2024年2月27日发(作者：胡凝荷)
设计研发2019.08基于STM32的语音控制和自动避障智能小车的设计卫静婷，陈利伟，黎斌，谭露雯，钟佳胜（广东开放大学（广东理工职业学院），广东广州，510091）摘要：以STM32RCT6作为核心芯片，设计了一款可智能语音控制且自动避障的小车。采用LD3320语音模块可实现高准确度的语音识别效果；采用高精度的超声波传感器HC-SR04对线路进行识别，从而完成小车避障测距功能；采用nRf24L01无线通信模块完成智能小车与显示装置之间的实时通信，实现手机终端控制小车行进路径等信息；采用L289N电机驱动模块对小车进行驱动；采用温湿度传感器实时传递小车的状态。结果表明，该智能小车系统设计方法科学，具有性能稳定、高速灵活的特点。关键词：智能小车；语音控制；避障The design of speech control and obstacle avoidance intelligent
vehiclebased on STM32Wei Jingting,Chen Liwei,Li Bin,Tan Luwen,Zhong Jiasheng（The Open University of Guangdong(Guangdong Polytechnic Institute),Guangzhou Guangdong，510091）Abstract：In this paper, STM32RCT6 is taken as the core control chip, and a stable intelligent speech
control vehicle is designed. Byadopting high precision ultrasonic sensor HC-SR04 to identify the
line, the functions of obstacle avoidance and distance measurement can be completed. NRf24L01 is
adopted as the short distance wireless communication module to realize real-time communication between
intelligent vehicle and display device. Theinformation such as the vehicle route finally can be
displayedon a mobile phone. L289N motor drive module is adopted to drive the vehicle. The temperature
and humidity sensor is used to transfer the status of the vehicle in real time. The test shows that
the design method of the intelligent car system is scientific and has the characteristics of stable
performance, high speed and ds: intelligent vehicle; speech control; obstacle avoidance0 引言语音控制采用语音识别技术，这是目前人机交换普遍使用的技术，它具有灵活、便捷、快速响应的特点，在智能小目前，绝大多数语音控制车领域中得到了广泛的应用[1-2]。小车采用51单片机作为主控芯片[3-4],也有研究人员采用随着ARM处理器的快IAP15F2K61S2单片机作为主控芯片[2]。速发展，将单片机STM32微控制器的控制功能与传感器技术、无线通信技术、语音控制技术相结合，实现人机交互系统。本文设计以单片机STM32F103RCT6模块作为主控芯片，结合L298N电机驱动模块、超声波模块、语音控制模块、无线蓝牙模块、温湿度模块构成一个通过语音控制和自动避障的智能小车。线传输模块建立起与显示装置之间的通信，进而通过手机终端控制小车前进方向，无线传输模块还以达到实时显示的目的。电源系统超声波模块温湿度模块蓝牙模块STM32F103RCT6LCD显示语音模块手机终端遥控1 系统功能框架图图1是本文设计的系统框架图，主要由单片机STM32F
103RCT6模块、L298N电机驱动模块、超声波模块、语音控制模块、无线蓝牙模块、温湿度模块、电源模块组成。系统采集各个模块的信号送入STM32微控制器中,STM32微控制器根据采集的信号做出不同的判断,从而控制电机运动方向和运动速度。系统分为两个部分，第一部分为小车部分，第二部分为显示部分，用语音识别模块控制小车行进的方向，再由无图1 系统功能框架图2 硬件设计2.1 主控芯片采用32位单片机STM32F103RCT6作为系统的主控芯片，其采用的内核为ARMCortex-M3，最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz， 256KB的Flash和20KB的SRAM；4个片选的可变静态存储控制器，支持Flash，SRAM，PSRAM，24
2019.08NOR和NAND存储器；LCD并行接口，支持Intel8080和Motorola6800的模式；支持三种低功耗模式：睡眠模式，停机模式，待机模式；多达11个定时器，4个16位定时器，2个16位马达控制PWM定时器，2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)；系统时间定时器，24位自减计数器，2个用于驱动DAC的16位基本定时器。2.2 语音控制模块采用LD3320语音模块。它具有高准确度和实用的语音识别效果，可非特定人语音识别技术：不需要用户进行录音训练。可动态编辑的识别关键词列表：只需要把识别的关键词以字符串的形势传送芯片，即可在下次识别中立即生效。语音模块的硬件电路主要包括主控核心部分和语音识别部分。语音进入语音识别部分后，将处理过的数据并行传输到主控制器，主控制器经过处理后，发送命令数据到USART,USART可用于扩展外围串行设备。语音识别包括两个阶段：训练和识别，不管是训练还是识别，都必须对输入语音预处理和特征提取。训练阶段所做的具体工作是通过用户输入若干次训练语音，经过预处理和特征提取后得到特征矢量参数，最后通过特征建模达到建立训练语音的参考模型库的目的。而识别阶段所做的主要工作是将输入语音的特征矢量参数和参考模型库中的参考模型进行相似性度量比较，然后把相似性最高的特征矢量输出。2.3 超声波模块采用HC-SR04模块，本模块性能稳定，测试距离精度高，盲区小，试用于机器人避障，液位检测，公共安防等，可以3-5V输入。(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2，该距离就是小车与障碍物之间的距离。一个控制口发一个10μs以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。2.4 电机驱动模块采用L298N芯片驱动电机，L298N是一个具有高电压电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。输出电压最高可达46V，可以通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；该芯片带有的使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使能方便。L298N芯片可以驱动两个两相电机，也可以驱动一个四相电机。2.5 无线通信模块采用nRF24L01作为通信部分，小车端负责发送信号，显设计研发示装置负责接收信号，通过预先设定协议实现通信。蓝牙技术是低速率的短距离无线通信技术，速率一般在3Mpbs，有效距离10m以内。2.6 显示模块采用手机终端进行控制和显示。通过蓝牙主键，在蓝牙主键的属性修改蓝牙主键的发现设备属性，搜索外界的蓝牙设备，连接完备，在电脑上预设置控制面板，赋予相对应的命令，点击后发送数据，通过蓝牙发送给小车，实现小车与手机之间的相互通信，图2是用手机显示的控制界面。图2 手机控制界面2.7 系统整体方案系统整体方案的框架图如图3所示。通过主控芯片驱动超声波模块检测智能小车与障碍物之间的距离，通过无线蓝牙模块将数据发送到手机终端显示；其次温湿度模块经过芯片驱动，读取当前环境的温湿度值，再经过无线蓝牙将实时数据发回手机终端的控制面板；通过电机驱动使小车行进，小车的行进方向可通过手机终端的控制面板进行控制，也可通过语音控制：发出语音预设置指令，当语音模块检测到语音之后，再将信号传递给主控芯片，由主控芯片通过电机驱动小车行进。HC-SR04 超声波模块DHT11温度采集模块驱数数驱动据据动工返返工作回回作STM32F103RCT6 主芯片检测反温湿度终端到馈和距离控制声命面板音令蓝牙控制语音控制模块手机终端电机驱动车子前进图3 系统整体方案3 系统测试经过实际操作，小车可在语音提示下准确进行“前进”、“、停止”“、左转弯”“、右转弯”指令；在距离障碍物6cm（下转第20页）25“后退”
设计研发并不影响骚扰电压的频率，也就说明骚扰电压并不是由于PFC电感本身所产生。2019.08模信号的频谱上也产生了骚扰电压的波形，如下图13~14所示。因此，共模电感两端的X滤波电容大小直接影响骚扰电压幅度。图14 PFC输入端的共模信号频谱4 总结通过仿真分析，PFC电路在大约13MHz附近出现EMI电磁干扰电压现象，仿真得到的骚扰电压现象与实测结果拥有相似的频谱特征，该EMI电磁干扰频点位置较为固定，说明是PFC电路固有结构产生的，不受外界的影响。仿真结果与实测图12 PFC电感寄生参数删除后输入端的差模信号干扰波形结果的差别在于仿真得到的干扰电压主要存在于差模信号上，而实测的骚扰电压在共模和差模上都有而且共模的幅度更大，这有可能是由于实际产品电源输入端电路设计时L线和N线严重不平衡造成的，以及回路中的耦合和寄生等分布参数的影响，导致共模干扰信号和差模干扰信号互相转换。改变共模电感的感值、将电路的L线和N线的接地元件去掉、改变LISN仪器内阻、整流器并联的滤波电容、PWM波幅度频率和占空比、与输出二极管并联的滤波电容、输出端负载阻抗等等，都对输入端的骚扰电压的频谱没有影响。参考文献[1]刘永光,刘鸿鹏,王卫.无桥Boost PFC电路的EMI分析[C].全国电气自动化与电控系统学术年会,2007.[2]余劲.临界工作模式下Boost PFC辐射EMI机理研究[J].电力系统及其自动化,南京师范大学,2017.[3]马晓露,薛亚彬.双闭环PI控制Boost PFC电路的仿真研究[J].电子世界,2018-01.[4]胡小菊,巩英才,房胜楠,杨小康,程红.单相Boost型PFC电路的建模及仿真[J].中国科技信息,2015-09.[5]李彩霞,李建林,李淳,张仲超.电流连续功率因数校正器的电磁兼容问题研究[A].电力系统及其自动化学报,2005-06.图13 PFC输入端的差模信号频谱改变共模电感前后两端的X滤波电容，如1.5μF改为0.47μF，仿真得到的骚扰电压频谱有了一些变化，而且在共（上接第25页）处可自动停车进行避障；通过手机界面进行小车行驶操控的稳定性也好。参考文献[1]田亚立，梁波.基于单片机的智能语音小车控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2019，1：247-248.[2]汪文立，王琪，丁柏文，等.基于IAP15F2K61S2单片机的无线语音智能小车[J].机械制造与自动化,2018,1: 187-189.[3] 朱向庆，陈志雄.一种语音控制的自主寻迹与避障智能小车设计[J].计算机测量与控制，2011，19（7）：1674-1677.4 结论语本文基于单片机STM32F103RCT6结合语音控制模块、电机驱动模块、无线通信模块、传感器模块等设计了一款集语音控制、手机终端界面控制、自动避障等功能于一体的智能小车。通过实物验证，该小车可自动避障、可通过语音来控制小车的行进方向，也可在手机控制端界面结合蓝牙技术来控制小车的前进方向。作者简介通信作者：陈利伟（1981--），男，甘肃兰州人，电气中级工程师，硕士，研究方向：电力电子技术、智能控制。20
2024年2月27日发(作者：胡凝荷)
设计研发2019.08基于STM32的语音控制和自动避障智能小车的设计卫静婷，陈利伟，黎斌，谭露雯，钟佳胜（广东开放大学（广东理工职业学院），广东广州，510091）摘要：以STM32RCT6作为核心芯片，设计了一款可智能语音控制且自动避障的小车。采用LD3320语音模块可实现高准确度的语音识别效果；采用高精度的超声波传感器HC-SR04对线路进行识别，从而完成小车避障测距功能；采用nRf24L01无线通信模块完成智能小车与显示装置之间的实时通信，实现手机终端控制小车行进路径等信息；采用L289N电机驱动模块对小车进行驱动；采用温湿度传感器实时传递小车的状态。结果表明，该智能小车系统设计方法科学，具有性能稳定、高速灵活的特点。关键词：智能小车；语音控制；避障The design of speech control and obstacle avoidance intelligent
vehiclebased on STM32Wei Jingting,Chen Liwei,Li Bin,Tan Luwen,Zhong Jiasheng（The Open University of Guangdong(Guangdong Polytechnic Institute),Guangzhou Guangdong，510091）Abstract：In this paper, STM32RCT6 is taken as the core control chip, and a stable intelligent speech
control vehicle is designed. Byadopting high precision ultrasonic sensor HC-SR04 to identify the
line, the functions of obstacle avoidance and distance measurement can be completed. NRf24L01 is
adopted as the short distance wireless communication module to realize real-time communication between
intelligent vehicle and display device. Theinformation such as the vehicle route finally can be
displayedon a mobile phone. L289N motor drive module is adopted to drive the vehicle. The temperature
and humidity sensor is used to transfer the status of the vehicle in real time. The test shows that
the design method of the intelligent car system is scientific and has the characteristics of stable
performance, high speed and ds: intelligent vehicle; speech control; obstacle avoidance0 引言语音控制采用语音识别技术，这是目前人机交换普遍使用的技术，它具有灵活、便捷、快速响应的特点，在智能小目前，绝大多数语音控制车领域中得到了广泛的应用[1-2]。小车采用51单片机作为主控芯片[3-4],也有研究人员采用随着ARM处理器的快IAP15F2K61S2单片机作为主控芯片[2]。速发展，将单片机STM32微控制器的控制功能与传感器技术、无线通信技术、语音控制技术相结合，实现人机交互系统。本文设计以单片机STM32F103RCT6模块作为主控芯片，结合L298N电机驱动模块、超声波模块、语音控制模块、无线蓝牙模块、温湿度模块构成一个通过语音控制和自动避障的智能小车。线传输模块建立起与显示装置之间的通信，进而通过手机终端控制小车前进方向，无线传输模块还以达到实时显示的目的。电源系统超声波模块温湿度模块蓝牙模块STM32F103RCT6LCD显示语音模块手机终端遥控1 系统功能框架图图1是本文设计的系统框架图，主要由单片机STM32F
103RCT6模块、L298N电机驱动模块、超声波模块、语音控制模块、无线蓝牙模块、温湿度模块、电源模块组成。系统采集各个模块的信号送入STM32微控制器中,STM32微控制器根据采集的信号做出不同的判断,从而控制电机运动方向和运动速度。系统分为两个部分，第一部分为小车部分，第二部分为显示部分，用语音识别模块控制小车行进的方向，再由无图1 系统功能框架图2 硬件设计2.1 主控芯片采用32位单片机STM32F103RCT6作为系统的主控芯片，其采用的内核为ARMCortex-M3，最高72MHz工作频率，1.25DMips/MHz， 256KB的Flash和20KB的SRAM；4个片选的可变静态存储控制器，支持Flash，SRAM，PSRAM，24
2019.08NOR和NAND存储器；LCD并行接口，支持Intel8080和Motorola6800的模式；支持三种低功耗模式：睡眠模式，停机模式，待机模式；多达11个定时器，4个16位定时器，2个16位马达控制PWM定时器，2个看门狗定时器(独立的和窗口型的)；系统时间定时器，24位自减计数器，2个用于驱动DAC的16位基本定时器。2.2 语音控制模块采用LD3320语音模块。它具有高准确度和实用的语音识别效果，可非特定人语音识别技术：不需要用户进行录音训练。可动态编辑的识别关键词列表：只需要把识别的关键词以字符串的形势传送芯片，即可在下次识别中立即生效。语音模块的硬件电路主要包括主控核心部分和语音识别部分。语音进入语音识别部分后，将处理过的数据并行传输到主控制器，主控制器经过处理后，发送命令数据到USART,USART可用于扩展外围串行设备。语音识别包括两个阶段：训练和识别，不管是训练还是识别，都必须对输入语音预处理和特征提取。训练阶段所做的具体工作是通过用户输入若干次训练语音，经过预处理和特征提取后得到特征矢量参数，最后通过特征建模达到建立训练语音的参考模型库的目的。而识别阶段所做的主要工作是将输入语音的特征矢量参数和参考模型库中的参考模型进行相似性度量比较，然后把相似性最高的特征矢量输出。2.3 超声波模块采用HC-SR04模块，本模块性能稳定，测试距离精度高，盲区小，试用于机器人避障，液位检测，公共安防等，可以3-5V输入。(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10μs的高电平信号;(2)模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过IO口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2，该距离就是小车与障碍物之间的距离。一个控制口发一个10μs以上的高电平,就可以在接收口等待高电平输出.一有输出就可以开定时器计时,当此口变为低电平时就可以读定时器的值,此时就为此次测距的时间,方可算出距离.如此不断的周期测,就可以达到你移动测量的值了。2.4 电机驱动模块采用L298N芯片驱动电机，L298N是一个具有高电压电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。输出电压最高可达46V，可以通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号；该芯片带有的使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定，使能方便。L298N芯片可以驱动两个两相电机，也可以驱动一个四相电机。2.5 无线通信模块采用nRF24L01作为通信部分，小车端负责发送信号，显设计研发示装置负责接收信号，通过预先设定协议实现通信。蓝牙技术是低速率的短距离无线通信技术，速率一般在3Mpbs，有效距离10m以内。2.6 显示模块采用手机终端进行控制和显示。通过蓝牙主键，在蓝牙主键的属性修改蓝牙主键的发现设备属性，搜索外界的蓝牙设备，连接完备，在电脑上预设置控制面板，赋予相对应的命令，点击后发送数据，通过蓝牙发送给小车，实现小车与手机之间的相互通信，图2是用手机显示的控制界面。图2 手机控制界面2.7 系统整体方案系统整体方案的框架图如图3所示。通过主控芯片驱动超声波模块检测智能小车与障碍物之间的距离，通过无线蓝牙模块将数据发送到手机终端显示；其次温湿度模块经过芯片驱动，读取当前环境的温湿度值，再经过无线蓝牙将实时数据发回手机终端的控制面板；通过电机驱动使小车行进，小车的行进方向可通过手机终端的控制面板进行控制，也可通过语音控制：发出语音预设置指令，当语音模块检测到语音之后，再将信号传递给主控芯片，由主控芯片通过电机驱动小车行进。HC-SR04 超声波模块DHT11温度采集模块驱数数驱动据据动工返返工作回回作STM32F103RCT6 主芯片检测反温湿度终端到馈和距离控制声命面板音令蓝牙控制语音控制模块手机终端电机驱动车子前进图3 系统整体方案3 系统测试经过实际操作，小车可在语音提示下准确进行“前进”、“、停止”“、左转弯”“、右转弯”指令；在距离障碍物6cm（下转第20页）25“后退”
设计研发并不影响骚扰电压的频率，也就说明骚扰电压并不是由于PFC电感本身所产生。2019.08模信号的频谱上也产生了骚扰电压的波形，如下图13~14所示。因此，共模电感两端的X滤波电容大小直接影响骚扰电压幅度。图14 PFC输入端的共模信号频谱4 总结通过仿真分析，PFC电路在大约13MHz附近出现EMI电磁干扰电压现象，仿真得到的骚扰电压现象与实测结果拥有相似的频谱特征，该EMI电磁干扰频点位置较为固定，说明是PFC电路固有结构产生的，不受外界的影响。仿真结果与实测图12 PFC电感寄生参数删除后输入端的差模信号干扰波形结果的差别在于仿真得到的干扰电压主要存在于差模信号上，而实测的骚扰电压在共模和差模上都有而且共模的幅度更大，这有可能是由于实际产品电源输入端电路设计时L线和N线严重不平衡造成的，以及回路中的耦合和寄生等分布参数的影响，导致共模干扰信号和差模干扰信号互相转换。改变共模电感的感值、将电路的L线和N线的接地元件去掉、改变LISN仪器内阻、整流器并联的滤波电容、PWM波幅度频率和占空比、与输出二极管并联的滤波电容、输出端负载阻抗等等，都对输入端的骚扰电压的频谱没有影响。参考文献[1]刘永光,刘鸿鹏,王卫.无桥Boost PFC电路的EMI分析[C].全国电气自动化与电控系统学术年会,2007.[2]余劲.临界工作模式下Boost PFC辐射EMI机理研究[J].电力系统及其自动化,南京师范大学,2017.[3]马晓露,薛亚彬.双闭环PI控制Boost PFC电路的仿真研究[J].电子世界,2018-01.[4]胡小菊,巩英才,房胜楠,杨小康,程红.单相Boost型PFC电路的建模及仿真[J].中国科技信息,2015-09.[5]李彩霞,李建林,李淳,张仲超.电流连续功率因数校正器的电磁兼容问题研究[A].电力系统及其自动化学报,2005-06.图13 PFC输入端的差模信号频谱改变共模电感前后两端的X滤波电容，如1.5μF改为0.47μF，仿真得到的骚扰电压频谱有了一些变化，而且在共（上接第25页）处可自动停车进行避障；通过手机界面进行小车行驶操控的稳定性也好。参考文献[1]田亚立，梁波.基于单片机的智能语音小车控制系统设计[J].电子技术与软件工程，2019，1：247-248.[2]汪文立，王琪，丁柏文，等.基于IAP15F2K61S2单片机的无线语音智能小车[J].机械制造与自动化,2018,1: 187-189.[3] 朱向庆，陈志雄.一种语音控制的自主寻迹与避障智能小车设计[J].计算机测量与控制，2011，19（7）：1674-1677.4 结论语本文基于单片机STM32F103RCT6结合语音控制模块、电机驱动模块、无线通信模块、传感器模块等设计了一款集语音控制、手机终端界面控制、自动避障等功能于一体的智能小车。通过实物验证，该小车可自动避障、可通过语音来控制小车的行进方向，也可在手机控制端界面结合蓝牙技术来控制小车的前进方向。作者简介通信作者：陈利伟（1981--），男，甘肃兰州人，电气中级工程师，硕士，研究方向：电力电子技术、智能控制。20