基于LD3320的語音控制和自動避障的智能小車設計＊

米媛園，李光宗，喬丹妮

（西華大學機械工程學院，四川 成都 610039）

智能小車是當代汽車的模型縮減，技術水平發展良好，融合了各種跨學科的工科知識。當今的智能小車大多能夠完成自動循跡、避除障礙物、尋光等功能，有著向聲控系統發展的趨勢。設計的智能小車不僅可以完成傳統的自動尋跡和避障功能，還采用LD3320語音識別芯片對智能小車進行語音控制，使其具有更好的交互性和適用性。

1 系統總體結構

系統結構組成如圖1所示，它分為小車和遙控器兩部分，分別用單片機STC12C5A60S2和STC11L08XE作為微控制器，小車主要由紅外尋光模塊、四路巡跡模塊、電機驅動動力模塊和無線傳輸通信模塊組成，遙控器通過芯片LD3320來識別處理語音命令，通過NRF24L01與小車進行無線通信，控制小車運動。

圖1 系統結構組成

2 硬件電路設計

2.1 STC最小系統

本次設計采用STC12C5A60S2單片機作為控制芯片。其功能和性能與STC89C52幾乎完全相同，但速度較STC89C52更快，功耗也顯著地比STC89C52低，同時，此次運用的STC12C5A60S2還具備超高抗干擾能力的特點，還有具備雙串口等一系列功能。系統采用STC12C5A60S2單片機為主芯片，配合CH340TUSB轉串口芯片、復位按鈕和蜂鳴器組成最小系統。小車的最小系統電路如圖2所示。

圖2 小車最小系統電路原理圖

2.2 電機驅動模塊

本設計在電機驅動模塊中采用了4個直流減速電機，其采用的是TB6612FNG驅動芯片。TB6612FNG驅動芯片可以實現雙驅動，即可以同時驅動兩個電機。相較于傳統的L298N芯片，TB6612FNG芯片在體積方面大幅度減小，在效率上卻有明顯的提升，同時，該芯片在額定范圍內還有基本不發熱的特點，運用起來十分方便。依照電機驅動邏輯功能表，更改驅動芯片AIN1、AIN2、BIN1、BIN2、PWMA、PWMB的電平高與低，就可以控制電機的正反轉、停止，進而可以方便控制小車前進、后退、左轉、右轉、停止。芯片通過控制PWMA、PWMB在0～255之間控制小車的速度。

2.3 紅外避障尋光模塊

紅外傳感器指具有一對紅外發射與接收管的傳感器，傳感器的發射管先發射出一定頻率的紅外線，如果檢測方向出現障礙物，紅外線就被直接反射回來，此時，接收管接收反射回來的紅外線。在這個不大的范圍中，如果沒有了障礙物，那么發射管發射出去的這個光線就會因傳播的距離逐漸遠去，能量衰退，最終逐漸減弱，直至消失。本小車采用了兩個紅外傳感器，分別連接在STC12C5A60S2單片機的P1.6、P1.4引腳上。使用者經電位器設置閾值，當正前方發現障礙物時，OUT引腳置為低電平，如若沒有，則置為高電平。

2.4 循跡模塊

該設計的循跡模塊也運用到了紅外傳感器，下面是巡跡模塊的基本原理：本設計采用巡黑線行駛的方式，當紅外線發射到黑線上時，由于光的反射原理，其被黑線吸收掉，當紅外線發射到其他的顏色的材料上時，便會又反射到紅外的接受管上。據這一特點，便可以寫代碼完成小車巡線功能。該模塊共計使用四個紅外傳感器，分別連接在STC12C5A60S2單片機的P1.1～P1.3口上。當中間兩路檢測任意一個出黑線時，小車就會自動糾正，如果最外面檢測到黑線，則小車以更大速度糾正到正確黑線上面。

2.5 語音模塊

本次設計的語音模塊運用到了LD3320芯片，該芯片是一個基于非特定語音識別技術的語音鑒別芯片。芯片上高精度的集成了A/D和D/A接口，因此無需外接其他的Flash或者RAM，便可以實現語音識別功能。語音識別芯片LD3320與遙控器上STC11L08XE單片機的接收輸出數據管腳連接，負責語音識別結果數據的傳輸，并通過無線傳輸模塊NRF24L01將信號傳輸到小車，控制小車的相應動作。

2.6 無線通信模塊

本設計通信模塊用到了NRF24L01，其引腳的基本情況如下：CE是使能發射或接收端；CSN、SCK、MOSI和MISO是SPI引腳端，通過這些引腳配置24L01的狀態，可將其設置為發射、接收、空閑和掉電模式；IRQ是中斷端；VDD是電源的輸入端口；VSS為電源接地端口；XC1和XC2是晶振振蕩器的引腳；VDD_PA為功率放大器供電端，輸出為1.8 V；ANT1和ANT2為無線接口；IREF為參考電流輸入端；模塊在使用時CE腳不可一直置高，因為24L01內部發送數據時鎖相環開環控制容易造成載波震蕩，最長可以置高4 ms，然后必須置低才能保證傳輸可靠。電源不能超過3.3 V。

通信的時侯，每當NRF24L01接收到有效的語音數據，該模塊就能通過IRQ引腳傳輸數據，之后，單片機便可將接收到的數據從NRF24L0l自帶的RX寄存器中讀出。

3 軟件設計

3.1 主程序設計

本設計中，運用了本科學過的Keil4來完成軟件開發，并采用了C語言編寫程序，用的是STC-ISP調試功能。

單片機中斷初始化設置程序如下：為將定時器0和定時器1都設置為工作模式，工作方式為方式1，再把外部中斷0和1都設置成邊沿觸發方式，之后，再開啟定時器和外部中斷允許。當兩側均未檢測到障礙物時，小車均速前進，兩側均檢測到障礙物時，小車按照固定程序右轉。當左側檢測到障礙物時小車右轉，反之小車左轉。

3.2 語音控制小車程序流程

系統工作時，小車啟動時先執行初始化程序，然后LD3320芯片讀取外部傳送的語音信息。當用戶給出讓小車前進或停止等語音信號后，語音模塊識別語音信號；當識別成功后由LD3320內部進行一系列的轉換，轉換過后的數字信號由NRF24L01傳輸給小車的單片機，小車根據接收到的指令調用不同的子程序，執行相應的動作。系統工作的流程如圖3所示。

圖3 語音控制小車流程圖

4 結束語

該多功能語音智能小車可以流暢實現先后左右行駛，巡跡、避障以及語音控制等一系列功能，測試效果良好。同時在測試過程中能夠看出，相較于噪聲水平高的環境，語音識別系統在低噪聲環境中識別率更高，小車的控制系統僅僅采用語音識別，可能還達不到很好的控制效果，如果能夠再加上鍵盤甚至APP控制，將會大大提升控制效果，使得小車更加智能，在之后的研究過程中，可以嘗試加入，使得本設計更加適用于各種環境和人群。