基于红外光电传感器和语音识别技术的智能循迹小车设计

张 兢，王 猛，李成勇，李雪梅，徐 伟

(重庆理工大学电子信息与自动化学院，重庆 400054)

随着人工智能和机器人技术的发展，智能小车被广泛应用于科学探索、工业生产等领域。目前，智能小车多采用CCD图像传感器获取路径信息，虽控制精确、前瞻距离远，但成本较高，且数据处理算法复杂。红外反射式光电传感器具有控制简单、数据处理方便、成本低、安装灵活及不受可见光干扰等特点，完全适于该系统的设计要求［1-3］。本文采用红外反射式光电传感器获取路径信息，结合语音识别技术，设计了一种具有语音控制功能的自主循迹智能小车。

1 系统硬件设计

智能小车以凌阳SPCE061A单片机为处理核心。整个系统由电源模块、路径识别模块、车速检测模块、语音识别控制模块、直流电机驱动模块及液晶显示模块组成，其系统结构框图如图1所示。

图1 智能小车系统结构框图

电源模块给系统各个模块提供所需电压。路径识别模块获取前方路径信息，以供单片机进行处理分析。处理后的信息由单片机采用一定的控制算法，控制直流电机驱动模块以调整小车行驶方向和速度，从而实现小车对路径的自主循迹。语音识别控制模块根据单片机的语音处理功能对小车进行语音控制。车速检测模块与液晶显示模块分别检测与显示当前车速。

1.1 电源模块

智能小车采用7.2 V的镍铬电池供电。由于电路中各模块所需电压不同，电源模块需包含多个稳压电路将电池电压转换成各模块所需电压。系统直流电机和舵机直接用7.2 V电源供电。采用LM2940稳压芯片将电源电压转换成5 V电压，给SPCE061A单片机、红外光电传感器、车速检测模块、液晶显示模块供电。

1.2 路径识别模块

单片机通过路径识别模块采集路径信息，以实现小车的自循迹功能。系统采用RPR220型红外反射式光电传感器获取路径信息，光电传感器工作时发光二极管发出红外线，当遇到白色地面时会有较大的反射，红外接收管收到反射回的红外线较强;当遇到黑色标志线时，黑色标志线会吸收大部分红外光，红外接收管收到反射回的红外线强度就很弱［4-6］。利用红外光电传感器检测路径上的黑色标志线，就可以控制小车的自主循迹。

传感器是以输出高、低电平来表示白色路面和黑标志线的，其输出的模拟信号需经电压比较器转换成数字信号的高、低电平，再输入单片机进行离散控制。本设计以输出低电平表示传感器检测到白色路面，以输出高电平表示传感器检测到黑色标志线，其电路原理如图2所示。

图2 红外光电传感器电路原理

该智能小车传感器安装位置未采用常见的一字排开、多传感器等间距置于小车前方的方式，而是以小车底盘为中心，设计了内外2层各4个传感器，每层的4个传感器对应中心的4个方向:前、后、左前方、右前方。传感器与地面成一定夹角，提高了前瞻距离;以扫描方式可获得2次路径信息，提高了测量精度。

1.3 车速检测模块和液晶显示模块

小车的行驶速度是其在弯道和直道上平稳运行的重要保证，该系统将均匀分布的黑白相间编码盘粘贴在后轮减速齿轮上。当车轮转动时，利用RPR220型红外反射式光电传感器对旋转的黑白条纹进行检测，检测到的信号经放大处理后由单片机进行高、低电平计数处理，从而计算出小车行驶速度。

液晶显示模块用来实时显示当前车速，系统采用 LCD1602 显示数据［7］。

1.4 语音识别控制模块

SPCE061A单片机具有强大的语音处理功能，不需要专门的语音控制芯片就能实现对语音的编码、解码［8］，其片上具有连接麦克风的 MICP和MICN两个引脚端口。MICP和MICN将随麦克风输入的声音产生变化的波形，并在SPCE061A的2个端口处形成2路相反的波形，经单片机内部的运算放大器放大后，通过ADC转换器转换为数字量，并保存到相应的寄存器中，此时可通过单片机编程对这些数据进行语音数据压缩、语音识别样本处理等。

音频输出主要由SPY0030A功率放大器组成，它的输入端输入的音频电压信号来自于单片机内部DAC的输出端，它的输出端可外接扬声器等播放设备，其增益大小可通过调节电阻器的阻值来实现［9］。

1.5 直流电机驱动模块

智能小车采用4轮结构，前2个车轮由前轮电机控制，在连杆和支点作用下控制前轮的左右摆动，以调整小车的前进方向。前轮驱动电路可控制前轮电机的正转、反转，进而控制小车的左转和右转。后2个车轮由后轮电机驱动，为整个小车提供动力。后轮驱动电路可控制后轮电机的运行状态，使之正转、反转或停止，进而控制小车的前进、后退或停止。小车前轮和后轮驱动电路相同，都为全桥驱动电路，其电路原理如图3所示。

图3 全桥驱动电路原理

2 系统软件设计

2.1 主程序设计

系统软件设计采用C语言编程实现，利用单片机PWM输出模块和普通I/O模块，根据系统需求，对各个模块进行初始化配置，以实现其相应功能。主程序流程如图4所示。

2.2 语音识别控制程序设计

系统利用SPCE061A单片机的可编程音频处理功能和音频压缩算法，调用和编写应用程序接口API函数，达到语音识别控制的目的［10］。当发出前进命令时，单片机相应的IOB口输出高电平，控制继电器使传感器供电电路导通;当为停车命令时，IOB接口输出低电平，传感器电源关闭，小车停止运动。语音识别控制流程如图5所示。

图4 主程序流程

图5 语音识别控制流程

3 结束语

本文基于红外光电传感器和语音识别技术实现对智能小车的自循迹和语音控制。在硬件设计上采用模块化设计和串行连接方式，提高了系统的稳定性和兼容性。在软件部分采用C语言编写程序，具有良好的可读性与可维护性。该设计结构简单、运行稳定可靠，可用于智能轮椅、智能玩具、无人驾驶机动车等。

［1］胡媛媛，邓世建.基于红外光电传感器的智能寻迹小车设计［J］.电子设计工程，2011，19(7):141-143.

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［9］卓晴，黄开胜.学做智能车:挑战“飞思卡尔”杯［M］.北京:北京航空航天大学出版社，2007.

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