語音控制智能車的硬件和軟件設(shè)計案例目錄TOC\o"1-3"\h\u173351語音控制智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計 817471.1語音控制的智能車的硬件組成 8190371.2智能車運動控制芯片STC89C52RC 9114121.3智能車通信與控制芯片STC12C5A60S2 9176921.4電機驅(qū)動L298N模塊 10114951.5測速模塊 12216451.6藍牙通信模塊 1399752軟件設(shè)計 15246632.1軟件功能設(shè)計 15154362.2編程軟件介紹 166012.2.1開發(fā)軟件KeiluVision5與STC-ISP的介紹 1630402.2.2安卓開發(fā)編程環(huán)境 18245642.3智能車通信與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計 19180942.3.1工作流程 1927662.3.2串口通信和藍牙串口通信軟件設(shè)計 20127932.3.3速度測量功能設(shè)計 2132052.4智能車運動系統(tǒng)軟件設(shè)計 22196212.1.1工作流程 2274712.1.2電機驅(qū)動與速度控制設(shè)計 23144042.5安卓手機軟件系統(tǒng)設(shè)計 25170462.2.1工作流程 25194192.2.2藍牙連接程序設(shè)計 27180632.2.3語音識別程序設(shè)計 2895652.2.4手動功能程序設(shè)計 281語音控制智能車硬件系統(tǒng)設(shè)計1.1語音控制的智能車的硬件組成

STC89C52RC單片機L298N電機驅(qū)動電源模塊

STC89C52RC單片機L298N電機驅(qū)動電源模塊

STC12C5A60S2單片機藍牙模塊數(shù)碼管數(shù)碼管循跡模塊測速模塊紅外避障電機模塊串口串口1串口2智能車運動系統(tǒng)智能車通信控制系統(tǒng)圖4-1硬件系統(tǒng)框圖STC12單片機的串口2連接藍牙模塊，串口1與STC89的串口相連，測速模塊使用外部中斷的引腳，實現(xiàn)計數(shù)，并連接數(shù)碼管模塊，用于速度值的顯示。STC89與L298N電機驅(qū)動模塊連接，電機驅(qū)動模塊連接電機，STC89單片機輸出PWM（Pulsewidthmodulation，脈沖寬度調(diào)制）波對智能車速度進行控制。STC89連接循跡模塊、避障模塊、數(shù)碼管模塊，其中數(shù)碼管模塊用于負(fù)責(zé)智能車的狀態(tài)顯示（功能模塊具體實現(xiàn)詳見第五章軟件設(shè)計）。電源模塊對兩個單片機板進行供電。1.2智能車運動控制芯片STC89C52RCSTC89C52RC單片機是一款在消耗電量十分低的情況下同時有著較強性能的一款8位的微控制器，相比較與傳統(tǒng)的51單片機，STC89C52RC單片機做了很多的改進，在程序的存儲空間和數(shù)據(jù)的存儲空間都得到了增強，也可以稱為性能增強的芯片是8051的單片機，并且通過編程實現(xiàn)功能的代碼同樣也可以用在8051的單片機上，這些改進的地方都使得在嵌入式控制系統(tǒng)的應(yīng)用中提供了更多的幫助和解決方法。具有以下的特點：STC89C52RC單片機有三個定時器，相比較STC89C51單片機（簡稱51單片機）多出來一個定時器T2。STC89C52RC單片機還有一個雙全工的串口，可以用來串口通信，也可以利用其進行燒錄程序。STC89C52RC芯片引腳圖如圖4-2所示。圖4-2STC89C52RC芯片引腳圖1.3智能車通信與控制芯片STC12C5A60S2STC12C5A60S2單片機可以在復(fù)雜環(huán)境下保證程序的正常運行，也可以十分快速的處理所需要的接受到的信號，同時保證耗電量在一個非常低的水平。在STC12C5A60S2單片機上所實現(xiàn)的功能所需要的運行的代碼程序同樣也可以在一般的51單片機上進行稍微的適配后運行實現(xiàn)相同的功能，同時速度可以達到一般的51單片機的10倍左右，STC12C5A60S2單片機（簡稱STC12單片機）沒有T2定時器，雖然少了一個定時器，沒有辦法利用其作為波特率發(fā)生器，但是STC12單片機擁有一個波特率發(fā)生器，而且是進行編程后可以自己單獨工作的，在進行串口通信時，作波特率發(fā)生器。STC12單片機的有兩路PCA（Programmable?Counter?Array，可編程計數(shù)陣列），也可以作為2路PWM波輸出，也可以配置寄存器后等同于兩個定時器。STC12單片機也有只用于A/D轉(zhuǎn)換的電路，電路一共有8路，ADC所能到達的精度高達10位，并且轉(zhuǎn)換速度也十分的快。STC12單片機具有一個串口，工作方式是全雙工異步通信，因為STC12單片機是高速的單片機，所以只要處理速度足夠快，可以利用定時器進行適當(dāng)?shù)目刂茖崿F(xiàn)許多的串口。晶振選擇：由于語音控制的智能車系統(tǒng)是通過串口和藍牙通信，藍牙模塊和安卓手機軟件遠(yuǎn)距離無線通信，因此在波特率的設(shè)置中，為了有更好的通信效果，產(chǎn)生較少的波特率誤差，需要產(chǎn)生波特率，這時候就要定時器進行配合和設(shè)置。而定時器的效果和單片機的晶振有關(guān)，如果采用12M的晶振，然后用定時器配置出9600的波特率，計算得出的誤差會比較大，但選擇11.0592M的晶振，則基本上沒有誤差，所以選擇晶振為11.0592M。1.4電機驅(qū)動L298N模塊L298N模塊可以實現(xiàn)電機的驅(qū)動功能，L298N的實物圖如圖4-3所示。使用說明：首先介紹一下驅(qū)動板主要的使用方法，L298N驅(qū)動板可以驅(qū)動直流電機，可以驅(qū)動一個直流電機，也可以再增加一個直流電機，兩個電機互相不會影響，但此時的使能端ENA、ENB必須為高電平，否則驅(qū)動板則不會正常工作，也沒有能力使得直流電機工作。L298N電機驅(qū)動板電路原理圖如圖4-4所示，控制與電機狀態(tài)表如表4-1所示。圖4-3L298N電機驅(qū)動板實物圖直流電機的驅(qū)動:該驅(qū)動板可驅(qū)動兩路直流電機，使能端ENA、ENB為高電平時有效，控制方式及直流電機狀態(tài)圖所示。因為兩路的驅(qū)動方式都是相同的，因此講述一邊的控制方式，首先驅(qū)動板正常工作需要使能端為高電平，此時控制端口IN1、IN2才能夠正常工作，IN1、IN2相當(dāng)于控制電機的兩個引腳為高電平還是低電平，例如ENA為高電平，IN1為高電平，IN2為低電平時，并且電機和驅(qū)動板連接好后，電機便會反轉(zhuǎn)，同樣的另一邊的電機也可以根據(jù)這種控制方式實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)等狀態(tài)，通過兩個電機的配合實現(xiàn)智能車的向各個方向的運動。如果要對直流電機的轉(zhuǎn)速可以發(fā)生改變，即利用PWM進行控制智能車單位時間所行駛的距離，可以對改變電機的控制端的狀態(tài)，對IN1、IN2進行設(shè)置，清楚每一個狀態(tài)下電機會往對應(yīng)狀態(tài)下的轉(zhuǎn)動的方向，然后在使能端，也就是ENA處，將單片機產(chǎn)生的PWM脈沖輸入進去，從而實現(xiàn)電機工作時間的改變、電機轉(zhuǎn)速的改變、智能車速度的改變。圖4-4L298N電機驅(qū)動板電路原理圖表4-1控制與電機狀態(tài)表1.5測速模塊圖4-5SD-1/2測速傳感器實物圖SD-1/2測速傳感器是利用檢測紅外射線中斷，根據(jù)檢測到的不同狀態(tài)，從而決定輸出高電平還是低電平，當(dāng)檢測到障礙物時，輸出電平信號為高，沒有檢測到妨礙紅外射線傳播的物體，或者檢測范圍內(nèi)沒有檢測到妨礙紅外射線傳播的物體時，在電路工作和處理后輸出電平信號為低。同時測速模塊還有LED（light-emittingdiode，發(fā)光二極管）的顯示功能，當(dāng)檢測到紅外射線中斷，LED指示燈會熄滅，當(dāng)檢測到紅外射線正常傳播時，LED指示燈會亮，方便使用者的調(diào)試。本設(shè)計使用測速模塊經(jīng)過對數(shù)據(jù)處理后，能夠得到智能車的速度數(shù)據(jù)，對于使用者能都更為清楚的知道對于智能車的速度控制效果，本設(shè)計使用該模塊既增加了該設(shè)計的功能，也使得智能車的速度控制得到反饋，使得控制效果更好。SD-1/2測速傳感器實物圖如圖4-5所示，SD-1/2測速傳感器電路原理圖如圖4-6所示。圖4-6SD-1/2測速傳感器電路原理圖1.6藍牙通信模塊概述：DX-BT04-A藍牙模塊工作時所需要的電量較少，而且能夠快速的接收和發(fā)送信號，十分的靈敏，只需要一些簡單的器件組合便可以充分發(fā)揮功能，操作起來也十分的簡單便捷。使用藍牙通信模塊，利用其可以進行無線通信的優(yōu)勢完成STC12單片機和手機軟件的通信，既保證了語音識別后指令的正?？刂?，還擴大了語音控制的的范圍，本設(shè)計使用該模塊后充分發(fā)揮無線通信的優(yōu)點，使得整個設(shè)計突出可遠(yuǎn)距離控制的優(yōu)勢。藍牙通信模塊實物圖如圖4-7所示，應(yīng)用電路圖如圖4-8所示。圖4-7藍牙通信模塊實物圖圖4-8應(yīng)用電路圖2軟件設(shè)計因為本設(shè)計方案選擇的是單片機板和安卓手機軟件組合設(shè)計和實現(xiàn)語音控制的智能車，并且使用了兩塊單片機板，因此本章節(jié)主要講述兩個單片機系統(tǒng)的軟件設(shè)計以及開發(fā)安卓軟件的軟件設(shè)計。首先介紹一下軟件功能設(shè)計，然后是單片機代碼編程軟件和安卓開發(fā)環(huán)境，然后開始介紹終端中智能車通信控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計、智能車運動系統(tǒng)的軟件設(shè)計和客戶端中安卓手機軟件的系統(tǒng)設(shè)計，最后詳細(xì)講述上述三個系統(tǒng)中主要程序的邏輯與設(shè)計。2.1軟件功能設(shè)計首先對于手機軟件上的智能車語音識別處理系統(tǒng)而言，是整個系統(tǒng)控制指令的發(fā)送端，也是相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示端，主要完成語音識別功能，從而完成對智能車運動狀態(tài)的改變、速度控制，以及利用按鈕完成手動調(diào)節(jié)速度和控制智能車運動的功能，還有是完成籃牙連接、速度數(shù)據(jù)處理與顯示的功能，因此需要依據(jù)這些功能完成手機軟件的開發(fā)。其次對于智能車通信控制系統(tǒng)，通過對代碼的編程，完成速度的測量和顯示功能、智能車的通信功能，因此使用測速模塊完成對智能車的測量，使用數(shù)碼管模塊完成速度相關(guān)數(shù)據(jù)的顯示，使用藍牙模塊完成與手機軟件的通信及數(shù)據(jù)傳輸，利用單片機上的另一個串口，完成將接受到的語音指令下達給智能車運動系統(tǒng)。智能車通信控制系統(tǒng)智能車語音識別處理系統(tǒng)智能車通信控制系統(tǒng)智能車語音識別處理系統(tǒng)串口通信終端客戶端循跡避障狀態(tài)顯示速度控制通信與控制測速與顯示語音識別速度顯示聲控手控速度聲控遙控運動智能車運動系統(tǒng)藍牙無線通信圖5-1軟件功能框圖2.2編程軟件介紹2.2.1開發(fā)軟件KeiluVision5與STC-ISP的介紹本次論文所需要的智能車系統(tǒng)的程序開發(fā)需要進行軟件編程，因此需要一款功能強大，簡潔好用的開發(fā)軟件，而所編寫的代碼基本上是用的C語言，因此使用Keil軟件，為了讓單片機按照所編寫的程序進行工作運行，實現(xiàn)所需要的功能，因此選擇了STC-ISP軟件。接下來對這兩個軟件做一個簡單的介紹。系統(tǒng)概述：KeilC51擁有著十分強大的功能，而且功能的種類也十分多，還有這各種各樣的函數(shù)組成的庫，并有著優(yōu)秀的界面，使得在操作上基本上和操作電腦界面一樣，成為了現(xiàn)在單片機開發(fā)時需要對代碼進行編程的使用最多的代碼編寫軟件。KeilC51運行是需要合適的開發(fā)環(huán)境的，需要在Windows系統(tǒng)上安裝軟件并進行相應(yīng)的配置，軟件中代碼的編寫主要是通過.c文件實現(xiàn)的，我們建立一個.c文件后在該文件中將我們寫的代碼進行編譯，經(jīng)過軟件一系列的處理，看是否有錯誤，在沒有錯誤之后會提示我們，之后如果我們想驗證代碼的正確與否，可以使用軟件的調(diào)試功能，STC-ISP軟件的主要作用是將單片機代碼編寫軟件編寫好的對應(yīng)程序下載到單片機上，是專門開發(fā)出來的軟件，為了讓STC系列的單片機可以進行程序文件的燒錄，基本上只要是STC單片機，該軟件都可以正常工作，并且操作也不復(fù)雜，下載的流程也十分的簡單，成為開發(fā)者的主要的使用的軟件。STC-ISP的軟件操作界面如圖5-2所示。圖5-2軟件操作界面圖2.2.2安卓開發(fā)編程環(huán)境在安卓開發(fā)的編程環(huán)境中，我選擇了MIT開發(fā)的圖形化編程軟件APPInventor2。作為AppInventor新版本的APPInventor2，完全基于瀏覽器，開發(fā)者除了瀏覽器不需要額外安裝任何軟件。圖形化的界面、云積木的方式，使得安卓軟件開發(fā)變得便利簡單，使用起來也不會有太大的難度，做出的功能也能夠滿足基本的設(shè)計要求，而且網(wǎng)站上也具有調(diào)試功能，通過安裝調(diào)試助手，將開發(fā)的程序運行在調(diào)試助手上，省去了每次都要將程序打包，安裝，再進行驗證調(diào)試的步驟，而且也能實時的報錯提示，對開發(fā)者找到軟件的錯誤所在提供了幫助。2.3智能車通信與控制系統(tǒng)軟件設(shè)計智能車通信與控制系統(tǒng)是基于STC12單片機實現(xiàn)，因此該系統(tǒng)設(shè)計的主程序是完成STC12單片機與STC89單片機的串口通信、STC12單片機與手機軟件通信和實現(xiàn)使用智能車的功能模塊：測速模塊、數(shù)碼管顯示模塊、紅外避障模塊和循跡模塊。2.3.1工作流程開始初始化連接成功判斷指令信息發(fā)送顯示速度數(shù)據(jù)發(fā)送控制指令并回復(fù)STC12單片機系統(tǒng)流程圖開始初始化連接成功判斷指令信息發(fā)送顯示速度數(shù)據(jù)發(fā)送控制指令并回復(fù)圖5-3STC12單片機系統(tǒng)流程圖STC12單片機板上電啟動后，首先對測速功能、兩個串口通信功能所需要的中斷和一些定時器以及寄存器進行配置和初始化，等待手機連接上單片機板上的藍牙，建立起通信后，開始接收測速模塊的速度數(shù)據(jù)信息顯示在數(shù)碼管上，并通過藍牙發(fā)送速度數(shù)據(jù)信息至手機，并時刻監(jiān)測并驗證是否手機發(fā)來的指令信息是否正確，當(dāng)接受到正確的指令信息時，單片機會根據(jù)程序中的狀態(tài)機機制將發(fā)送對應(yīng)指令信息的控制指令至STC89單片機板，并回復(fù)客戶端對應(yīng)指令操作已完成。如果所接收到的控制指令需要小車的一些信息，便會發(fā)送相關(guān)數(shù)據(jù)，如進行速度設(shè)置后需要將目前速度值發(fā)送至客戶端，該系統(tǒng)會發(fā)送當(dāng)前速度設(shè)置值。2.3.2串口通信和藍牙串口通信軟件設(shè)計因為STC12單片機有兩個串口，可用于藍牙通信以及和STC89單片機的串口通信，首先對串口所需要的波特率進行配置和初始化，利用單片機上的獨立波特率發(fā)生器作為波特率的發(fā)生器，兩個串口可使用同一個波特率，串口初始化程序截圖如圖5-4所示。圖5-4串口初始化程序截圖圖5-5串口中斷數(shù)據(jù)接收判斷程序截圖對于數(shù)據(jù)處理，在串口2中斷中進行數(shù)據(jù)的接收，設(shè)置每一次接收到的指令字節(jié)為3，并判斷接受的數(shù)據(jù)是否正確，如果正確，則保存至字符串?dāng)?shù)組，并將設(shè)置接收完畢標(biāo)志位和接收正確標(biāo)志位，串口中斷數(shù)據(jù)接收判斷程序如圖5-5。2.3.3速度測量功能設(shè)計為了能夠得知智能車的速度，以便我們更好的控制智能車的速度，利用速度測量模塊和固定在電機上并隨之同步運動的碼盤，電機每轉(zhuǎn)一圈，測量模塊輸出20個低電平信號，利用STC12單片機設(shè)置單位時間為1s，獲得接收到的脈沖信號個數(shù)以及利用輪胎的周長，經(jīng)過計算得出1s內(nèi)智能車行駛的路程，從而得到智能車的速度相關(guān)數(shù)據(jù)。定時器和外部中斷設(shè)置程序截圖如圖5-6。圖5-6定時器和外部中斷設(shè)置程序截圖2.4智能車運動系統(tǒng)軟件設(shè)計2.1.1工作流程STC89單片機板上電啟動后，首先對PWM波速度控制功能，串口通信功能所需要的中斷和一些定時器以及寄存器進行配置和初始化，并設(shè)置一些數(shù)據(jù)的初始值，如智能車的速度、當(dāng)前智能車的狀態(tài)。建立起和STC12單片機板的通信后，智能車處于停止?fàn)顟B(tài)，等待STC12單片機板發(fā)送控制指令，接收到指令后，利用程序中的狀態(tài)機機制，完成對應(yīng)功能，如前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、循跡功能、速度控制功能和避障功能，并在數(shù)碼管上顯示不同的數(shù)字代表處于不同的狀態(tài)下。STC89單片機系統(tǒng)流程圖如圖5-7所示。開始初始化串口通信成功完成相應(yīng)功能并顯示狀態(tài)接收控制指令圖5開始初始化串口通信成功完成相應(yīng)功能并顯示狀態(tài)接收控制指令2.1.2電機驅(qū)動與速度控制設(shè)計因為L298N電機驅(qū)動模塊（簡稱驅(qū)動板）有A、B通道使能端（簡稱使能端）和四個單片機IO控制輸入端（簡稱輸入端），只有兩個使能端為高電平時，驅(qū)動板才可以通過輸出端口驅(qū)動兩路的直流電機，因此對于速度的控制有兩種方案：第一種方案是STC89單片機輸出四路PWM波輸出至驅(qū)動板的輸入端，第二種方案是STC89單片機輸出兩路PWM波輸出至驅(qū)動板的使能端。第二種方案僅僅需要兩路PWM波便可以實現(xiàn)對智能車速度控制，因此選擇方案二實現(xiàn)速度控制。PWM波輸出實現(xiàn)程序如圖5-8。圖5-8PWM波輸出實現(xiàn)程序截圖首先利用對定時器進行初始化，設(shè)置每1ms進行一次定時器中斷，在定時器中斷程序中對定時器的寄存器再次重新賦值再次開始計時，并記錄中斷次數(shù)，通過中斷次數(shù)的處理獲得更為準(zhǔn)確并且足夠長的時間，從而實現(xiàn)PWM波的周期、占空比的設(shè)置。速度控制程序如下圖5-9（左右電機速度控制程序基本相同，只需要介紹一個程序）。程序說明：通過設(shè)置20ms周期的時間，即定時器1ms的中斷次數(shù)為20次時，將次數(shù)賦值為0，重新計數(shù)，我們通過調(diào)節(jié)占空比（push_val_right），當(dāng)中斷次數(shù)小于或等于控制占空比的變量值時，使得控制右電機的使能端為高電平，當(dāng)中斷次數(shù)大于控制占空比的變量值時，使得控制右電機的使能端為低電平，從而控制驅(qū)動板的電機驅(qū)動是否工作，從而實現(xiàn)PWM波的輸出，并利用驅(qū)動板的四個輸入端實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止，通過左右電機的配合實現(xiàn)智能車的左右轉(zhuǎn)、直行和停止，并調(diào)節(jié)PWM波的占空比，實現(xiàn)控制電機一個工作周期內(nèi)的工作時間，從而實現(xiàn)對智能車的速度控制。圖5-9速度控制程序截圖2.5安卓手機軟件系統(tǒng)設(shè)計2.2.1工作流程手機軟件流程圖如圖5-10所示，手機客戶端主界面如圖5-11所示，手動模式界面圖如圖5-12所示。首先等待藍牙連接按鈕按下，選擇連接的藍牙，連接成功后會在界面上顯示藍牙的信息以及連接成功的提示，接收到STC12單片機上藍牙模塊發(fā)送來的智能車速度數(shù)據(jù)進行處理并顯示在客戶端界面上，當(dāng)開始按鍵按下，調(diào)用語音識別等待語音識別結(jié)束后，分析處理語音信息，利用藍牙發(fā)送對應(yīng)的指令數(shù)據(jù)，接收處理智能車回復(fù)的數(shù)據(jù)并顯示在客戶端對應(yīng)界面上，當(dāng)手動模式按鈕按下時，會換到界面2,顯示手動模式下的按鈕，（與智能車的通信會中斷一下后自動重新連接）相應(yīng)指令按下后發(fā)送對應(yīng)指令至智能車，實現(xiàn)智能車手動按鈕控制，按返回按鈕回到主界面。手機客戶端主界面主要分為四個區(qū)域：藍牙連接與斷開區(qū)、藍牙信息顯示區(qū)、速度顯示與速度手動控制區(qū)、用戶交互與通信區(qū)、功能區(qū)。藍牙連接與斷開區(qū)負(fù)責(zé)手機藍牙與智能車系統(tǒng)上藍牙模塊的連接與斷開，并在藍牙信息顯示區(qū)顯示藍牙信息及是否連接成功提示?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)速度顯示與速度手動控制區(qū)的水平滑動條，根據(jù)滑塊所在位置設(shè)置智能車不同的速度檔位，接受到智能車系統(tǒng)發(fā)來的相關(guān)速度數(shù)據(jù)，安卓手機進行處理后，換算成智能車的速度數(shù)據(jù)，在速度顯示與速度手動控制區(qū)中顯示。用戶交互和通信區(qū)則負(fù)責(zé)實現(xiàn)交互信息的顯示以及顯示智能車系統(tǒng)發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，也方便了后續(xù)的調(diào)試，在與智能車建立起藍牙通信后，便會在用戶交互和通信區(qū)提示用戶可選用的功能，即對智能車的速度控制、循跡模式以及運動控制，用戶可以點擊功能區(qū)的開始按鈕進行語音指令輸入，也會顯示智能車發(fā)送過接收數(shù)據(jù)顯示接收數(shù)據(jù)顯示手動模式界面初始化發(fā)送對應(yīng)指令返回主界面開始主界面初始化語音識別接收數(shù)據(jù)并顯示發(fā)送指令藍牙連接語音按鍵按下？運動按鍵按下？返回按鍵按下？手動按鍵按下？圖5-10手機軟件流程圖最后的功能區(qū)主要包含兩個功能：語音識別功能和手動遙控智能車功能，當(dāng)開始按鈕按下，啟動語音識別功能，根據(jù)語音指令調(diào)用不同的功能，并將語音信息顯示在用戶交互與功能區(qū)，當(dāng)手動模式按鈕按下時則會跳轉(zhuǎn)到界面2，即手動模式界面，在手動模式界面中主要為三個區(qū)：返回區(qū)、藍牙信息區(qū)和手動控制區(qū)。在返回區(qū)中主要負(fù)責(zé)退出手