| 标题 | 基于STM32F103ZET6的无线语音控制小车设计与实现 |
| 范文 | 王芷郁 王善伟 曾胜艳 摘要：本文以STM32F103ZET6单片机作为控制核心，通过LD3320语音识别模块识别用户通过麦克风输入的语音指令，通过nRF2401无线模块实现遥控器与小车间的无线通信，小车收到动作指令后，通过单片机控制小车底部电机动作实现前进、后退、左转、右转灯操作。采用C语言进行编程，进行语音的识别，以及模块间的通信与控制。最终测试结果表明：系统能够识别使用者的语音命令并通过无线传输指令来控制智能小车的运行。 关键词：STM32F103ZET6；语音识别；智能小车 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0197-03 Abstract： This paper takes STM32F103ZET6 microcontroller as control core， through the LD3320 speech recognition module user input through a microphone voice commands， wireless communication and remote control car through the nRF2401 wireless module， the car received instruction， through the MCU to control the car bottom motor realize forward and backward， turning left and right lamp operation. C language is used to program， speech recognition， and communication and control between modules. The final test results show that the system can identify the user's voice command and control the operation of the smart car through the wireless transmission instruction. Key words： STM32F103ZET6； Speech recognition； intelligent car 1 引言 语音识别以语音为研究对象，这是语音信号处理的一个重要研究方向语音识别语音，模式识别是一个涉及许多领域生理学，心理学，语言学，计算机科学，信号处理，其最终目的是人与机器进行自然语言通信，用语言操作电脑[1]。 现在，在智能语音玩具的研究中，语音，这种人类最简单、最自然、最方便和最有效的交换信息和控制的方式，在玩具上的应用还较少，显然，在玩具系统上增加语音接口，用语音代替键盘输入，并进行人机对话，让玩具能听会说，具有廣泛的应用前景，同时，也是玩具智能化的重要标志之一。人机一体化的设计思想将信息技术和控制技术引入到车辆的操纵控制中，形成机器智能，使驾驶员的感知、决策和执行能力得到扩展[2]。本文设计了一款智能语音交互式玩具系统，该玩具可以实现识别语音命令，完成相应无线控制小车前进、后退、自我介绍等功能，融合了较高的娱乐性，也是未来智能语音玩具的一个发展方向。 2 系统总体方案设计 系统组成主要包括以下两部分：语音无线遥控、智能小车。语音无线遥控部分包括LD3320语音识别模块用于识别用户命令，其中语音输入部分麦克风、声音输出部分的功率放大环节等已经整合在一起，SD卡模块是储存语音播报素材，NRF24L01无线模块主要负责遥控与小车的无线通信，用于接收指令完成相应的动作与反馈指令，液晶显示模块主要显示出各个模块是否正常工作以及接收和发出的指令。电机驱动模块用于接收单片机指令从而驱动电机动作。电源模块是将7.2伏电压稳定在5伏电压提供给各个模块，红外模块安装于小车四周防止小车在行驶过程中与障碍物发生碰撞。系统结构框图如图1所示。 3 语音无线遥控系统硬件设计 3.1 语音无线遥控器设计 语音无线遥控器结构主要由STM32F103ZET6核心控制板模块、SD卡存储器模块、语音识别模块和NRF24L01无线模块组成。其中语音识别模块是由语音输入与输出模块、语音识别芯片组成。所有的模块都是通过串行SPI方式与核心控制板相连，并由它控制。 语音无线遥控器的工作原理如下：通过麦克风发出控制指令控制，语音识别模块识别，产生一个32位控制码取决于控制信号由单片机的SD存储模块匹配“关键字列表”，然后由语音识别模块扬声器说话的声音播放出来，然后MCU发送控制信号以控制无线传输模块发送到控制码以无线电波的形式，由一个小的车接收的车辆控制单元的后MCU处理和控制小车产生预期的作用。它接收到的语音命令，通过语音识别处理的麦克风，和将识别结果作为二进制码到中央控制器，用于处理输出。 3.2语音识别模块设计 3.2.1语音识别芯片LD3320的工作原理 LD3320语音识别芯片采用的是ASR技术，LD3320的语音识别进程，首先对由麦克风输入的语音进行频谱分析。让语音与关键词列表的词进行比较，最后最相近的关键词作为识别结果。语音识别芯片LD3320采用ASR技术，提供了一种脱离各种各样操作方式只用语音来控制系统的操作，这样使得操作更简单、快速和自然。使用者只需要以字符串的形式把识别的关键词语传送进芯片，就可以让识别立即生效。LD3320的语音识别系统可以随着程序，在运行时动态地更改关键词语列表的内容，应用到多种不同的场景，而且不需要语音训练[3]。 3.2.2 语音识别技术 语音识别（ASR）技术是基于“关键词语列表”的识别技术，它是对大量的语音数据经语言学家语音模型分析，建立数学模型，并经过反复训练提取基元语音的细节特征，以及提取各基元间的特征差异，得到在统计概率最优化意义上的各个基元语音特征，再利用算法以及语音模型转换成硬件芯片并广泛应用在嵌入式系统中。ASR技术的每次语音识别的过程就是把使用者说出的语音内容，利用频谱转换为语音特征，再将这个转换后的语音特征和“关键词语列表”中的条目一一进行匹配，匹配到与列表中最相近的就作为识别结果[4]。 4 智能小车系统硬件设计 智能小车是由无线模块，液晶显示模块，电机驱动模块，电源模块和红外避障模块构成。本设计配备两个电机驱动模块分别驱动两个四相步进电机，通过8个控制端分别控制小车的所有动作。通过改变芯片内的定时器的频率来达到步进电机加减速的目的。无线模块主要功能在于接收语音遥控的命令和发送反馈信号控制遥控播报语音。 4.1 智能小车车体设计 智能小车为三轮结构，如图2所示。由两个步进电机分别控制前面两个车轮，单片机控制电机的状态与转速，来控制小车前进或后退的方向。前轮为整个小车提供动力且保持中间位置，万向轮作为后面的支撑点。直走：两前轮保持速度一致，前轮电机正转小车就会前进。倒车：两前轮保持速度一致，前轮电机反转小车就会后退。右转：两轮速度不一致，右轮电机转速比左轮转速慢小车就会右转。左转：两轮速度不一致，左轮电机转速比右轮转速慢小车就会右转。 4.2 电源电路设计 整个小车有2个独立电源，第一个是5V稳压电源，它是由两节3.7V可充电电池串联作为电源输入，其输出5V电压分别给主控板，无线模块，红外避障模块提供电压，电源电路如图3所示。第二个12V电源的最大作用是直接给电机驱动模块提供电源，因为该电源瞬间最大电流可达30A，完全可以满足步进电机大电流供电的要求。使用两个独立电源是因为电机驱动模块的电流特别大，会造成控制板工作混乱，所以不能与控制板共用同一个电源。 4.3 电机驱动电路设计 电机驱动电路如图4所示，图中5V为逻辑电源，12V为动力电源。OUT1、OUT2、OUT3、OUT4分别引至P1与P2这个接口处，让其与步进电机的四相线相连。ENA与ENB直接接入5V逻辑电源让这个步进电机时刻都在使能状态下工作，通过控制IN1、IN2、IN3、IN4这四个接口输出的电脉冲信号来控制步进电机的运行。因为线圈式的电机在运行状态突然停止会产生很大的反向电流，所以在四路输出电路外加入二极管的作用就是为了进行泄流，保护电机与芯片的安全。 5 语音无线遥控与智能小车的系统软件设计 小车的运动控制完全有语音无线控制。它是通过语音识别后通过无线命令控制小车动作，小车接收到无线命令执行动作之后，在小车每一个动作完成之后，小车的运动状态又可以再次通过语音指令被使用者改变。语音无线遥控系统程序总流程如图5所示。智能小车的程序总流程如图6所示。 语音识别的操作顺序是：先进行语音识别的初始化，自检各个模块是否正常工作，然后写入识别列表，系统即开始进行语音识别，如果识别了，寄存器B2H就会有对应的值，如果对应的值为21H则识别结果正确。识别列表的规则是：LD3320芯片一共只能设置50个命令，这些命令都是由汉语拼音组成，每一个识别编号都是不一样的，但是其内容可以一样也可以不一样。识别以后，按识别列表命令播报语音，并且同时发出无线指令，小车就收到指令，执行指令的动作，这样就完成软件的一个循环。 6 结论 本设计以STM32F103ZET6单片机为基础，主要包括了语音模块电路、电机驱动电路、无线模块电路、液晶显示电路等。设计中最主要的就是对语音模块的开发及应用，它有着其他语音系统无法相比的优点，它可以利用储存模块随意修改识别列表，而且结构很简单，可以被很多简单的单片机驱动，所以移植很方便，适用性很强，几乎能满足所有语音电子产品的需求。其次就是无线模块的开发，它让语音控制变得更加的灵活，只需对着语音遥控发出命令，远方的小车就会执行命令。本系统成本低廉、擴展性强，有大量推广使用的价值和潜力。 参考文献： [1] 边海龙，孙永奎. 单片机开发与典型工程项目实例详解[M].电子工业出版社，2008. [2] 李红霞，罗琪翔. 语音控制的智能小车的设计[J]. 工业控制计算机，2015（8）：143-144. [3] 辛顺友，胡永生.单片机应用系统设计与实现[M].福建：福建科学技术出版社，2005. [4]. 黄智伟. 凌阳单片机课程设计指导[M].北京航空航天大学出版社，2007. |
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