声控玩具小车控制器设计【毕业论文】.doc

1、 本科毕业设计 （ 20 届） 声控玩具小车控制器设计 所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 - 2 - 摘 要 随着电子工业的发展，具有声控功能的小车越来越受到人们的青睐，在人们的日常消费生活中起着不可忽视的作用。目前声控技术已经在很多 领域得到应用。 该论文介绍了一款基于 MCS-51 单片机的声控玩具小车控制器的设计，通过对声控小车的设计，详细叙述了系统硬件、软件的具体实现过程。论文重点阐述了声控小车硬件中的单片机核心模块、掌声信号放大模块、信号检波模块、脉冲整形电路模块、反相器模块、电机驱动电路模块，并采用简单流通性强的 C 语言编写来控制

2、单片机运行。通过各个模块对掌声信号的协调作用来达成小车直行，转向的功能，继而达到循掌声运动的目的。 关键词： 到达时间差；脉冲整形；麦克风放大电路；声控小车 - 3 - Abstract With the development of electronic industry, the cars with the voice features are favored by more and more people .It is playing a significant role in peoples daily consumption life.Voice control technology

3、 has now been used in many areas. The article introduces the design of the toy vehicle controller that based on MCS-51. By the design of the voice-activated car, the hardware and the realization process of the software has been depicted in detail. It highlights the design of the hardwares microcontr

4、oller core module,audio amplifier module,signal detection module,inverter module pulse shaping circuit module, and use C program language which is simple and strong liquidity to control the operation of the microcontroller. Use the roles played by each modules to achieve the cars functions of going

5、straight, changing the directions, and it can achieve the function that the car follows with the applause. Key Words: Time difference of arrival;Pulse shaping;microphone amplifier circuit;voice car - 4 - 目 录 1 引言 . 1 2 总体设计 . 2 2.1 设计要求 . 2 2.2 硬件电路的实现方案 . 2 3 硬件设计 . 5 3.1 单片机系统 . 5 3.2 麦克风信号放大电路 .

6、6 3.3 信号检波模块 . 7 3.4 整形模块 . 7 3.5 反相器 . 8 3.6 电机驱动模块 . 9 4 软件流程 . 11 5 硬件测试 . 13 6 结论 . 18 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 19 附录 1 系统实物图 . 20 附录 2 毕业设计作品说明书 . 21 1 引言 集光、机、电于一体的智能玩具已成为当今世界玩具发展的主流。智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行使等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。外国玩具设计师往往把科学家在智能机器人研究方面的发明或高新技

7、术中的一种技术应用到智能玩具中，以增强玩具的趣味性、可玩性和附加值。如日本玩具设计师利用语音嵌入式系统技术研 制开发了能识别主人声音的智能玩具，其内采用的是 AVR的高速 8位单片机 1。采用 AVR单片机实现的智能玩具车具有精确控制的功能，操作者能够更准确地控制玩具车的运动，有效地增加了玩具的附加值。 玩具车的种类丰富，目前我国市场上出售的玩具汽车在使用时要由使用者自己打开电源开关才能运转。使用者在使用过程中会受到控制距离的影响，这样在给他们带来极大的不便同时也降低了玩具的趣味性。为了解决这些缺陷，设计者推出了各种功能的小车系统。其中包括常见的遥控小车，通过控制遥控器来给 小车的信号接收器发

8、送脉冲信号，小车中的主芯片通过处理信号来驱动电机使小车能够按照使用者的意图行动；声控红外检测智能玩具汽车 2，依靠声控原理，实现对玩具汽车启动与停止的控制，并通过红外检测避免障碍物，防止了因碰撞而对小车造成的损害。随着科技的不断进步，玩具小车已经向着更加智能化的方向发展。 本文主要介绍一种循声小车的总体设计、硬件设计和软件设计。所谓的循声小车能够实现当人持续拍掌时，能在前进的过程中改变方向来循着掌声运动，实现跟着拍掌的人运动的功能。小车的电路中带有的信号放大，检波，整形，反相器电路，能够 将带有噪音的掌声信号转化为单片机能够识别处理的矩形波信号。通过将设计好的程序导入单片机，小车控制器就能够处

9、理两路带有时间差的方波信号来调整电机的驱动，使整个小车能够循掌声运动。 2 总体设计 2.1 设计要求 本文主要研究的内容是设计一个能够循声运动的小车。如图 2-1 所示，图中人通过不间断得拍掌而发出声音，假设声音到达小车上的两个麦克风 A 和 B 的距离分别是 s1 和 s2，掌声在空气中的速度为 v，则掌声到达两个麦克风的时间差vsst /)( 21 。具有时间差的两个掌声信号通过小车控制电路的放大、 检波、整形，反相等处理后进入处理芯片等候处理。由于两路掌声信号进入麦克风的时间不同，输入单片机的两个经过处理的矩形波信号便会产生一定的偏移，单片机通过调整电机的运转来迫使小车上的两个麦克风同

10、时接收到时间差接近 0 的掌声信号。 图 2-1 小车原理示意图 2.2 硬件电路的实现方案 硬件部分设计主要是掌声信号放大模块，信号检波模块，信号整形模块，反相器模块，单片机控制模块以及电机驱动模块组成。如图 2-2 所示，它主要是以MCS-51 单片机 3控制模块为中心，通过处理两个引脚输入的信号来控制电机驱动。由于声源 的位置可能离麦克风比较远，所以掌声信号非常微弱。本电路设计使用两级掌声信号放大器来保证将信号放大到合适的幅度以便于对其进行整形和反相处理，产生单片机可以识别的脉冲信号。图中检波模块的作用是将包络信号从掌声信号放大后的信号里面分离出来 4，以便于进一步的处理。 麦 克 风音

11、 频 放 大 器单 片 机电 机电 机信 号 检 波 器音 频 放 大 器信 号 检 波 器信 号 整 形 电 路信 号 整 形 电 路麦 克 风反 相 器反 相 器图 2-2 系统总体框图 图 2-2(A) 原始掌声信号 图 2-2(B) 检波后信号 图 2-2(C) 整形后 信号 麦克风接收到音频信号后将如图 2-2 (A) 所示的信号输送给放大器。由于电路中功率放大器只经过两级同相放大，所以输入信号检波器的信号为图 2-2（ A）所示信号的正半轴振幅放大相应倍数的信号。图 2-2（ B）中列示了经检波器检波输出的信号，图 2-2（ C）列示了经整形后的两路方波信号。由于单片机引脚是低电平

12、触发，所以考虑将整形之后的信号的上升沿和下降沿进行反相 ,这需要使用一个反相器来实现。从图中可以看出两个方波之间存在差值 t，差值 t便是上面提到的声音到达两个麦克风的时间差。鉴于本文设计的小车是通过判断音频信号 时间差来工作的，所以在采集的信号的过程中并不需要考虑音频信号的失真问题，判断时间的差值也只取信号的正半轴就够了，这样的设计在保证小车实现功能的同时又减少了设计过程的复杂性。 3 硬件设计 硬件的功能由总体设计所规定，硬件设计的任务是根据总体设计要求，在选择的机型的基础上，具体确定系统中所要使用的元器件，设计出系统的电路原理图，必要时做一些部件实验，以确定电路图的正确性，以及工艺结构的

13、设计加工、印制板的制作、样机的组装等。 本系统硬件主要有五大部分组成：单片机系统、信号放大电路、信号检波电路、信号整形电路 、反相器电路、电机驱动电路。 3.1 单片机系统 本系统的单片机 MCS 51 是美国 Intel 公司的八位高档单片机 3系列，是在MCS 48 系列基础上发展而成的，也是我国目前应用最广的一种单片机系列。在该芯片上，集成了一个微型计算机，它包括：一个 8 位的微处理器（ CPU）；片内数据存储器 RAM（ 128B 256B）；片内程序存储器， ROM EPROM（ 4KB 8KB）； 4个 8 位并行 I O 接口 P0 P3，每个引脚既可作为输入也可作为输出； 2

14、 个 16位定时器计数器； 5 个中断源的中断控制系统； 1 个全双工的串行 I O 接 口；片内时钟振荡器。其引脚图、时钟模块和复位模块如图 3-1 所示。 图 3-1 51 单片机和附属电路图 3.2 麦克风信号放大电路 音频放大模块主要采用的是 8 引脚的 NE5532 芯片 5来实现放大的功能。NE5532 是一种双运放高性能低噪声运算放大器 ，其引脚如图 3-2 所示。 相比较大多数标准运算放大器，显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号和电源带宽。这使该器件特别适合应用在高品质和专业音响设备，仪器和控制电路和电话通道放大器。如果噪音非常最重要的，因此建议使用 5532

15、A 版，因为它能保证噪声电 压指标。 图 3-2 NE5532 引脚图 鉴于实际操作过程中麦克风采集的声音信号会很微弱，为了满足设计的需求，设计采用两级的放大器来放大音频信号。如图 3-3 所示，通过电阻 R1 和 R2给麦克风提供工作电源来维持麦克风正常工作。瓷片电容 C2 有滤除高频噪音信号的作用。图中麦克风接收到的微弱信号接入 NE5532 的同相端，反相端通过一个 10K 的电阻和 1uF 的电容接地，实现了信号同相放大的作用。麦克风输出的的信号电压非常微弱，因为一级放大器的放大倍数有限，所以设计使用两级放大功能的放大电路来满足放大信号的需求。 放大倍数 )/(1 451 RRa ，)/(1 672 RRa 得两级放大总增益为两者的乘积 ,在调试过程中可以调整 R5 和R7 电阻的值来达到预期的目的。在实际电路中可采用两个完全相同的放大电路来实现两路掌声信号的放大处理。