語音控制滅火機器人

1、NO:50 1 機器人概述 1.1 引言 自1954年美國G.C. Devol發(fā)表了“通用重復型機器人”專利論文和1958年美國Consolidated發(fā)表“數(shù)字控制機器人”論文，揭開了機器人研究的序幕以來，機器人科學取得了突飛猛進的發(fā)展。它現(xiàn)在己經發(fā)展成為一門涉及到力學、電子學、計算機科學、控制理論、傳感器技術、機械工程、仿生學和人工智能等諸多學科領域的綜合性學科。隨著機器人技術的飛速發(fā)展，機器人被大量地應用于空間、海洋、軍事、工業(yè)、農業(yè)、家庭以及醫(yī)療衛(wèi)生等眾多領域，用途越來越廣泛。機器人的發(fā)展大致經過以下三代的演變： 第一代是順序控制機器人。它們是以1962年AMF公司和Unimation

2、公司的“Versatran”與“Unimate”為起始產品，目前的應用已經普及化。這一代的機器人沒有裝配傳感器，依靠人們給定的程序，重復進行各種操作。因為它們沒有傳感器的反饋信息，因此不能在作業(yè)過程中從外界不斷獲取信息，故應用范圍和精度受到限制。 第二代是具有簡單的傳感器反饋信息的機器人。它有若干傳感器，能對自身的實際位置、方向、速度、力、觸覺等進行測量，能通過“視覺”、“觸覺”等傳感能力對外部環(huán)境進行實際探測，從而根據(jù)這些反饋信息，在事先編好的算法和程序指導下對操作過程進行調整。 第三代是能感知外界環(huán)境與對象物，并具有對復雜信息進行準確處理，對自己行為作出自主決策能力的智能機器人。它能識別景

3、物；有觸覺、視覺、力覺、聽覺，味覺等多種感覺；能實現(xiàn)搜索、追蹤、辨色和識圖等多種仿生動作；具有專家知識、語音功能和自學習能力等人工智能。遙操作機器人科學作為機器人科學的重要分支，一直得到了人們的廣泛重視和關注。它的應用，在一定程度上將人類從一些危險、極限、不可達和不確定的環(huán)境中解放出來，人們希望能夠在遠距離遙操作機器人來完成一些人類不易或者不能完成的操作，例如:：航空航天探測和試驗，有毒以及易爆危險品的處理，地下、海底作業(yè)等等。在操作者和控制對象之間存在遠距離跨度約束的情況下，遙操作機器人技術可以實現(xiàn)人與機器人的同步交互操作，幫助人類實現(xiàn)感知能力和行為能力的延伸，將操作者、機器人和控制對象閉合

4、到一個環(huán)路中。使得人類可以不必親臨現(xiàn)場，而通過安裝在機器人身上的各種傳感器采集現(xiàn)場的有關數(shù)據(jù)、圖像和語音，在經過適當?shù)奶幚砗笥行Э煽康貙⒂嘘P信息傳遞給操作者，在虛擬現(xiàn)實技術和網絡視頻技術的幫助下，進而作用到操作現(xiàn)場1.2 機器人在我國的發(fā)展有人認為，應用機器人只是為了節(jié)省勞動力，而我國勞動力資源豐富，發(fā)展機器人不一定符合我國國情。這是一種誤解。在我國，社會主義制度的優(yōu)越性決定了機器人能夠充分發(fā)揮其長處。它不僅能為我國的經濟建設帶來高度的生產力和巨大的經濟效益，而且將為我國的宇宙開發(fā)、海洋開發(fā)、核能利用等新興領域的發(fā)展做出卓越的貢獻。 我國已在“七五”計劃中把機器人列人國家重點科研規(guī)劃內容，撥巨

5、款在沈陽建立了全國第一個機器人研究示范工程，全面展開了機器人基礎理論與基礎元器件研究。十幾年來，相繼研制出示教再現(xiàn)型的搬運、點焊、弧焊、噴漆、裝配等門類齊全的工業(yè)機器人及水下作業(yè)、軍用和特種機器人。目前，示教再現(xiàn)型機器人技術已基本成熟，并在工廠中推廣應用。我國自行生產的機器人噴漆流水線在長春第一汽車廠及東風汽車廠投入運行。就目前來看，我們應從生產和應用的角度出發(fā)，結合我國國情，加快生產結構簡單、成本低廉的實用型機器人和某些特種機器人。隨著機器人科學的發(fā)展，遙控機器人作為工具，越來越深入人們的日常生活，被廣泛的應用于醫(yī)療、探測、消防、建筑、教育以及保安等諸多民用領域。在2002年引起了人們極大關

6、注的埃及金字塔探秘活動就是在一個遙控機器人的協(xié)助之下進行的。相信遙控機器人在民用領域的研究一定會有著十分廣闊的應用前景。 互聯(lián)網技術的飛速發(fā)展進一步促進了網絡技術在機器人控制領域的應用?；诰W絡的機器人控制技術也從初期的簡單的機器人遙控應用逐漸擴展到分布式機器人控制系統(tǒng)等研究領域。利用現(xiàn)有的Internet技術實現(xiàn)對于機器人的控制是一項具有挑戰(zhàn)性的工作，這一技術的應用將進一步豐富機器人遠程控制手段，具有良好的發(fā)展趨勢和廣闊的應用前景。1.3 機器人的發(fā)展方向機器人技術正在向微型化和超微型化方向發(fā)展,無數(shù)微型機器人將在廣闊的領域中工作。微型機器人又稱為“明天的機器人”，它同智能機器人一起成為科學

7、家們追求的目標 。發(fā)展微型和超微型機器人的指導思想非常簡單：某些工作若用一臺結構龐大、價格昂貴大型機器人去做，不如用成千上萬個非常低廉的細小而極簡單的機器人去完成。機器人技術正在向微型化和超微型化方向發(fā)展，無數(shù)機器人將在廣闊的領域中工作。超微型機器人是1種極度縮小了的機器人，它只有人的頭發(fā)絲那樣粗細，可以在人體血管中穿行，消除癌變或修復損傷的組織?，F(xiàn)在，微型機器人的作業(yè)能力已達到了分子、原子級水平。其已遠遠超過了藝術家在頭發(fā)絲上作畫的程度。微型機器人還可以用于精密制造業(yè)的加工，用它制造存儲量更大的計算機存儲芯片，以及精度更高的“超平面磨床”等。應用微型機器人技術，各種各樣的航天測量可變得更為輕

8、巧，磁帶錄音機之類的家用電器也會變得更加小巧和多用。電視屏幕可以做得既大又薄，屏幕上各點的光亮度，可由微型機器人控制的光閘自動控制。2語音控制滅火機器人的設計方案2.1語音控制滅火機器人的設計任務本設計的任務是設計一個語音控制滅火機器人，要求人通過語音指示對移動機器人進行控制，機器人能夠按照人的意圖實現(xiàn)前進，左轉，右轉，加速，減速，停止，滅火，后退”等語言控制的功能，到達目的地（火源-本設計主要是針對室內的蠟燭火源的滅火）并具有檢測現(xiàn)場溫度的功能和自我保護的功能（溫度過高自動后退幾步再滅火的功能），滅火不成功時閃光報警。2.2 語音控制機器人的基本設計方案在語音控制機器人的設計過程中，采用的基

9、本設計方案是：利用麥克風作為CPU的輸入信號部分使機器人執(zhí)行程序，采用循跡的方法驅動電機行動起來。根據(jù)設計要求，語音控制滅火機器人的設計主要由三部分組成：語音控制，信號處理部分，滅火部分。語音控制機器人是循跡機器人的改進和完善，使之更好的為人類服務。 圖2-1 語言控制滅火機器人的總體結構2.3 對語音控制滅火機器人方案的理想設計 在本文中，我們將語音控制機器人的設計過程主要分為兩個大的部分來分析。聲控部分和滅火部分。在聲控部分的設計中主要解決麥克風接收信息和讓單片機處理信息的過程，。而滅火部分則包括接收信息和讓單片機處理信息讓機器人開始具體動作的過程。2.3.1 語音控制部分的設計語音控制部

10、分是，機器人的基本設計過程。聲控性能的好壞直接關系到機器人能否“動”起來。而這一部分又可以分為單片機從麥克風那里接收信息傳給MCS-51單片機和MCS-51單片機處理信息后下達的指令和給步進電機下達開始工作指令的過程。2.3.2 滅火部分的設計滅火部分其實就是一個電風扇，電風扇的電源電路圖是不與單片機聯(lián)系的，但在本設計中就必須要單片機產生一個驅動信號，這里用三極管當電源驅動。RB4口接三極管基極，在適當時候令單片機的接口產生一個+5V的信號，驅動電風扇。2.3.3單片語音識別電路HL7003-02單片語音識別電路HL7003-02，電路結構簡單、外圍元器件少，設計、制作、調式及操作十分容易，適

11、合愛好者制作各種由語音控制的游戲機、家電控制、智能玩具、語音門鎖、門鐘等等方面。它是根據(jù)用戶自己的聲音輸入而識別的語音晶片識音辯識的單片IC,它能識別12個不同的字句,可控制不同的輸出開關,完成指定的功能。特點：（1）內置麥克風放大器（2）內置A/D轉換器（3）12個1.5秒長的字句識別 （4）多功能I/O口2個普通輸入腳,4個觸發(fā)輸入腳 2個輸出端口,包含一個4輸出口及一個輸出口 2個LED輸出驅動動（5）不同的編碼方式,可做成專用的線路 2.4V3.3V工作電壓 低功耗,自動斷電功能（6）極限參數(shù) 工作電壓(VDDGND)-5V 輸入電壓變化-(GND-0.3V)至(VDD+0.3V) 連

12、續(xù)工作溫度-0-+60電氣參數(shù)VDD=3V，GND=0V，Ta=+25，功能說明:此電路的操作分為兩大部分，首先必須將字句錄入，第二步操作才是識別模式，此外，操作中AP7003-01能夠判斷是否有信號輸入，這一切均按內部程序或是特定編碼選擇所決定。在你需做識別操作時，目標的字句必須已存入內部存12個存貯區(qū)，存貯12個不同字句的特征。每個存貯區(qū)可以存放長達1.5秒的字句。你可以用鍵盤來選擇存貯區(qū)或用適當?shù)拿羁刂?，將字句錄入?？捎猛獠康柠溈孙L或其它媒體輸入語音或字句內容，經過內部麥克風放大器準確放大之后，語音信號被內容的A/D轉換器數(shù)字化。內部聲效處理器將處理數(shù)字化后的語音及將字句里的特征進行抽

13、樣。當被識別的目標字句，錄入之后，你現(xiàn)在可以開識別操作，進入內部字句識別操作模式，輸入的語音被聲音處理器特征抽樣，同存貯在內部的目標字句的抽樣特征進行比較，必須是剛好同所選擇的識別的目標字匹配。結果才輸入信號至PA口或其它輸出端。在一定時間內，無操作時，會將電源關閉以節(jié)省損耗，后可用按鍵喚醒。表2-1 腳位參數(shù)Pin nameDescriptionGNDD數(shù)字地LED1低電平存放LED驅動腳，能設計成語音輸入指示，適合于標準應用LED2低電平存放LED驅動腳，在標準應用線路中，設計成語音輸入驗證結果的標志POB1POB4輸出口，作為鍵盤掃描用，標準應用PIT1PIT4低電平有效輸入口，內部有上

14、拉電阻，能設計成輸入口或鍵盤的輸入標準應用VDDD數(shù)字電源VDDCAPV去藕合電容，必須接電容在此引腳到地之間，用于內部的電壓基準器OSCI頻率振蕩器，控制腳，接一個56K電阻到地PIM1PIM2普通輸入腳，能設計成模式控制輸入，用于標準電路TEST測試引腳，用于生產測試POSL輸出模式選擇，用于輸出A口，若ProtA是高有效，則以POSL接高；若低電平有效則接地GNDA模擬地TREF語音輸入門檻電壓控制A2OUT輸出第二放大器AIIN第一(前級)放大器反相輸入A1OUT前級放大輸出MICP麥克風的正電源供給腳VDDA模擬電路正電源POA1POA12輸出口PORES高電平有效輸入，清除輸出口A

15、狀態(tài)圖2-2 單片語音識別電路HL7003-02操作方法：1、通電后，先按鍵，LED1和POA1(LED3)同時亮，此時立刻對著話筒發(fā)話(語音長度不超過1.5秒)，POA1滅，LED1亮，再對著話筒進行“學習”，LED2、POA1同時亮，表示“學習”成功。接著再按鍵，LED1、POA2同時亮，.。依此類推，直至112鍵全部學習完畢。也可以對某一鍵或某幾個鍵進行無序輸入。2、學習完畢，即可進行語音識別操作，12路輸出可分別控制不同的電器(或動作)，12路語音識別可任意操作，即喊一句便控制一種電器的開或關。第11鍵為輸出轉換鍵，每轉換控制一種電器都需按一下該鍵。3、若需清除“學習”內容，應按清除鍵

16、“C”，再次輸入時，須重新按照第1步方法進行“學習”。4、PIM1接“1”(高電平)，為12鍵模式，應用電路見圖2-2。PIM1接“0”(低電平)，為8鍵模式，應用電路見圖2。POSL接“0”，POA1POA12輸出為低電平，POSL接“1”，POA1POA12輸出為高電平。注意事項：1、標準電源電壓3V；2、駐極體話筒MIC的(+)、(-)極性一定要正確連接，否則無法輸入，MIC連外殼一端為(-)，另一端(+)。 圖2-3 語音識別電路3 語言控制滅火機器人的硬件構成3.1 單片機的應用領域及系統(tǒng)結構1單片機的概述現(xiàn)代的計算機都是向巨型化、微型化、網絡化及智能化發(fā)展。其中微型化是計算機發(fā)展的

17、重要方向，把計算機的運算器、控制器、儲存器、輸入/輸出接口四個組成部分集成在一個硅片內，于是就出現(xiàn)了一個大規(guī)模集成電路為主組成的微型計算機-單片機微型計算機，簡稱單片機，由于單片機的重要應用領域為智能化電子產品，一般需要嵌入儀器設備內，故又稱嵌入式微控制器。微處理器（芯片）本身不是計算機，但它是小型計算機或微型計算機的控制和處理部分。微機則是具有完整的運算及控制功能的計算機，它除了包括微處理器外，還包括存儲器、接口適配器（即輸入/輸出接口電路）以及輸入/輸出設備（I/O）等。其中，微處理器由控制器、運算器和若干個寄存器組成；I/O設備與微處理器的連接需要通過接口適配器（即I/O接口）；存儲器是

18、指微機內部的存儲器（RAM、ROM和EPROM等芯片）。在本文中選用的是常見的Inter公司推出的MCS-51系列的單片機8051。微處理器存儲器接口適配 器I/O接口數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線圖3-1 微機的各個組成部分2單片機應用特點面向控制方面：單片機主要應用于控制領域，其結構及功能均按自動控制要求設計，又稱微控器（MICROCONTROLLER UNIT，MCU）。利用微控制器進行控制的技術稱微控制技術。微控制技術通過對單片機編程的方法代替模擬電路或數(shù)字電路實現(xiàn)的大部分控制功能，是對傳統(tǒng)控制的一次革命。在線應用方面：在線應用就是一個單片機代替常規(guī)的模擬或數(shù)字控制電路，使其成為測控系統(tǒng)的一

19、部分，在被控對象工作過程中實行實時檢測，并實時控制。在線應用為實時測控提供了可能和方便。嵌入式應用方面：單片機在應用時通常裝入到各種智能化產品中，所以又稱嵌入式控制器。嵌入式使用使得單片機的應用十分靈活。另外，單片機還具有體積小、成本底、速度快、使用靈活等特點。3單片機的應用領域目前單片機的應用已經深入到國民經濟的各個領域，對各個行業(yè)的技術改造和更新?lián)Q代起著重要的推動作用。由單片機的特點決定了單片機的主要應用領域智能機器人，智能儀器儀表、機電一體化、實時控制、民用電子產品及國防工業(yè)等方面。智能機器人是一門綜合性的學科，它集工程力學，機械制造，電子技術，自動控制等為一體，而電子技術和自動控制技術

20、是他的智能核心，單片機在這里發(fā)揮它的巨大作用。單片機價格低廉，體積小，而又具有計算機的一般功能，能嵌入到任何應用對象系統(tǒng)中，實現(xiàn)以智能化為主要的控制目的。對機器人技術中，無論是過程控制技術、數(shù)據(jù)采集還是測控技術，都離不開單片機。隨著電子計算機技術和信息技術的飛速發(fā)展，單片機在智能機器人領域將會越來越發(fā)揮它的巨大作用。 4單片機產品根據(jù)應用范圍的不同，單片機分為通用型和專用型兩種。通用型單片機是供廣大用戶選擇使用的具有基本功能的芯片。它性能全面，適應性強，能滿足多種控制的需要。但使用時用戶必須進行二次開發(fā)：配備外圍電路，芯片，同時編寫程序。目前世界上通用單片機芯片的主要生產廠商有：INTEL公司

21、，MOTOROLA公司，PHILIPS公司，SIMENS公司，MICROCHIP等等。其中INTEL公司的單片機最具代表性，它的MCS-51系列應用最廣。專用型單片機是專門針對某種特定產品而設計制造的特殊用途的單片機，不再需要二次設計，也不用進行功能開發(fā)。例如來電顯示電話、全自動洗衣機、各種IC卡讀寫器上的單片機都是專用型單片機。3.2 MCS-51單片機在語言控制滅火機器人的整個設計過程中，起核心作用的就是單片機，它包括對信息的采集和處理，以及對各個部件的控制，單片機的工作時鐘是依靠晶振和單片機內部的振蕩放火器產生的。3.2.1 單片機的內部資源在本文中選用的是Inter公司推出的MCS-5

22、1系列的單片機8051，其內部資源主要有：8位CPU；4KB字節(jié)掩膜ROM程序存儲器；128字節(jié)內部RAM數(shù)據(jù)存儲器；2個16為的定時器/計數(shù)器；1個全雙工的異步串行口；5個中斷源兩級中斷優(yōu)先級的中斷控制器時鐘電路，外接晶振和電容可產生1.2MHz12MHz的時鐘頻率。 3.2.2 單片機的引腳單片機的引腳如圖3-2所示。它包括三大部分的引腳：電源及時鐘引腳，控制引腳，輸入/輸出引腳，總共是40個引腳。其中P0、P1、P2、P3四個I/O口，通過這四個口使單片機與外部交換信息，達到采集、處理、控制等各項工作。圖3-2 單片機的引腳圖 1電源及時鐘引腳Vcc(40腳)：接+5電源。Vss(20腳

23、)：接地。時鐘引腳（18、19腳）：外接晶體與片內的反相放大器構成一個震蕩器，它提供單片機的時鐘控制信號。時鐘引腳也可以外接晶體震蕩器。2控制引腳RST/VPD（9腳）：當震蕩器運行時，在此引腳加上兩個機器時鐘周期的高電平將使單片機復位（RST）。復位后應使此引腳電平為0.5V的低電平，以保證單片機的正常工作。ALE/（30腳）：當單片機訪問外部存儲器時，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖的下降沿用于鎖存16位地址的低8位。即使不訪問外部存儲器，ALE端仍有周期性正脈沖輸出，起頻率為振蕩器頻率的1/6。但是，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，在兩個機器周期中ALE只出現(xiàn)一次，即丟失一個ALE脈沖。ALE端

24、可以驅動8個TTL負載。對于片內具有EPROM型的單片機8751，在EPROM編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。（29腳）：此輸出為單片機內訪問外部程序存儲器的讀選通信號。在從外部存儲器取指令（或常數(shù)）期間，每個機器周期PSEN兩次有效。但在此期間，每當訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的PSEN信號將不出現(xiàn)。PSEN同樣可以驅動8個TTL負載。/Vpp（31腳）：當EA保持高電平時，單片機訪問的是內部程序寄存器（對8051、8751來說），但當PC（程序記數(shù)器）值超過某值（如8751內部含有4KB EPROM。值為0FFFH）時，將自動轉向執(zhí)行外部程序存儲器內的程序。當EA為低電平時，則不管是

25、否有內部程序寄存器而只訪問外部程序寄存器。對8031來說，因其無內部程序存儲器，所以該引腳必須接地，即此時只能訪問外部程序存儲器。對于片內有EPROM型單片機，在EPROM編程期間，此引腳用于施加編程電壓Vpp。3輸入/輸出引腳P0口（P0.0P0.7）：為雙向8位的三態(tài)I/O口，當作為I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是地址總線低8位及數(shù)據(jù)總線分時復用口，可驅動8個TTL負載。以便作為擴展時地址/數(shù)據(jù)總線口使用。P1口（P1.0P1.7）：為8位準雙向I/O口，它的每一位都可以分別定義為輸入線或輸出線（作為輸入時，口鎖存器必須置1），可驅動4個TTL負載。P2口（P2.0P2.7）

26、：為8位準雙向I/O口，當作I/O口使用時，可直接連接外部I/O設備。它是與地址總線高8位復用，可驅動4個TTL負載，一般作為擴展時地址總線高8位使用。P3口（P3.0P3.7）：為8位準雙向I/O口，是雙功能復用口，可驅動4個TTL負載。3.2.3 單片機的幾個必要電路1時鐘電路：時鐘電路是單片機的心臟，它控制著計算機的工作節(jié)奏。單片機的時鐘產生方法有兩種，內部時鐘方式和外部時鐘方式，在這里我們采用的是內部時鐘方式。MCS-51最常用的內部時鐘電路是采用外接晶體（陶瓷震蕩器的頻率定性不高）和電容組成的并聯(lián)諧振回路，MCS-51單片機允許的震蕩晶體可在1.2MHz24MHz之間選擇，一般取11

27、.0592MHZ。兩個的電容的選擇對震蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及震蕩電路的起振速度有少許影響，其取值可在20pF100pF之間選擇，一般當外接晶體時典型值為30pF，外接陶瓷諧振器時典型取值為47pF。2復位電路：計算機在啟動運行時都需要復位，是中央處理器CPU和系統(tǒng)中的其他部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。單片機的復位都是靠外部電路來實現(xiàn)的，MCS-51有一個復位引腳RST，高電平有效，要使單片機復位，只要讓RST保持兩個機器周期的高電平，MCS-51便保持復位，RST變成低電平后，退出復位狀態(tài)。在單片機的實際應用系統(tǒng)中，除單片機本身需要復位以外，外部擴展的I/O接口電路等

28、也需要復位。因此需要一個系統(tǒng)的同步復位信號，即單片機復位后，CPU開始工作時，外部電路一定要復位好，以保證CPU有效的對外部電路進行初始化編程。RST是高電平有效，而I/O接口電路的復位端一般為TTL電平輸入，通常也是高電平有效，但這兩種復位輸入的復位有效的電平不完全相同，如果CPU和I/O的復位不同步，則系統(tǒng)不能正常工作。本設計中采用的是系統(tǒng)復位，如圖，將復位電路產生的復位信號經斯密特電路整形后作為系統(tǒng)的復位信號，加到MCS-51單片機和外部I/O接口電路的復位端。 圖 3-3 復位電路3晶振電路：其電路圖如圖3-4所示: 圖3-4 晶振電路3.2.4 溫度采集電路設計本設計采用專門的溫度傳

29、感器DALLAS公司的DS18B20，此芯片為TO92封裝，體積小，而且是1WIRE通信，只需一個I/O口即能實現(xiàn)控制，在一定程度上可以節(jié)約I/O口資源。DALLAS公司的數(shù)字化溫度傳感器DS18B20支持單總線接口，具有單總線獨特而經濟的特點，使用戶可以輕松的組建傳感器網絡，為測量系統(tǒng)的創(chuàng)建引入全新的概念。DS18B20體積小，使用靈活，可以充分發(fā)揮單總線的優(yōu)勢。其測溫范圍為-55+125，在-10+85范圍內，精度為±0.5。支持3V3.5V的寬電壓，使系統(tǒng)設計更靈活，更方便。DS18B20可通過程序設置912位的分辨率。采用TO92封裝，體積只有普通三極管那么大，并可以支持用戶

30、設定報警溫度，設置值保存于芯片自帶的EEPROM中，掉電后依然保存。并且外圍元件只需要一個4.7K上拉電阻。圖3-5 溫度傳感器和單片機的接口電路圖在本設計中用的是數(shù)字化溫度傳感器DS18B20，用溫度傳感器來判斷現(xiàn)場的溫度情況，從而驅動報警電路。3.3麥克風我們通常所說的聲音是指人的耳朵能感覺到的聲波，但是從物理意義上來講，聲是指在任何彈性介質中傳播的擾動，是一種機械波，而在本文中是用聲音作為一種控制信號，也就是說人耳所能聽到的聲音。聲音產生后，通過一種介質傳播到耳朵接收，然后進入內耳，在內耳的皮層產生了一個響應，變成電信號到大腦進行處理。而接收的也不一定是耳朵，在我們的設計中通常用到的是話

31、筒，聲學上稱為傳聲器，也叫麥克風。麥克風在設計中的作用是將聲音引起空氣的波動后產生的動能轉化為電能輸送到“大腦”（CPU）做出相應的處理。3.3.1麥克風的工作原理麥克風主要可以分為動圈式，電容式和駐極體式。動圈式和電容式是目前最成熟的拾音技術，考慮到設計要求和性價比，在本次設計中要用到的是動圈式麥克風。動圈式麥克風的工作原理類似發(fā)電機，傳聲器的膜片與金屬線纏成的彈簧一般的線圈被固定在一起放置在磁鐵構成的磁場中，當外界的聲波作用與膜片時便會帶動膜片以及連接于其上的金屬線圈一起震動，于是便會產生相應的變化電流，聲音轉化成電信號。3.4步進電機圖3-6步進電機的結構圖步進電機是將電脈沖信號轉變?yōu)榻?/p>

32、位移或線位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉過一個步距角。這一線性關系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領域用步進電機來控制變的非常的簡單。雖然步進電機已被廣泛地應用，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。因此用好步進電機卻非易事，它涉及到機械、電機、電子及計算機等許多專業(yè)知識。3.4.1 步進電機的基本原理1反映式步進電機原理(1)結構:電機轉子均勻分布著很多小齒

33、，定子齒有三個勵磁繞阻，其幾何軸線依次分別與轉子齒軸線錯開。0、1/3、2/3,（相鄰兩轉子齒軸線間的距離為齒距以表示），即A與齒1相對齊，B與齒2向右錯開1/3，C與齒3向右錯開2/3，A'與齒5相對齊，（A'就是A，齒5就是齒1）下面是定轉子的展開圖3-7。(2)旋轉:如A相通電，B，C相不通電時，由于磁場作用，齒1與A對齊，（轉子不受任何力以下均同）。如B相通電，A，C相不通電時，齒2應與B對齊，此時轉子向右移過1/3，此時齒3與C偏移為1/3，齒4與A偏移（-1/3）=2/3。如C相通電，A，B相不通電，齒3應與C對齊，此時轉子又向右移過1/3，此時齒4與A偏移為1/3

34、對齊。如A相通電，B，C相不通電，齒4與A對齊，轉子又向右移過1/3 這樣經過A、B、C、A分別通電狀態(tài)，齒4（即齒1前圖3-7 定轉子的展開圖一齒）移到A相，電機轉子向右轉過一個齒距，如果不斷地按A，B，C，A通電，電機就每步（每脈沖）1/3,向右旋轉。如按A，C，B，A通電，電機就反轉。由此可見：電機的位置和速度由導電次數(shù)（脈沖數(shù)）和頻率成一一對應關系。而方向由導電順序決定。不過，出于對力矩、平穩(wěn)、噪音及減少角度等方面考慮。往往采用A-AB-B-BCC-CA-A這種導電狀態(tài)，這樣將原來每步1/3改變?yōu)?/6。甚至于通過二相電流不同的組合，使其1/3變?yōu)?/12，1/24，這就是電機細分驅動

35、的基本理論依據(jù)。不難推出：電機定子上有m相勵磁繞阻，其軸線分別與轉子齒軸線偏移1/m,2/m(m-1)/m,1。并且導電按一定的相序電機就能正反轉被控制這是步進電機旋轉的物理條件。只要符合這一條件我們理論上可以制造任何相的步進電機，出于成本等多方面考慮，市場上一般以二、三、四、五相為多。(3)力矩:電機一旦通電，在定轉子間將產生磁場（磁通量）當轉子與定子錯開一定角度產生力F與（d/d）成正比。圖3-8轉子與定子的關系其磁通量=Br*S：Br為磁密；S為導磁面積。F與L*D*Br成正比：L為鐵芯有效長度，D為轉子直徑。Br=N·I/RN：I為勵磁繞阻安匝數(shù)（電流乘匝數(shù)）；R為磁阻。力矩

36、=力*半徑力矩與電機有效體積*安匝數(shù)*磁密成正比（只考慮線性狀態(tài)）。因此，電機有效體積越大，勵磁安匝數(shù)越大，定轉子間氣隙越小，電機力矩越大，反之亦然。2感應子式步進電機(1)特點:感應子式步進電機與傳統(tǒng)的反應式步進電機相比，結構上轉子加有永磁體，以提供軟磁材料的工作點，而定子激磁只需提供變化的磁場而不必提供磁材料工作點的耗能，因此該電機效率高，電流小，發(fā)熱低。因永磁體的存在，該電機具有較強的反電勢，其自身阻尼作用比較好，使其在運轉過程中比較平穩(wěn)、噪音低、低頻振動小。 感應子式步進電機某種程度上可以看作是低速同步電機。一個四相電機可以作四相運行，也可以作二相運行，而反應式電機則不能如此。例如：四

37、相，八相運行（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A）完全可以采用二相八拍運行方式. 一個二相電機的內部繞組與四相電機完全一致，小功率電機一般直接接為二相，而功率大一點的電機，為了方便使用，靈活改變電機的動態(tài)特點，往往將其外部接線為八根引線（四相），這樣使用時，既可以作四相電機使用，可以作二相電機繞組串聯(lián)或并聯(lián)使用。 (2)分類:感應子式步進電機以相數(shù)可分為，二相電機、三相電機、四相電機、五相電機等。以機座號（電機外徑）可分為：42BYG(BYG為感應子式步進電機代號）、57BYG、86BYG、110BYG、（國際標準），而像70BYG、90BYG、130BYG等均為國內標準。3步進電機的

38、靜態(tài)指標術語相數(shù)產生不同對極N、S磁場的激磁線圈對數(shù)。常用m表示。拍數(shù)：完成一個磁場周期性變化所需脈沖數(shù)或導電狀態(tài)用n表示，或指電機轉過一個齒距角所需脈沖數(shù)，以四相電機為例，有四相四拍運行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍運行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A.步距角：對應一個脈沖信號，電機轉子轉過的角位移用表示。=360度（轉子齒數(shù)J*運行拍數(shù)），以常規(guī)二、四相，轉子齒為50齒電機為例。四拍運行時步距角為=360度/（50*4）=1.8度（俗稱整步），八拍運行時步距角為=360度/（50*8）=0.9度（俗稱半步）。定位轉矩：電機在不通電狀態(tài)下，電機轉子自身的鎖定力

39、矩（由磁場齒形的諧波以及機械誤差造成的）靜轉矩：電機在額定靜態(tài)電作用下，電機不作旋轉運動時，電機轉軸的鎖定力矩。此力矩是衡量電機體積（幾何尺寸）的標準，與驅動電壓及驅動電源等無關。 雖然靜轉矩與電磁激磁安匝數(shù)成正比，與定齒轉子間的氣隙有關，但過份采用減小氣隙，增加激磁安匝來提高靜力矩是不可取的，這樣會造成電機的發(fā)熱及機械噪音。 4步進電機動態(tài)指標及術語 (1)步距角精度：步進電機每轉過一個步距角的實際值與理論值的誤差。用百分比表示：誤差/步距角*100%。不同運行拍數(shù)其值不同，四拍運行時應在5%之內，八拍運行時應在15%以內。(2)失步：電機運轉時運轉的步數(shù)，不等于理論上的步數(shù)。稱之為失步。

40、(3)失調角：轉子齒軸線偏移定子齒軸線的角度，電機運轉必存在失調角，由失調角產生的誤差，采用細分驅動是不能解決的。 (4)最大空載起動頻率：電機在某種驅動形式、電壓及額定電流下，在不加負載的情況下，能夠直接起動的最大頻率。 (5)最大空載的運行頻率： 電機在某種驅動形式，電壓及額定電流下，電機不帶負載的最高轉速頻率。 (6)運行距頻特性：電機在某種測試條件下測得運行中輸出力矩與頻率關系的曲線稱為運行矩頻特性，這是電機諸多動態(tài)曲線中最重要的，也是電機選擇的根本依據(jù)。如圖3-9所示：圖3-9 距頻特性其它特性還有慣頻特性、起動頻率特性等。電機一旦選定，電機的靜力矩確定，而動態(tài)力矩卻不然，電機的動態(tài)

41、力矩取決于電機運行時的平均電流（而非靜態(tài)電流的平均電流越大，電機輸出力矩越大，即電機的頻率特性越硬。如圖3-10所示：圖3-10電機的頻率特性其中，曲線3電流最大、或電壓最高;曲線1電流最小、或電壓最低，曲線與負載的交點為負載的最大速度點。要使平均電流大，盡可能提高驅動電壓，使采用小電感大電流的電機。(7)電機的共振點：步進電機均有固定的共振區(qū)域，二、四相感應子式步進電機的共振區(qū)一般在180-250pps之間（步距角1.8度）或在400pps左右（步距角為0.9度），電機驅動電壓越高，電機電流越大，負載越輕，電機體積越小，則共振區(qū)向上偏移，反之亦然，為使電機輸出電矩大，不失步和整個系統(tǒng)的噪音降

42、低，一般工作點均應偏移共振區(qū)較多。(8)電機正反轉控制：當電機繞組通電時序為AB-BC-CD-DA時為正轉，通電時序為DA-CA-BC-AB時為反轉。5驅動控制系統(tǒng)組成及使用控制步進電機必須由環(huán)形脈沖，功率放大等組成的控制系統(tǒng)，其方框圖如圖3-11：圖3-11驅動控制系統(tǒng)(1)脈沖信號的產生。脈沖信號一般由單片機或CPU產生，一般脈沖信號的占空比為0.3-0.4左右，電機轉速越高，占空比越大。(2)信號分配器（又名脈沖分配器）。感應子式步進電機以二、四相電機為主，二相電機工作方式有二相四拍和二相八拍二種，具體分配如下：二相四拍為 ,步距角為1.8度；二相八拍為 ,步距角為0.9度。四相電機工作

43、方式也有二種，四相四拍為AB-BC-CD-DA-AB,步距角為1.8度；四相八拍為AB-B-BC-C-CD-D-AB,(步距角為0.9度)。(3)功率放大（又名脈沖分配器）功率放大是驅動系統(tǒng)最為重要的部分。步進電機在一定轉速下的轉矩取決于它的動態(tài)平均電流而非靜態(tài)電流（樣本上的電流均為靜態(tài)電流）。平均電流越大電機力矩越大，要達到平均電流大這就需要驅動系統(tǒng)盡量克服電機的反電勢。因而不同的場合采取不同的的驅動方式，到目前為止，驅動方式一般有以下幾種：恒壓、恒壓串電阻、高低壓驅動、恒流、細分數(shù)等。為盡量提高電機的動態(tài)性能，將信號分配、功率放大組成步進電機的驅動電源。步進電機一經定型，其性能取決于電機的

44、驅動電源。步進電機轉速越高，力距越大則要求電機的電流越大，驅動電源的電壓越高。電壓對力矩影響如圖3-12：圖3-12 電壓和力矩的關系(4)細分驅動器。在步進電機步距角不能滿足使用的條件下，可采用細分驅動器來驅動步進電機，細分驅動器的原理是通過改變相鄰（A，B）電流的大小，以改變合成磁場的夾角來控制步進電機運轉的，具體圖形如圖3-13：圖3-13 細分驅動控制圖3.4.2 步進電機的類型1.單極性步進電機這種步進電機之所以稱為單極性是因為每個繞組中電流僅沿一個方向流動。它也被稱為兩線步進電機，因為它只含有兩個線圈。兩個線圈的極性相反，卷繞在同一鐵芯上，具有同一個中間抽頭。單極性步進電機還被稱為

45、4相步進電機，因為它有4個激勵繞組。單極性步進電機的引線有5或6根。如果步進電機的引線是5根，那么其中一根是公共線(連接到V+)，其他4根分別連到電機的4相。如果步進電機的引線是6根，那么它是多段式單極性步進電機有兩個繞組，每個繞組分別有一個中間抽頭引線。但是如何分辨這些引線呢?請繼續(xù)讀下述內容。(1)分辨5線單極性步進電機接頭為了找出5線單極性步進電機各條引線的正確配置，事先需要做一番實際上很簡單的考察。為了找出正確的引線順序并使電機轉動，需要一塊電池和一段膠帶(當然也需要一個5引線步進電機)。備好記號筆來標注引線以便分辨它們。按以下步驟操作：用數(shù)字萬用表找到公共線。其他引線與公共線之間的電

46、阻測量值都相同。此線連接到電池的V+。5V或6V就足夠測試用了。膠帶粘貼到步進電機的輸出鈾上，并使它垂直于軸端并伸出成為一個標志。此標志的作用在于判斷電機是否轉動。任意挑出一條引線稱之為相1。若將此線接地，則電機輸出軸將做輕微的轉動?，F(xiàn)在步進電機被鎖定在相1的位置上。取另一根引線并將其接地，仔細觀察輸出軸上的膠帶。如果輸出軸向右輕微地旋轉，那么此根引線是相2。取另一根線并將其接地，仔細觀察輸出軸上的膠帶。如果輸出軸向左輕微地旋轉，那么此根引線是相4。再取另一根線并將其接地，仔細觀察輸出軸上膠帶的運動狀態(tài)。如果輸出軸不旋轉，那么此根引線就是相3。(2)分辨6線單極性步進電機接頭回收打印機、舊電機

47、時最常遇到這種類型的單極性步進電機。6線單極性步進電機通?？雌饋硐袷莾蓚€單段式電機疊放在一起，每個單段有3根線引出.這種步進電機的引線非常容易分辨。分辨6線步進電機引線順序的工作相當簡單。如果它的結構形式是多段式步進電機，那么引線的順序實際上已經給出了，用數(shù)字萬用表可以找出每對繞組的公共線。只要保持繞組對的兩根引線對應一致，它們的順序無關緊要，僅會影響電機的旋轉方向而已。如果不是多段式的6線步進電機，可以按以下步驟確定繞組對的引線：使用數(shù)字萬用表找出每對繞組的公共端。照上述方法能找出兩個繞組對，分隔它們并加以標記。請將其中一個繞組對標記為A和C(也可以是1和3)，另一個標記為B和D(也可以是2

48、和4)。在每一對繞組中，哪條引線是何順序并不重要，只要成對就足夠了。2極性步進電機的步進方式單極性步進電機可以來用三種步進方式：單拍、雙拍、半拍方式。單拍步進方式是指每次僅給一個繞組通電，結果導致轉子旋轉，并運動到轉子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。雙拍步進方式是同時給兩個繞組通電，這樣就導致轉子旋轉，并在永磁體到達兩個通電繞組的中間位置點時平衡。雙拍步進方式的優(yōu)點是比單拍步進方式多獲得41.4的輸出力矩，不過代價是需要花費后者兩倍的能量，因為它有兩相繞組同時通電。最后，半拍方式工作時則讓兩個繞組通電與單個繞組通電方式交替地進行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設計不同，在1530之間

49、變化，不過它可以獲得雙拍方式兩倍的步進分辨率(每周兩倍的步數(shù))。要使步進電機反轉，只需將通電過程反向即可。3雙極性步進電機雙極性步進電機之所以如此命名，是因為每個繞組都可以兩個方向通電。因此每個繞組都既可以是N極又可以是S極。它又被稱為單繞組步進電機，因為每極只有單一的繞組，它還被稱為兩相步進電機，因為具有兩個分離的線圈。雙極性步進電機有四根引線，每個繞組兩條。與同樣尺寸和重量的單極性步進電極相比，雙極性步進電機具有更大的驅動能力，原因在于其磁極(不是中間抽頭的單一線圈)中的場強是單極性步進電機的兩倍。雙極性步進電機的每個繞組需要一個可逆電源，通常由H橋驅動電路提供。由于雙極性步進電機比單極性

50、步進電機的輸出力矩大，因此總是應用于空間有限的設計中。這也是軟盤驅動器的磁頭步進機械系統(tǒng)的驅動之所以總是采用雙極性步進電機的原因?？梢韵喈敽唵蔚厥褂脭?shù)字萬用表來查找兩個繞組。如果在某兩根引線之間能夠測量到阻值，那么這兩根引線之間就屬于一個繞組，其他兩根線之間是另外一個繞組。雙極性步進電機的步距通常是1.8°，也就是每周200步。4雙極性步進電機的步進方式雙極性步進電機具有和單極性步進電機相同的步進方式，僅僅由于繞組配置的不同，在實現(xiàn)上存在一些差別。5步進驅動方式的相似之處如果我們在實踐時很細心，就會注意到單極性步進電機和雙極性步進電機在步進驅動方式上是極其相似的。以前面介紹的單極性步

51、進電機的步進方式為例，交換列B和列C的位置，將所有的“通”替換為“+”，然后在與狀態(tài)為“+”的引線同一繞組的另一列中補上“-”，就將看到和上面雙極性步進電機同樣的步進方式，只是電機的轉向相反。這說明控制單極性步進電機的任何邏輯也可以用來驅動雙極性步進電機。但只是邏輯，而非驅動電路。雙極性步進電機的繞組需要H橋電路，而單極性步進電機僅僅需要一個簡單的晶體管開關。做到在控制單極性步進電機和雙極性步進電機之間切換，惟一需要的變化是交換B和C的邏輯輸出。3.4.3步進電機的主要性能指標要步進電機平穩(wěn)的轉動，其步距角最大不能超過3.6°，否則從視覺效果上都可以觀察到沖擊。而原則上步角大可到30

52、°，小可到0.9°。步進電機的主要特性指標是啟動轉矩、保持轉矩和加速轉矩。啟動轉矩是指步進電機從一個齒位轉到下一個齒位時所具有的轉矩，保持轉矩是指步進電機在靜止狀態(tài)或者處于某工作狀況點時維持在該平衡位置的能力。加速轉矩通常具有最大值，并取決于驅動脈沖的頻率。此外，驅動電壓和繞組電阻的大小也對其施加影響。如表3-1所示。表 3-1步進電機的性能指標參數(shù)參數(shù)定義電壓額定電壓（步進電機設計的正常工作電壓）繞組阻抗單相繞組的直流阻抗電流繞組最大安全電流步數(shù)7.5°=48步，1.8°=200步動態(tài)力矩步進電機轉動輸出的最大力矩要確定步進電機在額定速度上的功率，唯一

53、的辦法是通過制造商給出的轉矩-轉速曲線或者圖表，如圖3-14,知該圖沒有給出轉速的值r/min，而是給出驅動脈沖的頻率PPS（脈沖/秒），這就需要首先將其變換成為轉速在進行計算，變換的公式如下：圖3-14 步進電機的轉矩與頻率特性曲線r/min=脈沖/秒*1轉數(shù)/步*60秒/1分 (3-1)rad/s=轉數(shù)/分*2弧度/轉數(shù)*1分/60秒 (3-2)然后再根據(jù)公式P=T，T的單位是N·m，而角速度的單位應該是rad/s。從而得出的功率P的單位應該是W。3.4.4 步進電機的特性步進電機有以下特性：1. 步進電機需加驅動電路，其驅動信號輸入端為脈沖信號，若加入適當?shù)拿}沖信號，步進電機的

54、轉子就以一定的角度（稱為步角）轉動；2. 步進電機的步進角一般為1.8°，即200步完成一圈；3. 步進電機具有瞬間啟動與急速停止的特性；4. 改變勵磁順序，可以改變步進電機的旋轉方向。3.4.5步進電機與單片機的接口這里用的電機是單極性步進電機，單極性步進電機可以采用三種步進方式：單拍，雙拍和半拍方式。單拍是指每次僅給一個繞組通電，結果導致轉子旋轉，并運動到轉子永磁體與具有相反極性的繞組對齊的位置。雙拍方式同時給兩個繞組通電，這樣就導致轉子旋轉，并在永磁體到達兩個通電繞組的中間位置點時平衡。雙拍方式的優(yōu)點是比單拍方式多獲得41.4%的輸出力矩，不過代價是要花費后者兩倍的能量。半拍方式工作時則讓兩個繞組通電與單個繞組通電方式交替的進行。半拍方式的輸出力矩比雙拍方式小，隨設計不同，它可以獲得雙拍方式兩倍的步進分辨率（每周兩倍的步數(shù)），如表3-2所示：表 3-2 步進電機的通電方式單拍勵磁雙拍勵磁半拍勵磁StepAB/A/BAB/A/BAB/A/B11000110010002010001101100300100011010040001100101105100011000010601000110001170010001100018000110011001P2.0P2.3、P2.4P2.7 通過步進電機驅動芯片ULN2803分別接到步進電機一和步進電機二的四個線圈中去