語音機器人畢業(yè)論文

1、摘 要自從工業(yè)機器人投入應用以來，它已經(jīng)在社會生產(chǎn)制造等許多領域中發(fā)揮了巨大的作用。隨著電子技術的不斷發(fā)展，自動化已經(jīng)不再是一個新鮮的話題。目前，各種娛樂、示教、服務類型的機器人正在走進我們的日常生活，它們也將為我們的生活帶來很多的方便和樂趣。語音一直是我們日常生活最慣常自然的信息交流方式，實現(xiàn)人機間語音通信就顯得必不可少，進行語音控制的研究工作具有很強的現(xiàn)在意義和應用前景。本文以凌陽16位單片機SPCE061A為控制核心，根據(jù)語音識別技術，以輪式玩具機器人為控制對象，設計了一個語音控制機器人系統(tǒng)。首先，論述了目前語音識別技術的發(fā)展現(xiàn)狀，語音識別技術在機器人控制中的應用前景；然后，進行了系統(tǒng)總

2、體方案設計，進行了各功能模塊的選型。在此基礎上進行了系統(tǒng)的硬件設計和軟件設計。最后，進行了語音識別測試，實現(xiàn)了對機器人前進、后退、左轉、右轉等動作的語音控制。本文設計的語音控制技術，也可以應用到控制空調、電視、燈光、自動窗簾等。關鍵詞：機器人，語音控制，語音識別，SPCE061A單片機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 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc327785156 第一章 緒 論 PAGEREF _Toc327785156 h 1 HYPERLINK l _Toc327785157 1.1 論文選題背景及研究意義 PAGEREF _Toc327785157 h 1 HYPERLINK l _Toc327785158 1.2 國內外研究現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327785158 h 2 HYPERLINK l _Toc327785159 1.3 論文研究的主要內容 PA

8、GEREF _Toc327785159 h 3 HYPERLINK l _Toc327785160 第二章 系統(tǒng)總體方案設計 PAGEREF _Toc327785160 h 5 HYPERLINK l _Toc327785161 2.1 控制器的選擇 PAGEREF _Toc327785161 h 5 HYPERLINK l _Toc327785162 2.2 語音識別原理 PAGEREF _Toc327785162 h 8 HYPERLINK l _Toc327785163 2.3 機器人對象的選擇 PAGEREF _Toc327785163 h 10 HYPERLINK l _Toc327

9、785164 2.4 機器人電機調速及驅動方案設計 PAGEREF _Toc327785164 h 10 HYPERLINK l _Toc327785165 2.5 系統(tǒng)總體方案 PAGEREF _Toc327785165 h 12 HYPERLINK l _Toc327785166 第三章 系統(tǒng)硬件電路設計 PAGEREF _Toc327785166 h 13 HYPERLINK l _Toc327785167 3.1 控制單元電路設計 PAGEREF _Toc327785167 h 13 HYPERLINK l _Toc327785168 3.1.1 凌陽單片機簡介 PAGEREF _To

10、c327785168 h 13 HYPERLINK l _Toc327785169 3.1.2 時鐘電路的設計 PAGEREF _Toc327785169 h 16 HYPERLINK l _Toc327785170 3.1.3 復位電路的設計 PAGEREF _Toc327785170 h 16 HYPERLINK l _Toc327785171 3.1.4 SPCE061SA最小系統(tǒng) PAGEREF _Toc327785171 h 17 HYPERLINK l _Toc327785172 3.1.5 61開發(fā)板簡介 PAGEREF _Toc327785172 h 17 HYPERLINK

11、l _Toc327785173 3.2 機器人電機控制電路設計 PAGEREF _Toc327785173 h 18 HYPERLINK l _Toc327785174 3.3 語音信號采集電路 PAGEREF _Toc327785174 h 18 HYPERLINK l _Toc327785175 3.4 系統(tǒng)供電電源電路 PAGEREF _Toc327785175 h 20 HYPERLINK l _Toc327785176 第四章 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc327785176 h 21 HYPERLINK l _Toc327785177 4.1 系統(tǒng)工作過程 PAGEREF

12、_Toc327785177 h 21 HYPERLINK l _Toc327785178 4.1.1 系統(tǒng)工作過程 PAGEREF _Toc327785178 h 21 HYPERLINK l _Toc327785179 4.1.2 系統(tǒng)程序設計方案選擇 PAGEREF _Toc327785179 h 21 HYPERLINK l _Toc327785180 4.1.3 編程語言的選擇 PAGEREF _Toc327785180 h 23 HYPERLINK l _Toc327785181 4.2 主程序設計 PAGEREF _Toc327785181 h 24 HYPERLINK l _To

13、c327785182 4.3 中斷服務子程序設計 PAGEREF _Toc327785182 h 26 HYPERLINK l _Toc327785183 4.4 語音訓練程序設計 PAGEREF _Toc327785183 h 26 HYPERLINK l _Toc327785184 4.5 語音識別程序設計 PAGEREF _Toc327785184 h 27 HYPERLINK l _Toc327785185 第五章 全文總結 PAGEREF _Toc327785185 h 28 HYPERLINK l _Toc327785186 致 謝 PAGEREF _Toc327785186 h

14、29 HYPERLINK l _Toc327785187 參考文獻 PAGEREF _Toc327785187 h 30 HYPERLINK l _Toc327785188 附錄1 部分程序清單 PAGEREF _Toc327785188 h 32 HYPERLINK l _Toc327785189 附錄2 系統(tǒng)總體電路圖 PAGEREF _Toc327785189 h 41第一章 緒 論1.1 論文選題背景及研究意義機器人(Robot)是自動執(zhí)行工作的機器裝置，它可以執(zhí)行植入的編排好的程序，也可以接受我們發(fā)給它的命令，也可以利用人工智能技術給它制定原則綱領行動。在某些領域機器人能取代或協(xié)助人

15、類更好地工作，目前制造業(yè)、建筑業(yè)，深?；鹕教诫U中都可以見到機器人的身影。著名機器人專家恩格爾伯格于1958年成立了一家命名為Unimation的機器人公司，并在1959年推出了世界上最早的一臺工業(yè)機器人。工業(yè)機器人在工業(yè)生產(chǎn)上獲得了很大的成功，工業(yè)機器人的需求同漸增長。然而1983年，恩格爾伯格卻將Unimation公司賣給了西屋公司，和他的同事創(chuàng)建了TRC公司，它是一家研制服務機器人的公司。 語言是人類交流的最自然、最方便的手段，隱刺也必然成為人與計算機之間交流最自然、最方便的手段之一。隨著語音技術的法杖和成熟，利用語音識別技術進行各種設備的控制已成為當今識別技術的研究前沿課題 和發(fā)展方向之

16、一。語音技術近幾年來的飛速發(fā)展，無論是語音識別的識別效果、識別方式的多樣化、抗噪聲性及功能價格比等方面均有了質的變化，已經(jīng)達到了全面應用的階段；貼別是陸續(xù)推出的低價位、高識別性能、具有SD/SI/SV/SA等豐富語音識別內容的語音識別處理器，解開了語音識別技術在電子產(chǎn)品及應用的新局面。隨著人工智能、計算機軟硬件技術的發(fā)展，我們要求機器人具有一定的智能，智能機器人成為這一領域研究的熱點，在未來戰(zhàn)士等電影中所描述的機器人可以和我們人類進行自由交談，還具有思考、學習能力。其實，要想機器人真正地走進人們的日常生活，為我們的生活帶來更多方便和樂趣，一個高性能的語音識別系統(tǒng)就顯得必不可少。語言也是我們所使

17、用的最慣常、高效、方便快捷的信息交流方式。機器人語音識別技術就是機器人對人所發(fā)出的語音指令、語句進行識別理解，來執(zhí)行人所發(fā)出的命令，或分析理解說話的內容，給出正確的回答。廣義的語音識別技術具體包括：語音識別(識別說話內容)、語種識別(識別說話語言種類)、說話人識別(識別說話人的身份)、語音評分(評價發(fā)音的標準程度)。語音識別技術涉及到語言學、工程、心理學和計算機技術等領域的專業(yè)知識，它是多學科交叉的邊緣學科。實現(xiàn)人機之間暢通無阻的語音交流是人類一直不懈追求的夢想，語音識別技術是實現(xiàn)這一夢想的關鍵性技術。而隨著人們對生活質量的不斷要求，智能語音控制的機器人將會不斷充斥人們的生活，使人們生活更加便

18、利多彩。1.2 國內外研究現(xiàn)狀語音識別起源于20世紀50年代的Audry系統(tǒng)，這是語音識別研究工作的開端。1959年，J.W.Rorgie和C.D.Forgie采用數(shù)字計算機識別英文原音及孤立子，開始了計算機語音識別。20世紀60年代，計算機的應用對語音識別的發(fā)展起了很大的作用。這時期產(chǎn)生很多重要研究成果，提出了動態(tài)規(guī)劃（DP）和線性預測分析技術（LP），其中后者是語音信號產(chǎn)生模型問題得到了較好的解決，對語音識別技術的后續(xù)研究工作產(chǎn)生了深遠的影響。70年代，語音識別技術取得了進一步的突破，LP技術和動態(tài)時間規(guī)整技術（DTW）在理論上基本成熟，另外提出了矢量量化（VQ）和隱馬科夫模型（HMM）技

19、術?；诰€性預測倒譜和DTW技術實現(xiàn)了特定人孤立詞的語音識別系統(tǒng)。20世紀80年代初，LP技術和DTW技術催生矢量量化(VQ)技術和隱馬爾柯夫模型(HMM)理論，實現(xiàn)了基于線性預測倒譜和DTW技術的特定人孤立詞小詞匯量語音識別系統(tǒng)。此時語音識別研究的重點之一是連接詞語音識別，各種連接詞語音識別算法被開發(fā)，如多級動態(tài)規(guī)劃語音識別算法。另一重要發(fā)展是語音識別算法從模板匹配技術轉向基于統(tǒng)計模型技術。研究從微觀轉向宏觀，不再追求細化語音特征，而是從統(tǒng)計的角度來建立最佳的語音識別系統(tǒng)。隱馬爾柯夫模型(HMMHidden Markov Mode1)是其典型，它能很好的描述語音信號的時變性和平穩(wěn)性。統(tǒng)計語言

20、模型也開始取代基于規(guī)則語言模型的方法。HMM的研究使大詞匯量連續(xù)語音識別系統(tǒng)的開發(fā)成為可能。80年代中期，在實踐中成功應用了HMM模型和人工神經(jīng)網(wǎng)絡(ANN)。而AT&T Bell實驗室Tabiner的等科學家建立了一套HMM模型的實驗工具，使艱澀的HMM純數(shù)學模型工程化，HMM走向應用。也為更多研究技術人員了解和認識HMM提供了更方便的途徑?；贏NN和HMM模型建立的語音識別系統(tǒng)具有更好的性能1988年Kai-Fu Lee等用VQI-IMM方法實現(xiàn)了997個詞匯的非特定人連續(xù)語音識別系統(tǒng)SPHINX，它在有，無文法限制的條件下識別率分別為96和82。這是世界上第一個高性能的非特定人、大詞匯

21、量、連續(xù)語音識別系統(tǒng)，被認為是語音識別歷史上的一個里程碑。進入90年代，多媒體時代已經(jīng)來臨，語音識別系統(tǒng)的使用需要更加緊迫。美國、日本、韓國等一些發(fā)達國家，以及 IBM、Apple、AT&T、NTT等著名公司投以巨資進行語音識別系統(tǒng)的開發(fā)。IBM公司于1997年正式推出中文聽寫機系統(tǒng)ViaVoice，該系統(tǒng)對新聞語音識別有較高的精度，是目前比較有代表的漢語連續(xù)語音識別系統(tǒng)。我國語音識別研究工作起步于五十年代，但近年來發(fā)展很快。研究水平也從實驗室逐步走向實用。從1987年開始執(zhí)行國家863計劃后，國家863智 能計算機專家組為語音識別技術研究專門立項，每兩年滾動一次。我國語音識別技術的研究水平已

22、經(jīng)基本上與國外同步，在漢語語音識別技術上還有自己的特點與優(yōu) 勢，并達到國際先進水平。其中具有代表性的研究單位為清華大學電子工程系與中科院自動化研究所模式識別國家重點實驗室。我國中科院自動化所研制的非特定人、連續(xù)語音聽寫系統(tǒng)和漢晤語音人機對話系統(tǒng)，其字準確率或系統(tǒng)響應率可達90以上。電子工程系語音技術與專用芯片設計課題組，研發(fā)的非特定人漢語數(shù)碼串連續(xù)語音識別系統(tǒng)的識別精度，達到948（不定長數(shù)字串）和968（定長數(shù)字 串）。在有5的拒識率情況下，系統(tǒng)識別率可以達到969（不定長數(shù)字串）和987（定長數(shù)字串），這是目前國際最好的識別結果之一，其性能已經(jīng) 接近實用水平。研發(fā)的5000詞郵包校核非特定

23、人連續(xù)語音識別系統(tǒng)的識別率達到9873，前三選識別率達9996；并且可以識別普通話與四川話兩 種語言，達到實用要求。2000年7月在北京自然博物館新開設的動物展館中展出的具有語音識別口語對話功能“熊貓”，采用了我們研發(fā)非特定人連續(xù)語音識別系統(tǒng)，在展覽館 這樣高噪聲的環(huán)境下，該識別系統(tǒng)的識別率也超過了98，達到實用要求。通過該系統(tǒng)觀眾與“熊貓”自然對話可以了解熊貓的生活習慣、生理結構等信息，其形 式生動、活潑，吸引了大量的學生與參觀者。采用嵌入式芯片設計技術研發(fā)了語音識別專用芯片系統(tǒng)，該芯片以8位微控制器（MCU）核心，加上低通濾波器，模數(shù)（AD），數(shù)模 （DA），預放，功率放大器，RAM，RO

24、M，脈寬調幅（PWM）等模塊，構成了一個完整的系統(tǒng)芯片，這是國內研發(fā)的第一塊語音識別專用芯片。芯片中包 括了語音識別、語音編碼、語音合成功能，可以識別30條特定人語音命令，識別率超過95，其中的語音編碼速率為16kbitss。該芯片可以用于智能 語音玩具；也可以與普通電話機相結合構成語音撥號電話機。這些系統(tǒng)的識別性能完全達到國際先進水平。研發(fā)的成果已經(jīng)進入實用領域，一些應用型產(chǎn)品正在研發(fā) 中，其商品化的過程也越來越快。目前在語音識別、語音控制的應用研究中存在的問題是：1、語音信息具有很大的時變性，語音模式對不同的講話者甚至對于同一個講話者都是不同的。2、斷點監(jiān)測，單詞之間的停頓很模糊，使得全單

25、詞模型匹配準確率不高。3、非特定人語音識別問題，它是機器人走向實用化的一個重要環(huán)節(jié)，也是突破語音識別的關鍵性技術之一。4、實時性，機器人的大多應用場合要求實時性。5、語音的模糊性，漢語中有很多多音字，他們發(fā)音時一樣的，識別他們必須根據(jù)上下文的發(fā)音和相關的詞法、句法規(guī)則。1.3 論文研究的主要內容利用SPCE061A單片機，通過語音命令對機器人機體（包括2個用于走路的電機、1個用于頭部旋轉的電機、1個用于加速1個用于彈射的電機等）進行控制，能夠實現(xiàn)走步、轉向和轉頭功能。要求智能機器人可以識別15條命令，具有2種跳舞模式和發(fā)射飛盤功能。技術指標：機器人工作的額定電壓：6V（4節(jié)干電池）； 機器人可

26、以識別15條語音命令；機器人具有2種跳舞模式。論文的主要研究內容如下：1系統(tǒng)總體方案設計，包括系統(tǒng)控制器的選型，語音識別技術的原理，以及電機驅動方案選擇等。2根據(jù)系統(tǒng)總體組成框圖進行系統(tǒng)硬件設計，包括單片機最小系統(tǒng)的設計、電機驅動電路設計以及語音識別電路設計。3在系統(tǒng)硬件設計的基礎上進行系統(tǒng)軟件設計，包括主程序設計、語音識別程序設計等。第二章 系統(tǒng)總體方案設計2.1 控制器的選擇根據(jù)系統(tǒng)控制要求我們首先選擇控制器。市場上可供我們選擇的控制器多種多樣，比如工業(yè)控制計算機、PLC、單片機等?？紤]到我們設計的機器人體積較小，為了使控制器能放置在機器人上，因此我們放棄選用工業(yè)控制計算機作為控制器，所以

27、我們只考慮在PLC和單片機中選出一種合適的控制器。方案一：可編程邏輯控制器（PLC）可編程控制器的種類千差萬別，為了在惡劣的工業(yè)環(huán)境中使用，它們卻有許多共同的特點。1、抗干擾能力強，可靠性極高工業(yè)生產(chǎn)對電器控制設備的可靠行的要求非常高，需具有很強的抗干擾能力強，能在很惡劣的環(huán)境下（如溫度高、濕度大、金屬粉塵多、距離高壓設備近、有較強的高頻電磁干擾等）長期連續(xù)可靠地工作，平均無故障時間(MTBF)長，故障修復時間短。能適應工業(yè)現(xiàn)場的惡劣環(huán)境。可以說，沒有任何一種工業(yè)控制設備能夠達到可編程控制器的可靠性。在PLC的設計和制造過程中，采取了精選元器件及多層次抗干擾等措施，使PLC的平均無故障時間MT

28、BF通常在10萬小時以上，有些PLC的平均無故障時間可以達到幾十萬小時以上，如三菱公司的F1，F(xiàn)2系列的MTBF可達到30萬小時，有些高檔的MTBF還要高得多，絕這是其他電氣設備根本做不到的。絕大多數(shù)的用戶將可靠性作為選取控制裝置的首要條件，PLC在硬件和軟件方面均采取了一系列的抗干擾措施。硬件方面，首先選用優(yōu)質器件，采用合理的系統(tǒng)結構，加固、簡化安裝，使它能抗震動沖擊。對印刷電路板的設計、加工及焊接都采取了極為嚴格的工藝措施。對與工業(yè)生產(chǎn)過程中最常見的瞬間干擾，采取的措施主要是采用隔離和濾波技術。PLC的輸入和輸出電路一般都用光用點耦合器傳遞信號，做到電浮空，使CPU與外部電路完全切斷了電的

29、聯(lián)系，有效地仰制了外部干擾對PLC的影響。在PLC的電源電路和I/O接口中，還設置多種耦波電路，除了采用常規(guī)的模擬耦波器（如LC耦波和n型耦波）外，還加上了數(shù)字耦波，消除和仰制高頻干擾信號，消弱各種模板之間的相互干擾。用集成電壓調整器對微處理器的+5V電源進行調整，以適應交流電網(wǎng)的波動和過電壓、欠電壓的影響。在PLC內部還采用了電磁屏蔽措施，對電源變壓器、CPU、存儲器、編程器等主要部件采用導電、導磁良好的材料進行屏蔽，以防外界干擾。軟件方面，PLC采取了很多特殊措施，設置了警戒時鐘WDT(Watching Dog Tuner)，系統(tǒng)運行時對WDT定時刷新，一旦程序出現(xiàn)死循環(huán)，使之能立即跳出，

30、重新啟動并發(fā)出報警信號。設置了故障檢測及診斷程序，檢測系統(tǒng)硬件是否正常，用戶程序是否正常，自動地做出相應的處理。如報警、封鎖輸出、保護數(shù)據(jù)等。PLC檢測到故障時，立即將現(xiàn)場信息存儲器，系統(tǒng)軟件配合對存儲器進行封閉，禁止對存儲器的任何操作，防存儲信息被破壞。檢測到外界環(huán)境正常后，恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)，繼續(xù)原來的程序工作。PLC特有的循環(huán)掃描工作方式，有效地屏蔽了絕大多數(shù)的干擾信號。 2、編程方便可編程控制器的設計是面向工業(yè)企業(yè)中一般電氣工程計算人員的。它采用易與理解和掌握的梯形圖語言，以及面向工業(yè)控制的簡單指令。梯形圖語言繼承了傳統(tǒng)繼電器控制線路的表達型式（如線圈、觸點、動合、動斷），考慮到工

31、業(yè)中的電氣技術人員的看圖習慣和微機應用水平，形象、直觀，簡單、易學。小型PLC，不需專門的計算機知識，只需幾天甚至幾小時的培訓，掌握編程方法。使用PLC深受電氣工程技術人員歡迎。3、使用方便產(chǎn)品系列化和模板化，配有品種齊全的各種軟件，用戶可靈活組合成各種規(guī)模和要求不同的控制系統(tǒng)，在硬件設計方面，確定PLC的硬件配件和I/O通道的外部接線。在PLC構成的控制系統(tǒng)中，只需在PLC的端子上接入相應的輸入、輸出信號，不需諸如繼電器之類的固體電子器件和大量繁雜的硬接線電路。在生產(chǎn)工藝流程改變，或生產(chǎn)線設備更新、或系統(tǒng)控制需改變，需變更控制系統(tǒng)的功能時，一般不需改變或很少改變I/O道的外部接線，只需改變存

32、儲器中的控制程序，PLC的輸入、輸出端子可直接與220VAC,24VDC等強電相連，有較強的帶負載能力。在PLC運行過程中，PLC的面板上（或顯示器上）可顯示生產(chǎn)過程中用戶感興趣的各種狀態(tài)和數(shù)據(jù)，使操作人員做到心中有數(shù)，在出現(xiàn)故障甚至發(fā)生故時，能及時處理。4、維護方便PLC的控制程序可通過編程輸入到PLC的用戶程序存儲器中。編程器可對PLC控制程序進行寫入、讀出、檢測、修改，可對PLC的工作進行監(jiān)控，使得PLC的操作及維護都很方便。PLC有很強的自診斷能力，可隨時檢查出自身的故障，顯示給操作人員，如FO通道的狀態(tài)、RAM的后備電池的狀態(tài)、數(shù)據(jù)通信的異常、PLC主機或外部的輸入裝置及執(zhí)行機構發(fā)生

33、故障時，操作人員能迅速檢查、判斷故障原因，確定故障位置，采取迅速有效的措施。如果是PLC本身故障，在維修時只需更換插入式模板或其他易損件即可完成。5、設計、施工、調試周期短用可編程控制器完成一項控制工程時，硬、軟件齊全，設計和施工可同時進行用軟件編程取代繼電器硬接線實現(xiàn)控制功能，使得控制柜的設計及安裝接線工作量大為減少，縮短了施工周期。同時，用戶程序大都可以在試驗室模擬調試，模擬調試好后再將PLC控制系統(tǒng)在生產(chǎn)現(xiàn)場進行聯(lián)機統(tǒng)調，使得調試方便、快捷、安全，大大縮短設計和投運周期。 6、易于實現(xiàn)機電一體化可編程控制器的結構緊湊，體積小，重量輕，可靠性高，抗振防潮和耐熱能力強，使之易于安裝在機器設備

34、內部。制造出機電一體化產(chǎn)品。隨著集成電路制造水平的不斷提高，可編程控制器體積將近一步縮小，工能進一步增強，與機械設備有機覅結合起來，在CNC和機器人的應用中必將更加普遍，以PLC作為控制器的CNC設備和機器人裝置將成為典型的機電一體化的產(chǎn)品?；谝陨嫌悬c，PLC在工業(yè)生產(chǎn)中應用十分廣泛，在大型自動化生產(chǎn)線上PLC也是主要的控制器。然而考慮到我們語音控制機器人的設計要求一方面PLC的體積較大，放置在機器人上有很大困難，另一方面PLC的市場價格較高，對于我們學生用它作為控制器花銷較大，因此我們不會首先考慮使用PLC作為控制器。方案二：單片機市場上的單片機型號多種多樣，我們需要根據(jù)系統(tǒng)的控制要求以及

35、各個單片機的特點進行選擇。應用最廣泛的是MCS-51系列的單片機。MCS-51系列單片機是Intel公司生產(chǎn)的。這個系列的單片機既包括三個基本型8031、8051、8751，也包括對應的低功耗型80C31、80C51、87C51。51系列優(yōu)點之一是它從內部的硬件到軟件有一套完整的按位操作系統(tǒng)，稱作位處理器，或布爾處理器。它的處理對象不是字或字節(jié)而是位。它不光能對片內某些特殊功能寄存器的某位進行處理，如傳送、置位、清零、測試等，還能進行位的邏輯運算，其功能十分完備，使用起來得心應手。雖然其他種類的單片機也具有位處理功能，但能進行位邏輯運算的實屬少見。51系列在片內RAM區(qū)間還特別開辟了一個雙重功

36、能的地址區(qū)間，十六個字節(jié)，單元地址20H2FH，它既可作字節(jié)處理，也可作位處理(作位處理時，合128個位，相應位地址為00H7FH)，使用極為靈活。這一功能無疑給使用者提供了極大的方便，因為一個較復雜的程序在運行過程中會遇到很多分支，因而需建立很多標志位，在運行過程中，需要對有關的標志位進行置位、清零或檢測，以確定程序的運行方向。而實施這一處理(包括前面所有的位功能)，只需用一條位操作指令即可。但是51系列單片機的CPU是八位的，在控制精度上稍顯不足。而且我們的控制要求是用聲音作為控制信號，這樣我們就需要很大的外圍聲音采集與轉換模塊來支持聲音控制，使用起來會很麻煩。很難能達到我們的控制要求。在

37、市場上我們發(fā)現(xiàn)凌陽公司生產(chǎn)的SPCE061A十六位單片機，它的特點是功能強、效率高的指令系統(tǒng)：nSPTM的指令系統(tǒng)的指令格式緊湊，執(zhí)行迅速，并且其指令結構提供了對高級語言的支持，這可以大大縮短產(chǎn)品的開發(fā)時間。低功耗、低電壓：nSPTM家族采用CMOS制造工藝，同時增加了軟件激發(fā)的弱振方式，空閑方式和掉電方式，極大地降低了其功耗，另外，nSPTM家族的工作電壓范圍大，能在低電壓供電時正常工作，且能用電池供電，這對于其在野外作業(yè)等領域中的應用具有特殊的意義。而且凌陽具有強大的數(shù)字語音功能。凌陽單片機的語音識別模塊自帶語音的API 函數(shù)，其中包括A2000 格式和S480 格式自動播放及手動播放的播

38、放函數(shù)，S240、MS01 格式自動播放的播放函數(shù)、DVR 格式的語音錄放函數(shù)和語音識別函數(shù)，讓凌陽單片機不但可以作為普通的單片機開發(fā)系統(tǒng)，而且還可以作為一個語音系統(tǒng)進行語音播放、語音錄放和語音識別，大大降低了凌陽單片機的開發(fā)難度，并增強了凌陽單片機的使用領域和功能。再加上凌陽單片機體積小，重量輕，抗干擾能力強，環(huán)境要求不高，價格低廉，可靠性好，開發(fā)較為容易，因此根據(jù)系統(tǒng)設計要求，本設計選擇凌陽單片機作為主控制器。2.2 語音識別原理隱馬爾可夫模型(Hidden Markov Models，簡稱HMM)語音識別技術是一種統(tǒng)計技術，它提供了一種基于訓練數(shù)據(jù)提供的概率自動構造識別系統(tǒng)的技術。其識別

39、系統(tǒng)如圖2-1所示。圖2-1 語音識別系統(tǒng)實現(xiàn)過程這是Rabiner等人在20世紀80年代引入語音識別領域的一種語音識別算法。該算法通過對大量語音數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計，建立識別條的統(tǒng)計模型，然后從待識別語音中提取特征，與這些模型匹配，通過比較匹配分數(shù)以獲得識別結果。通過大量的語音，就能夠獲得一個穩(wěn)健的統(tǒng)計模型，能夠適應實際語音中的各種突發(fā)情況。隱馬爾可夫語音識別技術的改進隨著語音識別研究工作的深入開展，HMM語音識別方法愈來愈受到人們的重視，基于HMM技術的識別系統(tǒng)的缺點就在于統(tǒng)計模型的建立需要依賴一個較大的語音庫。這在實際工作中占有很大的工作量。且模型所需要的存儲量和匹配計算（包括特征矢量的輸出

40、概率計算）的運算量相對較大，通常需要具有一定容量SRAM 的DSP才能完成。另外，它的一個最主要的缺點是根據(jù)詞模型推出的狀態(tài)段長分布是指數(shù)分布，這不符合語音的本質屬性，因此，現(xiàn)在推出了一種非齊次的HMM語音識別模型(Duration Distribution Based Hidden Markov Model，簡稱DDBHMM)。在此模型中用狀態(tài)的段長分布函數(shù)替代了齊次HMM中的狀態(tài)轉移矩陣，徹底拋棄了“平穩(wěn)的假設”，而從非平穩(wěn)的角度考慮問題，使模型成為一種基于狀態(tài)段長分布的隱含Markov 模型。段長分布函數(shù)的引入澄清了經(jīng)典HMM語音識別模型的許多矛盾，DBBHMM比國際上流行的HMM語音識

41、別模型有更好的識別性能和更低的計算復雜度(訓練算法比流行的Baum 算法復雜度低兩個數(shù)量級)。由于該模型解除了對語音信號狀態(tài)的齊次性和對語音特征的非相關性的限制，因此，為語音識別研究的深入發(fā)展提供了一個和諧的框架。語音識別過程本質上是一種多維模式識別過程。主要有信號預處理、特征提取、語音模型庫、模式匹配、后處理等幾個環(huán)節(jié)。首先是預處理,主要包括模/數(shù)轉換、預加重、自動增益控制等處理過程,主要實現(xiàn)語音信號的數(shù)字化；然后對經(jīng)過預處理后的語音信號進行特征提取，形成特征矢量序列；之后開始模式匹配,就是將輸入?yún)?shù)的特征參數(shù)同長時間訓練得到的語音模型庫進行比較分析,從而得到初步結果，目前使用最廣泛的識別方

42、法是統(tǒng)計模式識別法；最后，為了提高識別正確率，可考慮進行后處理，以提高系統(tǒng)的性能。本系統(tǒng)也是基于上述語音識別原理進行語音識別的，其識別過程如圖2-2所示。圖2-2 系統(tǒng)語音識別過程圖根據(jù)識別結果系統(tǒng)將做出相應的控制操作，具體控制過程是基本由軟件完成，我們將在第四章詳細介紹。2.3 機器人對象的選擇本系統(tǒng)選用玩具機器人模型。此模型為輪式機器人，用電機驅動。機器人實物圖如2-3所示。圖2-3 機器人實物圖2.4 機器人電機調速及驅動方案設計直流電機的轉速特性為： （2-1） 當理想空載時，電機的機轉速性為： （2-2）由式2-1和2-2可以看出，要改變電機的速度，可以改變電阻R或電壓U以及磁通來調

43、節(jié)電機的速度。但是改變電樞電阻R值，接入的電阻消耗了部分電壓，因此這種傳統(tǒng)的調速方法效率很低；而磁通量難以控制。所以我們選擇改變電壓來實現(xiàn)電機的調速系統(tǒng)。隨著電力電子技術的發(fā)展，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM(Pulse Width Modulation)控制是常用的一種調速方法。PWM控制是指在保持周期不變的情況下，通過調節(jié)開關導通的時間對脈沖寬度進行調制，從而達到調節(jié)電機轉速的目的。在脈寬調速系統(tǒng)中，電機電樞兩端的電壓是脈寬可調的脈沖電壓，在輸出脈沖頻率足夠快的情況下，由于慣性的存在，只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一個穩(wěn)定值。對于直流電機，采用

44、PWM控制技術構成的無級調速系統(tǒng)，啟停時對直流系統(tǒng)無沖擊，并且具有啟動功耗小、運行穩(wěn)定的特點。脈沖寬度調制（PWM）技術是采用H橋電路作為功率放大電路，運用全數(shù)字PWM技術控制電機轉速，并引入速度反饋提高控制精度和電動機機械特性的硬度，從而可以使電機在運行過程中能夠獲得多種不同的運行狀態(tài)和速度。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉速和方向的控制；電子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調速技術；由單片機直接產(chǎn)生PWM驅動控制脈沖，精度高，連接方便，成本低；采用速度閉環(huán)控制，不僅提高了控制進度，而且使電動機機械特性變硬，從而徹底克服了

45、小車因速度過低或負載擾動而造成的停車，尤其是在彎道區(qū)域，保證了行駛的連續(xù)性。其原理如圖2-4所示：圖2-4 PWM控制原理圖這樣在電動機兩端得到的電壓波形如圖2-4右側所示，電壓平均值可用下式表示： (2-3)式中，開關每次接通時間開關通斷的工作周期占空比，由式(2-3)可見，改變接通時間和開關周期的比例亦改變脈沖的占空比，電動機兩端電壓的平均值也隨之改變，因而電動機轉速得到了控制?？紤]到實際的機器人是輪式機器人，其前進、后退及轉向等操作可以通過簡單的控制機器人左右腿電機的開關來實現(xiàn)，所以我們僅僅需要控制其左右腿電機的開啟及停止。對于電機的驅動我們選擇H橋作為驅動電路，其原理如圖2-5所示：圖

46、2-5 H橋驅動電路原理圖如圖所示，H橋式電機驅動電路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉向。要使電機運轉，必須使對角線上的一對三極管導通。當Q1管和Q4管導通時，電流將從電源正極經(jīng)Q1從左至右穿過電機，然后再經(jīng)Q4回到電源負極，此時電流將驅動電機順時針轉動；當三極管Q3和Q2導通時，電流將從正極經(jīng)Q3從右向左流過電機，然后再經(jīng)Q2回到電源負極，此時電機逆時針轉動。2.5 系統(tǒng)總體方案用61板來控制機器人，使用了I0B7-IOB15資源，另外使用了揚聲器，參看圖2-6如下：圖 2

47、-6 系統(tǒng)的總體框圖第三章 系統(tǒng)硬件電路設計3.1 控制單元電路設計根據(jù)系統(tǒng)總體方案，選擇SPCE061A單片機作為主控制器。3.1.1 凌陽單片機簡介SPCE061A是凌陽科技推出的一款16位單片機，片內采用的nSPTM核心具有較高的處理速度，能夠更快速地處理復雜的數(shù)字信號。SPCE061A的主要性能特點：16位nSP微處理器；工作電壓(CPU) VDD為2.43.6V (I/O) VDDH為2.45.5VCPU時鐘：0.32MHz49.152MHz ；內置2K字SRAM；內置32K FLASH；可編程音頻處理；晶體振蕩器;系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時鐘處于停止狀態(tài))， HYPERLINK mai

48、lto:耗電僅為2A3.6V 耗電僅為2A/3.6V；2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預置初始計數(shù)值)；2個10位DAC(數(shù)-模轉換)輸出通道；32位通用可編程輸入/輸出端口；14個中斷源可來自定時器A / B，時基，2個外部時鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用凌陽音頻編碼SACM_S240方式(2.4K位/秒)，能容納210秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán)PLL振蕩器提供系統(tǒng)時鐘信號；32768Hz實時時鐘；7通道10位電壓模-數(shù)轉換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉換器；聲音模-數(shù)轉換器輸入通道內置麥克風放大器和自動增益控制(AGC)功能；具備串行設備接口；具有低電壓復位(LVR)功能和低

49、電壓監(jiān)測(LVD)功能；內置在線仿真電路ICE（In- Circuit Emulator）接口；具有保密能力；具有Watch Dog功能。凌陽單片機的語音識別模塊自帶語音的API 函數(shù)，其中包括A2000 格式和S480 格式自動播放及手動播放的播放函數(shù)，S240、MS01 格式自動播放的播放函數(shù)、DVR 格式的語音錄放函數(shù)和語音識別函數(shù)，讓凌陽單片機不但可以作為普通的單片機開發(fā)系統(tǒng)，而且還可以作為一個語音系統(tǒng)進行語音播放、語音錄放和語音識別，大大降低了凌陽單片機的開發(fā)難度，并增強了凌陽單片機的使用領域和功能。SPCE061A有兩種封裝片，一種為80個引腳，PLCC80封裝形式；另一種為84個

50、引腳，LQFP84封裝。其中84引腳排列如圖3-1所示。圖3-1 SPCE061A單片機引腳圖芯片的引腳說明 在PLCC84封裝中，有15個空余腳，用戶使用時這15個空余腳懸浮。其余管腳功能說明如表3-1所示：表3-1管腳功能表IOA0IOA15(4148,53,5460腳)I/O口A，共16個IOB0IOB15(51,8176,6864腳)I/O口B，共16個OSCI（13腳）振蕩器輸入。在石英晶振模式下，是石英元件的一個輸入腳。OSCO（12腳）振蕩器輸出。在石英晶振模式下，是石英元件的一個輸出腳。RES_B (6腳)復位輸入。若這個腳輸入低電平，會使得控制器被重置復位。ICE_EN（16

51、腳）ICE使能端,接在線調試器PROBE的使能腳ICE_EN。ICE_SCK （17腳）ICE時鐘腳，接在線調試器PROBE的時鐘腳ICE_SCK。ICE_SDA（18腳）ICE數(shù)據(jù)腳，接在線調試器PROBE的數(shù)據(jù)腳ICE_SDA。PVIN（20腳）程序保密設定腳。PFUSE（29腳）程序保密設定腳。DAC1（21腳）音頻輸出通道1。DAC2（22腳）音頻輸出通道2。VREF2（23腳）2V參考電壓輸出腳。AGC（25腳）語音輸入自動增益控制引腳。OPI（26腳）Microphone的第二運放輸入腳。MICOUT（27腳）Microphone的第一運放輸出腳。MICN（28腳）Micropho

52、ne的負向輸入腳。MICP（33腳）Microphone正向輸入腳。VRT（35腳）A/D轉換外部參考電壓輸入腳。它決定A/D轉換輸入電壓上限值。例如該點輸入一個2.5V的參考電壓，則A/D轉換電壓輸入范圍為02.5V。（外部A/D最高參考電壓 0)if(uiActivated)uiTimerCount = 0;switch(uiRes)case NAME_ID:switch(uiBS_Team)case 0:/第一組的第一個命令（杰克）/播放Ok,Less go,YeahPlaySnd(OK);break;case 1:/第二組的第一個命令（開始）PlaySnd(OK);PlaySnd(LE

53、TUSGO);PlaySnd(YEAH);/播放Ok,Less gobreak;case 2:/第三組的第一個命令（準備）PlaySnd(OK);/播放Okbreak;break;case Command_One_ID:switch(uiBS_Team)case 0:/第一組的第二個命令（開始）/導入第二組命令，修改uiBS_Team為1，播放Wo,Ho,Hoo,Hooo,跳出循環(huán)ImportFiveCommand(0 xf900);uiBS_Team = 1;PlaySnd(HO);PlaySnd(HOO);PlaySnd(HOO);PlaySnd(HOOO);goto Loop;break

54、;case 1:/第二組的第二個命令（向前走）/播放喀咔聲音，控制電機向前走Robot_Go(1);PlaySnd(WALK);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;case 2:/第三組的第二個命令（向左瞄準）/播放旋轉聲音，頭部電機向左轉Robot_HeadTurnLeft(1);PlaySnd(TURNHEAD);PlaySnd(TURNHEAD);PlaySnd(TURNHEAD);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;*(unsign

55、ed int *)0 x7012 = 1;uiActivated = 0;/杰克為觸發(fā)命令，每完成一個動作需要出發(fā)一次break;case Command_Two_ID:switch(uiBS_Team)case 0:/第一組的第三個命令（準備）/導入第三組命令，修改uiBS_Team為2，播放Wo,Ho,Hoo,Hooo,跳出循環(huán)ImportFiveCommand(0 xfb00);uiBS_Team = 2;PlaySnd(HO);PlaySnd(HOO);PlaySnd(HOO);PlaySnd(HOOO);goto Loop;break;case 1:/第二組的第三個命令（倒退）/播放

56、喀咔聲音，控制電機向后走Robot_Backup(1);PlaySnd(WALK);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;break;case 2:/第三組的第三個命令（向右瞄準）/播放旋轉聲音，頭部電機向右轉Robot_HeadTurnRight(1);PlaySnd(TURNHEAD);PlaySnd(TURNHEAD);PlaySnd(TURNHEAD);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;*(unsigned int *)0 x7012 = 1;uiActivate

57、d = 0;break;case Command_Three_ID:switch(uiBS_Team)case 0:/第一組的第四個命令（跳舞）/跳舞，清看門狗，時間比較長Robot_Dance(2);*(unsigned int *)0 x7012 = 0 x0001;break;case 1:/第二組的第四個命令（左轉）/播放旋轉聲音，向左旋轉Robot_TurnLeft(1);PlaySnd(WALK);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;case 2:/第三組的第四個命令（發(fā)射）/播放咚咚聲音，發(fā)射飛盤Rob

58、ot_Shoot_Prepare(5);Delay(1500);Robot_Shoot2(3);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;*(unsigned int *)0 x7012 = 1;uiActivated = 0;break;case Command_Four_ID:switch(uiBS_Team)case 0:/第一組的第五個命令（再來一曲）/在來一曲Robot_DanceAgain(2);break;case 1:/第二組的第五個命令（右轉）/播放聲音，向右旋轉，導到第一組命令，設置uiBS_Team為

59、0，推出循環(huán)Robot_TurnRight(1);PlaySnd(WALK);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;case 2:/第三組的第五個命令（連續(xù)發(fā)射）/連續(xù)發(fā)射飛盤，導到第一組命令，設置uiBS_Team為0，推出循環(huán)Robot_Shoot_Prepare(5);Delay(1500);Robot_Shoot_Five(3);ImportFiveCommand(0 xf700);uiBS_Team = 0;goto Loop;break;*(unsigned int *)0 x7012 = 1;uiActi

60、vated = 0;break;elseif(uiRes = NAME_ID)*(unsigned int *)0 x7012 = 1;uiActivated = 1;uiTimerCount = 0;PlaySnd(OK);/播放應答OKelse if(uiActivated)if(+uiTimerCount 700)*(unsigned int *)0 x7012 = 1;uiActivated = 0;uiTimerCount = 0;PlaySnd(HOOO);uiKey = *P_IOA_Data;uiKey = uiKey&0 x0004;if(uiKey = 0 x0004)F_