语音机器人毕业论文

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1、摘 要自从工业机器人投入应用以来，它已经在社会生产制造等许多领域中发挥了巨大的作用。随着电子技术的不断发展，自动化已经不再是一个新鲜的话题。目前，各种娱乐、示教、服务类型的机器人正在走进我们的日常生活，它们也将为我们的生活带来很多的方便和乐趣。语音一直是我们日常生活最惯常自然的信息交流方式，实现人机间语音通信就显得必不可少，进行语音控制的研究工作具有很强的现在意义和应用前景。本文以凌阳16位单片机SPCE061A为控制核心，根据语音识别技术，以轮式玩具机器人为控制对象，设计了一个语音控制机器人系统。首先，论述了目前语音识别技术的发展现状，语音识别技术在机器人控制中的应用前景；然后，进行了系统总

2、体方案设计，进行了各功能模块的选型。在此基础上进行了系统的硬件设计和软件设计。最后，进行了语音识别测试，实现了对机器人前进、后退、左转、右转等动作的语音控制。本文设计的语音控制技术，也可以应用到控制空调、电视、灯光、自动窗帘等。关键词：机器人，语音控制，语音识别，SPCE061A单片机The Design of Voice Control Robot AbstractSince the industrial robot has been put into applications，it has played all important role in many fields such as s

3、ocial production and manufacturing. Currently, all kinds of robots which provide entertainment，teaching，and service are stepping into our daily life，they will also bring many convenience and pleasure to usVoice has always be the most usual and natural ways of exchanging information in Our daily life

4、It is essential to achieve voice-communication between people and robots，studies of voicecontrolling have great practical significance and good application prospectsSunplus 16-bit microcontroller SPCE061A based on voice recognition technology, wheeled toy robot control object, the design of a voice

5、control robotic systems for the control of the core. First, it discusses the development status of the current speech recognition technology, voice recognition technology in robot control application prospects; then, the overall system design of each functional module selection. On this basis, the s

6、ystems hardware and software design. Finally, the speech recognition test, the robot forward, backward, turn left, turn right action of the voice control.In this paper, the design of the voice control technology can be applied to control air conditioning, TV, lights, automatic curtain.Key Words: rob

7、ot，voice control, speech recognition, SPCE061A目 录第一章 绪 论11.1 论文选题背景及研究意义11.2 国内外研究现状21.3 论文研究的主要内容3第二章 系统总体方案设计52.1 控制器的选择52.2 语音识别原理82.3 机器人对象的选择102.4 机器人电机调速及驱动方案设计102.5 系统总体方案12第三章 系统硬件电路设计133.1 控制单元电路设计133.1.1 凌阳单片机简介133.1.2 时钟电路的设计163.1.3 复位电路的设计163.1.4 SPCE061SA最小系统173.1.5 61开发板简介173.2 机器人电机控制

8、电路设计183.3 语音信号采集电路183.4 系统供电电源电路20第四章 系统软件设计214.1 系统工作过程214.1.1 系统工作过程214.1.2 系统程序设计方案选择214.1.3 编程语言的选择234.2 主程序设计244.3 中断服务子程序设计264.4 语音训练程序设计264.5 语音识别程序设计27第五章 全文总结28致 谢29参考文献30附录1 部分程序清单32附录2 系统总体电路图41第一章 绪 论1.1 论文选题背景及研究意义机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置，它可以执行植入的编排好的程序，也可以接受我们发给它的命令，也可以利用人工智能技术给它制定原则纲领行动

9、。在某些领域机器人能取代或协助人类更好地工作，目前制造业、建筑业，深海火山探险中都可以见到机器人的身影。著名机器人专家恩格尔伯格于1958年成立了一家命名为Unimation的机器人公司，并在1959年推出了世界上最早的一台工业机器人。工业机器人在工业生产上获得了很大的成功，工业机器人的需求同渐增长。然而1983年，恩格尔伯格却将Unimation公司卖给了西屋公司，和他的同事创建了TRC公司，它是一家研制服务机器人的公司。 语言是人类交流的最自然、最方便的手段，隐刺也必然成为人与计算机之间交流最自然、最方便的手段之一。随着语音技术的法杖和成熟，利用语音识别技术进行各种设备的控制已成为当今识别

10、技术的研究前沿课题 和发展方向之一。语音技术近几年来的飞速发展，无论是语音识别的识别效果、识别方式的多样化、抗噪声性及功能价格比等方面均有了质的变化，已经达到了全面应用的阶段；贴别是陆续推出的低价位、高识别性能、具有SD/SI/SV/SA等丰富语音识别内容的语音识别处理器，解开了语音识别技术在电子产品及应用的新局面。随着人工智能、计算机软硬件技术的发展，我们要求机器人具有一定的智能，智能机器人成为这一领域研究的热点，在未来战士等电影中所描述的机器人可以和我们人类进行自由交谈，还具有思考、学习能力。其实，要想机器人真正地走进人们的日常生活，为我们的生活带来更多方便和乐趣，一个高性能的语音识别系统

11、就显得必不可少。语言也是我们所使用的最惯常、高效、方便快捷的信息交流方式。机器人语音识别技术就是机器人对人所发出的语音指令、语句进行识别理解，来执行人所发出的命令，或分析理解说话的内容，给出正确的回答。广义的语音识别技术具体包括：语音识别(识别说话内容)、语种识别(识别说话语言种类)、说话人识别(识别说话人的身份)、语音评分(评价发音的标准程度)。语音识别技术涉及到语言学、工程、心理学和计算机技术等领域的专业知识，它是多学科交叉的边缘学科。实现人机之间畅通无阻的语音交流是人类一直不懈追求的梦想，语音识别技术是实现这一梦想的关键性技术。而随着人们对生活质量的不断要求，智能语音控制的机器人将会不断

12、充斥人们的生活，使人们生活更加便利多彩。1.2 国内外研究现状语音识别起源于20世纪50年代的Audry系统，这是语音识别研究工作的开端。1959年，J.W.Rorgie和C.D.Forgie采用数字计算机识别英文原音及孤立子，开始了计算机语音识别。20世纪60年代，计算机的应用对语音识别的发展起了很大的作用。这时期产生很多重要研究成果，提出了动态规划（DP）和线性预测分析技术（LP），其中后者是语音信号产生模型问题得到了较好的解决，对语音识别技术的后续研究工作产生了深远的影响。70年代，语音识别技术取得了进一步的突破，LP技术和动态时间规整技术（DTW）在理论上基本成熟，另外提出了矢量量化（

13、VQ）和隐马科夫模型（HMM）技术。基于线性预测倒谱和DTW技术实现了特定人孤立词的语音识别系统。20世纪80年代初，LP技术和DTW技术催生矢量量化(VQ)技术和隐马尔柯夫模型(HMM)理论，实现了基于线性预测倒谱和DTW技术的特定人孤立词小词汇量语音识别系统。此时语音识别研究的重点之一是连接词语音识别，各种连接词语音识别算法被开发，如多级动态规划语音识别算法。另一重要发展是语音识别算法从模板匹配技术转向基于统计模型技术。研究从微观转向宏观，不再追求细化语音特征，而是从统计的角度来建立最佳的语音识别系统。隐马尔柯夫模型(HMMHidden Markov Mode1)是其典型，它能很好的描述语

14、音信号的时变性和平稳性。统计语言模型也开始取代基于规则语言模型的方法。HMM的研究使大词汇量连续语音识别系统的开发成为可能。80年代中期，在实践中成功应用了HMM模型和人工神经网络(ANN)。而AT&T Bell实验室Tabiner的等科学家建立了一套HMM模型的实验工具，使艰涩的HMM纯数学模型工程化，HMM走向应用。也为更多研究技术人员了解和认识HMM提供了更方便的途径。基于ANN和HMM模型建立的语音识别系统具有更好的性能1988年Kai-Fu Lee等用VQI-IMM方法实现了997个词汇的非特定人连续语音识别系统SPHINX，它在有，无文法限制的条件下识别率分别为96和82。这是世界

15、上第一个高性能的非特定人、大词汇量、连续语音识别系统，被认为是语音识别历史上的一个里程碑。进入90年代，多媒体时代已经来临，语音识别系统的使用需要更加紧迫。美国、日本、韩国等一些发达国家，以及 IBM、Apple、AT&T、NTT等著名公司投以巨资进行语音识别系统的开发。IBM公司于1997年正式推出中文听写机系统ViaVoice，该系统对新闻语音识别有较高的精度，是目前比较有代表的汉语连续语音识别系统。我国语音识别研究工作起步于五十年代，但近年来发展很快。研究水平也从实验室逐步走向实用。从1987年开始执行国家863计划后，国家863智 能计算机专家组为语音识别技术研究专门立项，每两年滚动一

16、次。我国语音识别技术的研究水平已经基本上与国外同步，在汉语语音识别技术上还有自己的特点与优 势，并达到国际先进水平。其中具有代表性的研究单位为清华大学电子工程系与中科院自动化研究所模式识别国家重点实验室。我国中科院自动化所研制的非特定人、连续语音听写系统和汉晤语音人机对话系统，其字准确率或系统响应率可达90以上。电子工程系语音技术与专用芯片设计课题组，研发的非特定人汉语数码串连续语音识别系统的识别精度，达到948（不定长数字串）和968（定长数字 串）。在有5的拒识率情况下，系统识别率可以达到969（不定长数字串）和987（定长数字串），这是目前国际最好的识别结果之一，其性能已经 接近实用水平

17、。研发的5000词邮包校核非特定人连续语音识别系统的识别率达到9873，前三选识别率达9996；并且可以识别普通话与四川话两 种语言，达到实用要求。2000年7月在北京自然博物馆新开设的动物展馆中展出的具有语音识别口语对话功能“熊猫”，采用了我们研发非特定人连续语音识别系统，在展览馆 这样高噪声的环境下，该识别系统的识别率也超过了98，达到实用要求。通过该系统观众与“熊猫”自然对话可以了解熊猫的生活习惯、生理结构等信息，其形 式生动、活泼，吸引了大量的学生与参观者。采用嵌入式芯片设计技术研发了语音识别专用芯片系统，该芯片以8位微控制器（MCU）核心，加上低通滤波器，模数（AD），数模 （DA）

18、，预放，功率放大器，RAM，ROM，脉宽调幅（PWM）等模块，构成了一个完整的系统芯片，这是国内研发的第一块语音识别专用芯片。芯片中包 括了语音识别、语音编码、语音合成功能，可以识别30条特定人语音命令，识别率超过95，其中的语音编码速率为16kbitss。该芯片可以用于智能 语音玩具；也可以与普通电话机相结合构成语音拨号电话机。这些系统的识别性能完全达到国际先进水平。研发的成果已经进入实用领域，一些应用型产品正在研发 中，其商品化的过程也越来越快。目前在语音识别、语音控制的应用研究中存在的问题是：1、语音信息具有很大的时变性，语音模式对不同的讲话者甚至对于同一个讲话者都是不同的。2、断点监测

19、，单词之间的停顿很模糊，使得全单词模型匹配准确率不高。3、非特定人语音识别问题，它是机器人走向实用化的一个重要环节，也是突破语音识别的关键性技术之一。4、实时性，机器人的大多应用场合要求实时性。5、语音的模糊性，汉语中有很多多音字，他们发音时一样的，识别他们必须根据上下文的发音和相关的词法、句法规则。1.3 论文研究的主要内容利用SPCE061A单片机，通过语音命令对机器人机体（包括2个用于走路的电机、1个用于头部旋转的电机、1个用于加速1个用于弹射的电机等）进行控制，能够实现走步、转向和转头功能。要求智能机器人可以识别15条命令，具有2种跳舞模式和发射飞盘功能。技术指标：机器人工作的额定电压

20、：6V（4节干电池）； 机器人可以识别15条语音命令；机器人具有2种跳舞模式。论文的主要研究内容如下：1系统总体方案设计，包括系统控制器的选型，语音识别技术的原理，以及电机驱动方案选择等。2根据系统总体组成框图进行系统硬件设计，包括单片机最小系统的设计、电机驱动电路设计以及语音识别电路设计。3在系统硬件设计的基础上进行系统软件设计，包括主程序设计、语音识别程序设计等。第二章 系统总体方案设计2.1 控制器的选择根据系统控制要求我们首先选择控制器。市场上可供我们选择的控制器多种多样，比如工业控制计算机、PLC、单片机等。考虑到我们设计的机器人体积较小，为了使控制器能放置在机器人上，因此我们放弃选

21、用工业控制计算机作为控制器，所以我们只考虑在PLC和单片机中选出一种合适的控制器。方案一：可编程逻辑控制器（PLC）可编程控制器的种类千差万别，为了在恶劣的工业环境中使用，它们却有许多共同的特点。1、抗干扰能力强，可靠性极高工业生产对电器控制设备的可靠行的要求非常高，需具有很强的抗干扰能力强，能在很恶劣的环境下（如温度高、湿度大、金属粉尘多、距离高压设备近、有较强的高频电磁干扰等）长期连续可靠地工作，平均无故障时间(MTBF)长，故障修复时间短。能适应工业现场的恶劣环境。可以说，没有任何一种工业控制设备能够达到可编程控制器的可靠性。在PLC的设计和制造过程中，采取了精选元器件及多层次抗干扰等措

22、施，使PLC的平均无故障时间MTBF通常在10万小时以上，有些PLC的平均无故障时间可以达到几十万小时以上，如三菱公司的F1，F2系列的MTBF可达到30万小时，有些高档的MTBF还要高得多，绝这是其他电气设备根本做不到的。绝大多数的用户将可靠性作为选取控制装置的首要条件，PLC在硬件和软件方面均采取了一系列的抗干扰措施。硬件方面，首先选用优质器件，采用合理的系统结构，加固、简化安装，使它能抗震动冲击。对印刷电路板的设计、加工及焊接都采取了极为严格的工艺措施。对与工业生产过程中最常见的瞬间干扰，采取的措施主要是采用隔离和滤波技术。PLC的输入和输出电路一般都用光用点耦合器传递信号，做到电浮空，

23、使CPU与外部电路完全切断了电的联系，有效地仰制了外部干扰对PLC的影响。在PLC的电源电路和I/O接口中，还设置多种耦波电路，除了采用常规的模拟耦波器（如LC耦波和n型耦波）外，还加上了数字耦波，消除和仰制高频干扰信号，消弱各种模板之间的相互干扰。用集成电压调整器对微处理器的+5V电源进行调整，以适应交流电网的波动和过电压、欠电压的影响。在PLC内部还采用了电磁屏蔽措施，对电源变压器、CPU、存储器、编程器等主要部件采用导电、导磁良好的材料进行屏蔽，以防外界干扰。软件方面，PLC采取了很多特殊措施，设置了警戒时钟WDT(Watching Dog Tuner)，系统运行时对WDT定时刷新，一旦

24、程序出现死循环，使之能立即跳出，重新启动并发出报警信号。设置了故障检测及诊断程序，检测系统硬件是否正常，用户程序是否正常，自动地做出相应的处理。如报警、封锁输出、保护数据等。PLC检测到故障时，立即将现场信息存储器，系统软件配合对存储器进行封闭，禁止对存储器的任何操作，防存储信息被破坏。检测到外界环境正常后，恢复到故障发生前的状态，继续原来的程序工作。PLC特有的循环扫描工作方式，有效地屏蔽了绝大多数的干扰信号。 2、编程方便可编程控制器的设计是面向工业企业中一般电气工程计算人员的。它采用易与理解和掌握的梯形图语言，以及面向工业控制的简单指令。梯形图语言继承了传统继电器控制线路的表达型式（如线

25、圈、触点、动合、动断），考虑到工业中的电气技术人员的看图习惯和微机应用水平，形象、直观，简单、易学。小型PLC，不需专门的计算机知识，只需几天甚至几小时的培训，掌握编程方法。使用PLC深受电气工程技术人员欢迎。3、使用方便产品系列化和模板化，配有品种齐全的各种软件，用户可灵活组合成各种规模和要求不同的控制系统，在硬件设计方面，确定PLC的硬件配件和I/O通道的外部接线。在PLC构成的控制系统中，只需在PLC的端子上接入相应的输入、输出信号，不需诸如继电器之类的固体电子器件和大量繁杂的硬接线电路。在生产工艺流程改变，或生产线设备更新、或系统控制需改变，需变更控制系统的功能时，一般不需改变或很少改

26、变I/O道的外部接线，只需改变存储器中的控制程序，PLC的输入、输出端子可直接与220VAC,24VDC等强电相连，有较强的带负载能力。在PLC运行过程中，PLC的面板上（或显示器上）可显示生产过程中用户感兴趣的各种状态和数据，使操作人员做到心中有数，在出现故障甚至发生故时，能及时处理。4、维护方便PLC的控制程序可通过编程输入到PLC的用户程序存储器中。编程器可对PLC控制程序进行写入、读出、检测、修改，可对PLC的工作进行监控，使得PLC的操作及维护都很方便。PLC有很强的自诊断能力，可随时检查出自身的故障，显示给操作人员，如FO通道的状态、RAM的后备电池的状态、数据通信的异常、PLC主

27、机或外部的输入装置及执行机构发生故障时，操作人员能迅速检查、判断故障原因，确定故障位置，采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在维修时只需更换插入式模板或其他易损件即可完成。5、设计、施工、调试周期短用可编程控制器完成一项控制工程时，硬、软件齐全，设计和施工可同时进行用软件编程取代继电器硬接线实现控制功能，使得控制柜的设计及安装接线工作量大为减少，缩短了施工周期。同时，用户程序大都可以在试验室模拟调试，模拟调试好后再将PLC控制系统在生产现场进行联机统调，使得调试方便、快捷、安全，大大缩短设计和投运周期。 6、易于实现机电一体化可编程控制器的结构紧凑，体积小，重量轻，可靠性高，抗振防潮和耐

28、热能力强，使之易于安装在机器设备内部。制造出机电一体化产品。随着集成电路制造水平的不断提高，可编程控制器体积将近一步缩小，工能进一步增强，与机械设备有机覅结合起来，在CNC和机器人的应用中必将更加普遍，以PLC作为控制器的CNC设备和机器人装置将成为典型的机电一体化的产品。基于以上有点，PLC在工业生产中应用十分广泛，在大型自动化生产线上PLC也是主要的控制器。然而考虑到我们语音控制机器人的设计要求一方面PLC的体积较大，放置在机器人上有很大困难，另一方面PLC的市场价格较高，对于我们学生用它作为控制器花销较大，因此我们不会首先考虑使用PLC作为控制器。方案二：单片机市场上的单片机型号多种多样

29、，我们需要根据系统的控制要求以及各个单片机的特点进行选择。应用最广泛的是MCS-51系列的单片机。MCS-51系列单片机是Intel公司生产的。这个系列的单片机既包括三个基本型8031、8051、8751，也包括对应的低功耗型80C31、80C51、87C51。51系列优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内

30、RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为00H7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可。但是51系列单片机的CPU是八位的，在控制精度上稍显不足。而且我们的控制要求是用声音作为控制信号，这样我们就需要很大的外围声音采集与转换模块来支持声音控制，使用起来会很麻

31、烦。很难能达到我们的控制要求。在市场上我们发现凌阳公司生产的SPCE061A十六位单片机，它的特点是功能强、效率高的指令系统：nSPTM的指令系统的指令格式紧凑，执行迅速，并且其指令结构提供了对高级语言的支持，这可以大大缩短产品的开发时间。低功耗、低电压：nSPTM家族采用CMOS制造工艺，同时增加了软件激发的弱振方式，空闲方式和掉电方式，极大地降低了其功耗，另外，nSPTM家族的工作电压范围大，能在低电压供电时正常工作，且能用电池供电，这对于其在野外作业等领域中的应用具有特殊的意义。而且凌阳具有强大的数字语音功能。凌阳单片机的语音识别模块自带语音的API 函数，其中包括A2000 格式和S4

32、80 格式自动播放及手动播放的播放函数，S240、MS01 格式自动播放的播放函数、DVR 格式的语音录放函数和语音识别函数，让凌阳单片机不但可以作为普通的单片机开发系统，而且还可以作为一个语音系统进行语音播放、语音录放和语音识别，大大降低了凌阳单片机的开发难度，并增强了凌阳单片机的使用领域和功能。再加上凌阳单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性好，开发较为容易，因此根据系统设计要求，本设计选择凌阳单片机作为主控制器。2.2 语音识别原理隐马尔可夫模型(Hidden Markov Models，简称HMM)语音识别技术是一种统计技术，它提供了一种基于训练数据提供的概

33、率自动构造识别系统的技术。其识别系统如图2-1所示。图2-1 语音识别系统实现过程这是Rabiner等人在20世纪80年代引入语音识别领域的一种语音识别算法。该算法通过对大量语音数据进行数据统计，建立识别条的统计模型，然后从待识别语音中提取特征，与这些模型匹配，通过比较匹配分数以获得识别结果。通过大量的语音，就能够获得一个稳健的统计模型，能够适应实际语音中的各种突发情况。隐马尔可夫语音识别技术的改进随着语音识别研究工作的深入开展，HMM语音识别方法愈来愈受到人们的重视，基于HMM技术的识别系统的缺点就在于统计模型的建立需要依赖一个较大的语音库。这在实际工作中占有很大的工作量。且模型所需要的存储

34、量和匹配计算（包括特征矢量的输出概率计算）的运算量相对较大，通常需要具有一定容量SRAM 的DSP才能完成。另外，它的一个最主要的缺点是根据词模型推出的状态段长分布是指数分布，这不符合语音的本质属性，因此，现在推出了一种非齐次的HMM语音识别模型(Duration Distribution Based Hidden Markov Model，简称DDBHMM)。在此模型中用状态的段长分布函数替代了齐次HMM中的状态转移矩阵，彻底抛弃了“平稳的假设”，而从非平稳的角度考虑问题，使模型成为一种基于状态段长分布的隐含Markov 模型。段长分布函数的引入澄清了经典HMM语音识别模型的许多矛盾，DBB

35、HMM比国际上流行的HMM语音识别模型有更好的识别性能和更低的计算复杂度(训练算法比流行的Baum 算法复杂度低两个数量级)。由于该模型解除了对语音信号状态的齐次性和对语音特征的非相关性的限制，因此，为语音识别研究的深入发展提供了一个和谐的框架。语音识别过程本质上是一种多维模式识别过程。主要有信号预处理、特征提取、语音模型库、模式匹配、后处理等几个环节。首先是预处理,主要包括模/数转换、预加重、自动增益控制等处理过程,主要实现语音信号的数字化；然后对经过预处理后的语音信号进行特征提取，形成特征矢量序列；之后开始模式匹配,就是将输入参数的特征参数同长时间训练得到的语音模型库进行比较分析,从而得到

36、初步结果，目前使用最广泛的识别方法是统计模式识别法；最后，为了提高识别正确率，可考虑进行后处理，以提高系统的性能。本系统也是基于上述语音识别原理进行语音识别的，其识别过程如图2-2所示。图2-2 系统语音识别过程图根据识别结果系统将做出相应的控制操作，具体控制过程是基本由软件完成，我们将在第四章详细介绍。2.3 机器人对象的选择本系统选用玩具机器人模型。此模型为轮式机器人，用电机驱动。机器人实物图如2-3所示。图2-3 机器人实物图2.4 机器人电机调速及驱动方案设计直流电机的转速特性为： （2-1） 当理想空载时，电机的机转速性为： （2-2）由式2-1和2-2可以看出，要改变电机的速度，可

37、以改变电阻R或电压U以及磁通来调节电机的速度。但是改变电枢电阻R值，接入的电阻消耗了部分电压，因此这种传统的调速方法效率很低；而磁通量难以控制。所以我们选择改变电压来实现电机的调速系统。随着电力电子技术的发展，出现了许多新的电枢电压控制方法，其中PWM(Pulse Width Modulation)控制是常用的一种调速方法。PWM控制是指在保持周期不变的情况下，通过调节开关导通的时间对脉冲宽度进行调制，从而达到调节电机转速的目的。在脉宽调速系统中，电机电枢两端的电压是脉宽可调的脉冲电压，在输出脉冲频率足够快的情况下，由于惯性的存在，只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保

38、持一个稳定值。对于直流电机，采用PWM控制技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。脉冲宽度调制（PWM）技术是采用H桥电路作为功率放大电路，运用全数字PWM技术控制电机转速，并引入速度反馈提高控制精度和电动机机械特性的硬度，从而可以使电机在运行过程中能够获得多种不同的运行状态和速度。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术；由单片机直接产生PWM驱动控制脉冲，精度高，连接方便，成本低；采用速度闭环控制，不仅提高了控制进度，而且使电

39、动机机械特性变硬，从而彻底克服了小车因速度过低或负载扰动而造成的停车，尤其是在弯道区域，保证了行驶的连续性。其原理如图2-4所示：图2-4 PWM控制原理图这样在电动机两端得到的电压波形如图2-4右侧所示，电压平均值可用下式表示： (2-3)式中，开关每次接通时间开关通断的工作周期占空比，由式(2-3)可见，改变接通时间和开关周期的比例亦改变脉冲的占空比，电动机两端电压的平均值也随之改变，因而电动机转速得到了控制。考虑到实际的机器人是轮式机器人，其前进、后退及转向等操作可以通过简单的控制机器人左右腿电机的开关来实现，所以我们仅仅需要控制其左右腿电机的开启及停止。对于电机的驱动我们选择H桥作为驱

40、动电路，其原理如图2-5所示：图2-5 H桥驱动电路原理图如图所示，H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。当Q1管和Q4管导通时，电流将从电源正极经Q1从左至右穿过电机，然后再经Q4回到电源负极，此时电流将驱动电机顺时针转动；当三极管Q3和Q2导通时，电流将从正极经Q3从右向左流过电机，然后再经Q2回到电源负极，此时电机逆时针转动。2.5 系统总体方案用61板来控制机器人，使用了I0B7-IOB15资源，另外使用了

41、扬声器，参看图2-6如下：图 2-6 系统的总体框图第三章 系统硬件电路设计3.1 控制单元电路设计根据系统总体方案，选择SPCE061A单片机作为主控制器。3.1.1 凌阳单片机简介SPCE061A是凌阳科技推出的一款16位单片机，片内采用的nSPTM核心具有较高的处理速度，能够更快速地处理复杂的数字信号。SPCE061A的主要性能特点：u 16位nSP微处理器；u 工作电压(CPU) VDD为2.43.6V (I/O) VDDH为2.45.5Vu CPU时钟：0.32MHz49.152MHz ；u 内置2K字SRAM；u 内置32K FLASH；u 可编程音频处理；u 晶体振荡器;u 系统

42、处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电仅为2A/3.6V；u 2个16位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；u 2个10位DAC(数-模转换)输出通道；u 32位通用可编程输入/输出端口；u 14个中断源可来自定时器A / B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；u 具备触键唤醒的功能；u 使用凌阳音频编码SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；u 锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；u 32768Hz实时时钟；u 7通道10位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器；u 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；u

43、具备串行设备接口；u 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；u 内置在线仿真电路ICE（In- Circuit Emulator）接口；u 具有保密能力；u 具有Watch Dog功能。凌阳单片机的语音识别模块自带语音的API 函数，其中包括A2000 格式和S480 格式自动播放及手动播放的播放函数，S240、MS01 格式自动播放的播放函数、DVR 格式的语音录放函数和语音识别函数，让凌阳单片机不但可以作为普通的单片机开发系统，而且还可以作为一个语音系统进行语音播放、语音录放和语音识别，大大降低了凌阳单片机的开发难度，并增强了凌阳单片机的使用领域和功能。SPCE061A有

44、两种封装片，一种为80个引脚，PLCC80封装形式；另一种为84个引脚，LQFP84封装。其中84引脚排列如图3-1所示。图3-1 SPCE061A单片机引脚图芯片的引脚说明 在PLCC84封装中，有15个空余脚，用户使用时这15个空余脚悬浮。其余管脚功能说明如表3-1所示：表3-1管脚功能表IOA0IOA15(4148,53,5460脚)I/O口A，共16个IOB0IOB15(51,8176,6864脚)I/O口B，共16个OSCI（13脚）振荡器输入。在石英晶振模式下，是石英元件的一个输入脚。OSCO（12脚）振荡器输出。在石英晶振模式下，是石英元件的一个输出脚。RES_B (6脚)复位输

45、入。若这个脚输入低电平，会使得控制器被重置复位。ICE_EN（16脚）ICE使能端,接在线调试器PROBE的使能脚ICE_EN。ICE_SCK （17脚）ICE时钟脚，接在线调试器PROBE的时钟脚ICE_SCK。ICE_SDA（18脚）ICE数据脚，接在线调试器PROBE的数据脚ICE_SDA。PVIN（20脚）程序保密设定脚。PFUSE（29脚）程序保密设定脚。DAC1（21脚）音频输出通道1。DAC2（22脚）音频输出通道2。VREF2（23脚）2V参考电压输出脚。AGC（25脚）语音输入自动增益控制引脚。OPI（26脚）Microphone的第二运放输入脚。MICOUT（27脚）Mic

46、rophone的第一运放输出脚。MICN（28脚）Microphone的负向输入脚。MICP（33脚）Microphone正向输入脚。VRT（35脚）A/D转换外部参考电压输入脚。它决定A/D转换输入电压上限值。例如该点输入一个2.5V的参考电压，则A/D转换电压输入范围为02.5V。（外部A/D最高参考电压3.3V）。VCM(34脚)ADC参考电压输出脚。VMIC(37脚)Microphone电源。SLEEP（63脚）睡眠状态指示脚。当CPU进入睡眠状态时，该脚输出一个高电平。VCP (8脚)锁相环压控振荡器的阻容输入。XROMT、PVPP、XTEST(61、69、14脚)出厂测试用管脚，悬

47、空即可。VDDH（51、52、75脚）I/O电平参考。该点输入一个5V的参考电压，则I/O输入输出高电平为5V。VDD（7脚）PLL锁相环电源。VSS（9脚）锁相环地。VSS（19、24脚）模拟地。VSS（38 、49、50、62脚）数字地。VDD（15脚、36脚）数字电源。3.1.2 时钟电路的设计SPCE061A单片机各个功能部件的欲行都是以是种控制信号为基准，有条不紊的一拍一排地工作。因此，时钟频率直接影响单片机的速度，时钟电路的质量也直接影响单片机系统的稳定性。nSP的时钟电路是采用晶体振荡器电路。图3-2为SPCE061A时钟电路的接线图。外接晶振采用32768Hz。推荐使用外接32

48、768Hz晶振，因RC阻容振荡的电路时钟不如外接晶振准确。图3-2 时钟电路32768Hz实时时钟通常用于钟表、实时时钟延时以及其它与时间相关类产品。SPCE061A通过对32768Hz实时时钟来源分频，而提供了多种实时时钟中断。例如，用作唤醒的中断来源IRQ5_2Hz，表示系统每隔0.5秒被唤醒一次，由此可作为精确的计时基准。3.1.3 复位电路的设计复位是单片机的 初始化操作。通过某种方式，使单片机内存各寄存器的值变为初始的操作称为复位(reset)。SPCE061A复位电路如图3-3所示，在RESB端加上一个低电平就可令其复位。该电路具有手动和上电复位两种功能。图3-3 复位电路3.1.

49、4 SPCE061SA最小系统最小系统接线如图3-4所示，在OSC0、OSC1端接上晶振及谐振电容，在锁相环压控振荡器的阻容输入VCP端接上相应的电容电阻后即可工作。其它不用的电源端和地端接上0.1F的去藕电容提高抗干扰能力。图3-4 单片机最小系统3.1.5 61开发板简介“61板”是SPCE061A EMU BOARD的简称，是以台湾凌阳科技16位单片机SPCE061A为核心的精简开发实验板，或者说是16位单片机SPCE061A的开发系统。“61板”包括电源电路、程序下载电路、音频电路（含MIC输入部分和DAC音频输出部分）、SPCE061A单片机最小系统电路、复位电路、按键、输入输出口引

50、脚插针等。采用电池供电，方便学生随身携带。61板实物图如3-5所示。图3-5 61开发板实物图3.2 机器人电机控制电路设计驱动电路采用功率较大的三极管搭成H桥来驱动电机，可以实现电机的正向旋转与电机的反向旋转。这些电机包括2个用于走路的电机与一个头部转向的电机。另外用了一个三极管驱动单向旋转的电机，包括加速电机与发射电机，驱动电路比较简单。驱动电路如图3-6所示：图中IOB8与IOB9与单片机相应引脚相连。3.3 语音信号采集电路SPCE061A芯片的10位ADC mic_in音频输入通道，内置了传声器放大电路和自动增益控制AGC（automatic gain control）功能。AGC可

51、以自动调节传声器的收音量，使听众感觉到一定的音量水平，不会因为发言者与传声器的距离改变时，声音有忽大忽小的缺点。图3-7中的下列标识：VMIC、AGC、MICP、MICN、MICOUT和OPI都是单片机SPCE061A的引脚。其中，VMIC提供传声器电源，AVSS1是系统的模拟地，AGC是语音输入自动增益控制引脚，X1是传声器，MICP是传声器输入的正极输入引脚，MICN是传声器输入的负极输入引脚，MICOUT是单片机SPCE061A的第一级运算放大器的输出引脚，OPI是SPCE061A的第二级运算放大器的输入引脚。图3-6 机器人左右腿、脖子驱动电路图3-7 语音采集电路3.4 系统供电电源

52、电路61板的供电方式61班的供电电源系统比较灵活，可以选择以下多种方式供电。DC4.5V电池供电：用3节电池计4.5V供电。4.5V直流电压直接通过61板的三端集成稳压模块SPY0029稳压到3.3V，为整个61板提供了4.5和3.3V两种电平的电压。DC5V稳压源供电：外接5V的直流稳压供电，5V电压通过SPY0029稳压到3.3V。DC3.3V供电：也可以提供直流3.3V电压为实验板进行供电，此时整个板子只有3.3V电压，IO端口电压此时只有一种选择。61板的直流稳压电路61板上的直流稳压电路接线图如图3-8所示。无论是DC5V电池供电还是外接DC5V直流稳压电源供电，都从电源接口J10接

53、入，DC5V直流电源加到SPY0029三端集成稳压器U3上，经U3稳压后活的标准的3.3V电压，供给SPCE061A的内核使用。3-8 61板直流稳压电路原理图第四章 系统软件设计4.1 系统工作过程4.1.1 系统工作过程打开机器人的电源。一般在首次启动机器人时需要进行语音训练，训练过程按照下面进行：按顺序训练以下15条指令：“名称”，“开始”，“准备”，“跳舞”，“再来一曲”，“开始”，“向前走”，“倒退”，“右转”，“左转”，“准备”，“向左瞄准”，“向右瞄准”，“发射”，“连续发射”。每条指令要训练两遍。当一条指令被正确识别时会提示进入下一条；如没有被识别会要求重复该指令，直到正确识别

54、为止。如果训练成功则进入语音识别状态，如果训练没有成功则重复训练。由于SPCE061A的FLASH存储器只有32K，所以15条指令需要分组存放。在这里分成3组，每组5条指令。在不同组指令中交换需要根据出发名称，所以在识别状态，要执行动作首先需要触发名称，就是训练的第一条命令，然后可以识别第一组的其余四条命令。在触发第一条指令，然后再触发第二条指令，就可以识别第三条指令。相应操作就是控制器发出指令，控制各种电机的转动、停止和扬声器的播放。每个操作结束后，程序将返回等待语音命令输入。如此循环工作。关闭电源，停止工作。4.1.2 系统程序设计方案选择结构化程序设计（structured progra

55、mming）是进行以模块功能和处理过程设计为主的详细设计的基本原则。其概念最早由E.W.Dijikstra在1965年提出的，是软件发展的一个重要的里程碑。它的主要观点是采用自顶向下、逐步求精的程序设计方法；使用三种基本控制结构构造程序，任何程序都可由顺序、选择、循环三种基本控制结构构造。结构化程序设计主要强调的是程序的易读性。结构化设计的基本结构：（1）顺序结构。顺序结构表示程序中的各操作是按照它们出现的先后顺序执行的。（2）选择结构。选择结构表示程序的处理步骤出现了分支，它需要根据某一特定的条件选择其中的一个分支执行。选择结构有单选择、双选择和多选择三种形式。（3）循环结构。循环结构表示程

56、序反复执行某个或某些操作，直到某条件为假（或为真）时才可终止循环。在循环结构中最主要的是：什么情况下执行循环？哪些操作需要循环执行？循环结构的基本形式有两种：当型循环和直到型循环。当型循环：表示先判断条件，当满足给定的条件时执行循环体，并且在循环终端处流程自动返回到循环入口；如果条件不满足，则退出循环体直接到达流程出口处。因为是当条件满足时执行循环，即先判断后执行，所以称为当型循环。直到型循环：表示从结构入口处直接执行循环体，在循环终端处判断条件，如果条件不满足，返回入口处继续执行循环体，直到条件为真时再退出循环到达流程出口处，是先执行后判断。因为是“直到条件为真时为止”所以称为直到型循环。结

57、构化设优缺点。优点：结构化程序中的任意基本结构都具有唯一入口和唯一出口，并且程序不会出现死循环。在程序的静态形式与动态执行流程之间具有良好的对应关系。由于模块相互独立，因此在设计其中一个模块时，不会受到其它模块的牵连，因而可将原来较为复杂的问题化简为一系列简单模块的设计。模块的独立性还为扩充已有的系统、建立新系统带来了不少的方便，因为我们可以充分利用现有的模块作积木式的扩展。按照结构化程序设计的观点，任何算法功能都可以通过由程序模块组成的三种基本程序结构的组合: 顺序结构、选择结构和循环结构来实现。结构化程序设计的基本思想是采用自顶向下，逐步求精的程序设计方法和单入口单出口的控制结构。自顶向下

58、、逐步求精的程序设计方法从问题本身开始，经过逐步细化，将解决问题的步骤分解为由基本程序结构模块组成的结构化程序框图；单入口单出口的思想认为一个复杂的程序，如果它仅是由顺序、选择和循环三种基本程序结构通过组合、嵌套构成，那么这个新构造的程序一定是一个单入口单出口的程序。据此就很容易编写出结构良好、易于调试的程序来。缺点：用户要求难以在系统分析阶段准确定义，致使系统在交付使用时产生许多问题。用系统开发每个阶段的成果来进行控制，不能适应事物变化的要求。系统的开发周期长。2. 模块化程序设计模块化程序设计即模块化设计，简单地说就是程序的编写不是开始就逐条录入计算机语句和指令，而是首先用主程序、子程序、

59、子过程等框架把软件的主要结构和流程描述出来，并定义和调试好各个框架之间的输入、输出链接关系。逐步求精的结果是得到一系列以功能块为单位的算法描述。以功能块为单位进行程序设计，实现其求解算法的方法称为模块化。模块化的目的是为了降低程序复杂度，使程序设计、调试和维护等操作简单化。模块化设计的特点：各模块相对独立、功能单一、结构清晰、接口简单。控制了程序设计的复杂性。提高元件的可靠性。缩短开发周期。避免程序开发的重复劳动。易于维护和功能扩充。由于机器人是个小系统而且我们要求其实现的功能也有限，因此，基于简单方便原则，本系统采用结构化设计方法。系统的程序主要分为主程序模块、语音训练模块和语音识别模块。4

60、.1.3 编程语言的选择计算机语言的种类非常的多，总的来说可以分成机器语言，汇编语言，高级语言三大类。 如果按语种分，可以分为英文符号语言和汉语符号语言两类。电脑每做的一次动作，一个步骤，都是按照已经用计算机语言编好的程序来执行的，程序是计算机要执行的指令的集合，而程序全部都是用我们所掌握的语言来编写的。所以人们要控制计算机一定要通过计算机语言向计算机发出命令。 目前通用的编程语言有两种形式：汇编语言和高级语言。汇编语言(Assembly Language)是面向机器的程序设计语言。 汇编语言比机器语言易于读写、易于调试和修改，同时也具有机器语言执行速度快，占内存空间少等优点，但在编写复杂程序

61、时具有明显的局限性，汇编语言依赖于具体的机型，不能通用，也不能在不同机型之间移植。汇编语言直接同计算机的底层软件甚至硬件进行交互，它具有如下一些优点：能够直接访问与硬件相关的存储器或I/O端口；能够不受编译器的限制，对生成的二进制代码进行完全的控制；能够对关键代码进行更准确的控制，避免因线程共同访问或者硬件设备共享引起的死锁；能够根据特定的应用对代码做最佳的优化，提高运行速度；能够最大限度地发挥硬件的功能。同时还应该认识到，汇编语言是一种层次非常低的语言，它仅仅高于直接手工编写二进制的机器指令码，因此不可避免地存在一些缺点：编写的代码非常难懂，不好维护；很容易产生bug，难于调试；只能针对特定

62、的体系结构和处理器进行优化；开发效率很低，时间长且单调。C语言是一种计算机程序设计语言。它既具有高级语言的特点，又具有汇编语言的特点。它由美国贝尔研究所的D.M.Ritchie于1972年推出。1978后，C语言已先后被移植到大、中、小及微型机上。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，编写不依赖计算机硬件的应用程序。它的应用范围广泛，具备很强的数据处理能力，不仅仅是在软件开发上，而且各类科研都需要用到C语言，适于编写系统软件，三维，二维图形和动画。具体应用比如单片机以及嵌入式系统开发。C语言具有以下优点：1. 简洁紧凑、灵活方便。C语言一共只有32个关键字,

63、9种控制语句，程序书写形式自由，主要用小写字母表示。它把高级语言的基本结构和语句与低级语言的实用性结合起来。 C 语言可以像汇编语言一样对位、字节和地址进行操作，而这三者是计算机最基本的工作单元。2. 运算符丰富。C语言的运算符包含的范围很广泛，共有34种运算符。C语言把括号、赋值、强制类型转换等都作为运算符处理。从而使C语言的运算类型极其丰富，表达式类型多样化。灵活使用各种运算符可以实现在其它高级语言中难以实现的运算。3. 数据结构丰富。C语言的数据类型有：整型、实型、字符型、数组类型、指针类型、结构体类型、共用体类型等。能用来实现各种复杂的数据结构的运算。并引入了指针概念，使程序效率更高。另外C语言具有强大的图形功能，支持多种显示器和驱动器。且计算功能、逻辑判断功能强大。4. C是结构式语言。结构式语言的显著特点是代码及数据的分隔化，即程序的各个部分除了必要的