因此必須將其設(shè)置為輸出端。開啟IOB8、IOB9的第二功能，用脈寬調(diào)制輸出，可實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的靈活控制。

2)訓(xùn)練操作:訓(xùn)練操作主要完成聲音模型的建立。系統(tǒng)上電后就會判斷玩具車是否已訓(xùn)練，如果還沒有訓(xùn)練則會要求使用者對其進(jìn)行訓(xùn)練操作，在訓(xùn)練成功后將訓(xùn)練模型存儲到Flash中。如果已經(jīng)訓(xùn)練就會把存儲在Flash中的模型調(diào)出裝載到識別器中，等待與使用者發(fā)出的聲音命令進(jìn)行對比。

圖3 系統(tǒng)總體程序流程圖

3)識別環(huán)節(jié):如果使用者發(fā)出的是名字指令，系統(tǒng)就會停止當(dāng)前動作進(jìn)入待命狀態(tài)。如果識別結(jié)果為動作指令，系統(tǒng)將會語音告知相應(yīng)動作并執(zhí)行該動作，相應(yīng)I/O口輸出相應(yīng)的電平。

4)重訓(xùn)操作:系統(tǒng)板設(shè)計(jì)了一個(gè)可重新訓(xùn)練的觸發(fā)按鍵。系統(tǒng)上電后循環(huán)掃描該鍵，如果有按鍵按下，系統(tǒng)設(shè)置的訓(xùn)練標(biāo)志位將會被擦除，并復(fù)位。復(fù)位后，系統(tǒng)檢測到該標(biāo)志位為OXFFFF，此時(shí)系統(tǒng)便要求進(jìn)行使用者聲音輸入訓(xùn)練。

4 結(jié)語

基于SPCE061A單片機(jī)的語音控制玩具車設(shè)計(jì)，通過方案論證得出，SPCE061A在語音控制方面具備很強(qiáng)的優(yōu)勢。硬件設(shè)計(jì)采用2個(gè)電機(jī)，它們分別用來控制方向和作為驅(qū)動控制速度，以圖像配文字的方式說明，清晰明了。電機(jī)驅(qū)動采用NPN、PNP三極管組合構(gòu)成的H電橋來控制。在軟件方面，主要通過語音識別及其原理，導(dǎo)出語音識別子程序、動作子程序、中斷子程序等構(gòu)造。由該設(shè)計(jì)可以看出，語音識別芯片和單片機(jī)的組合不僅可以使方案變得簡單清晰，而且成本也會大大降低，同時(shí)語音控制玩具車的訓(xùn)練和識別程度都比較理想，是用語音進(jìn)行控制的典型設(shè)計(jì)。

［1］何立民.單片機(jī)高級教程:應(yīng)用與設(shè)計(jì)［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2007:7－54.

［2］袁太生.單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)(凌陽系列)［M］.北京:中國電力出版社，2007:23－55.