現(xiàn)代社會中機(jī)器人這個詞語已經(jīng)不再新鮮，而且形形色色的機(jī)器人出現(xiàn)在我們的日常生活中。為了提高廣大單片機(jī)愛好者學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，在凌陽科技教育推廣中心的興趣產(chǎn)品智能機(jī)器人的基礎(chǔ)上，配合超聲波傳感器的使用，使機(jī)器人具有障礙檢測功能。本文對這個避障機(jī)器人的軟硬件制作進(jìn)行介紹。
1 引言
為了提高廣大單片機(jī)愛好者學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣，凌陽科技教育推廣中心推出了應(yīng)用SPCE061A作為主控制器，外加電機(jī)驅(qū)動電路制作的智能機(jī)器人。該機(jī)器人采用特定人語音識別對機(jī)器人進(jìn)行控制，可以完成向前走、倒退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、跳兩首舞曲、向左瞄準(zhǔn)、向右瞄準(zhǔn)、發(fā)射、連續(xù)發(fā)射等功能。在此基礎(chǔ)上，配合凌陽科技教育推廣中心推出的超聲波測距模組，為機(jī)器人增加了活動過程中實時檢測前方障礙物、遇到障礙停止運(yùn)動并向前方發(fā)射飛盤等功能，進(jìn)一步豐富了機(jī)器人的功能，可以大大提高在校學(xué)生學(xué)習(xí)單片機(jī)的興趣。
2 模組特性簡介
2.1 SPCE061A特性簡介
SPCE061A是凌陽科技研發(fā)生產(chǎn)的性價比很高的一款十六位單片機(jī)，使用它可以非常方便靈活的實現(xiàn)語音的錄放系統(tǒng)，該芯片擁有8路10位精度的ADC，其中一路為音頻轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)置有自動增益電路。這為實現(xiàn)語音錄入提供了方便的硬件條件。兩路10位精度的DAC，只需要外接功放（SPY0030A）即可完成語音的播放。另外凌陽十六位單片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn)C語言，可以實現(xiàn)C語言與凌陽匯編語言的互相調(diào)用，并且，提供了語音錄放的庫函數(shù)，只要了解庫函數(shù)的使用，就會很容易完成語音錄放，這些都為軟件開發(fā)提供了方便的條件：
特性：
16位μ'nSP微處理器；
工作電壓：內(nèi)核工作電壓VDD為3.0～3.6V(CPU)，IO口工作電壓VDDH為VDD～5.5V(I/O)；
CPU時鐘：0.32MHz～49.152MHz；
內(nèi)置2K字SRAM；
內(nèi)置32K閃存ROM；
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?fàn)顟B(tài))，耗電小于2μA@3.6V；
2個16位可編程定時器/計數(shù)器(可自動預(yù)置初始計數(shù)值)；
2個10位DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器；
聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動增益控制(AGC)功能；
具備串行設(shè)備接口；
低電壓復(fù)位(LVR)功和低電壓監(jiān)測(LVD)功能；
內(nèi)置在線仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。
2.2 超聲波模組簡介
2.2.1 功能簡介
三種測距模式選擇跳線J1（短距、中距、可調(diào)距）：
短距：20cm～100cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定），精度1cm；
中距：70cm～400cm左右（根據(jù)被測物表面材料決定）；
可調(diào)：范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定，當(dāng)調(diào)節(jié)在合適的值時，最遠(yuǎn)測距700cm左右；
2.2.2 電氣參數(shù)
超聲波傳感器諧振頻率：40KHz
模組傳感器工作電壓：4.5V～9V
模組接口電壓：4.5V～5.5V
2.2.3 超聲波發(fā)射電路原理圖
圖 2-1 超聲波諧振頻率調(diào)理電路原理圖
由單片機(jī)產(chǎn)生40KHz的方波，并通過模組接口（J4）送到模組的CD4049，而后面的CD4049則對40KHz頻率信號進(jìn)行調(diào)理，以使超聲波傳感器產(chǎn)生諧振。
2.2.4 超聲波回波接收處理電路
圖 2-2 超聲波回波接收處理電路
超聲波接收處理部分電路前級采用NE5532構(gòu)成10000倍放大器，對接收信號進(jìn)行放大；后級采用LM311比較器對接收信號進(jìn)行調(diào)整，比較電壓為LM311的3管腳的輸入，可由J1跳線選擇不同的比較電壓以選擇不同的測距模式。
2.2.5 電源接口
圖 2-3 超聲波模組的電源接口電路
為外部電源接口，最高電壓不要超過12V，J2為電源選擇跳線，VCC_5即為由61板通過10PIN排線引入模組的電源；VCC即為模組的放大器、調(diào)理電路的供電電源。當(dāng)用戶使用61板為其供電時，要把VCC與VCC_5V短接；而使用外部電源時，要把VCC與VCC_IN短接。
2.2.6 測距模式選擇跳線
圖2-4 超聲波測距模式選擇跳線電路
模組提供了測距模式選擇跳線J1，可以選擇短距測量模式、中距測量模式，或距離可調(diào)模式。跳線選擇LOW時為近距測量模式，選擇HIG時為中距測量模式；選擇SET時為距離可調(diào)模式。凌陽科技大學(xué)計劃提供了短距測量模式和中距測量模式的完整程序（其中ultrasonic_Low為短距測量模式程序；ultrasonic_long為中距測量模式程序）。
2.2.7 模組接口
圖 2-5 超聲波模組接口電路
用戶只需要把前面的電源輸入跳線J2、測量模式選擇跳線J1設(shè)置好后，用排線把J5與SPCE061A的IOB口低八位相接，J4與IOB口高八位相接，即可使用了。
2.2.8 注意事項
◆提供給模組的電源必須在4.5V以上，而且盡量保持電源電壓的穩(wěn)定。
◆模組外接電源接口J3接入的電源不要超過12V。
◆模組工作的性能與被測物表面材料有很大關(guān)系，如毛料、布料對超聲波的反射率很小，會嚴(yán)重影響測量結(jié)果。
◆模組的中距測距模式的精度與程序設(shè)計有關(guān)，提供的范例程序中沒有對測距結(jié)果進(jìn)行標(biāo)定，所以有3～5cm的距離誤差時是正常的。
2.3 機(jī)器人簡介
2.3.1 機(jī)器人驅(qū)動電路圖
機(jī)器人驅(qū)動電路圖如圖2-6所示：
圖 2-6 機(jī)器人驅(qū)動電路圖
機(jī)器人驅(qū)動電路采用功率較大的三極管搭成H橋來驅(qū)動電機(jī)，可以實現(xiàn)電機(jī)的正向旋轉(zhuǎn)與電機(jī)的反向旋轉(zhuǎn)。這些電機(jī)包括2個用于走路的電機(jī)與一個頭部轉(zhuǎn)向的電機(jī)。另外用了一個三極管驅(qū)動單向旋轉(zhuǎn)的電機(jī)，包括加速電機(jī)與發(fā)射電機(jī)，驅(qū)動電路比較簡單。
2.3.2 主要功能
◆通過語音命令對其進(jìn)行控制；
◆可以跳兩首舞曲；
◆走步功能、轉(zhuǎn)向功能、轉(zhuǎn)頭功能；
◆發(fā)射飛盤功能；
2.3.3 機(jī)器人實物圖
圖 2-7 機(jī)器人實物圖
2.3.4 注意事項
◆機(jī)器人在發(fā)射飛盤時不要面向人，避免受傷
◆機(jī)器人要輕拿輕放應(yīng)該避免摔打
◆在安裝電池時注意正負(fù)極，否則容易燒壞機(jī)器人電機(jī)或主控制板
3 系統(tǒng)總體方案介紹
用61板來控制機(jī)器人，使用了IOA7-IOA15以及IOB2和IOB9資源，另外使用了揚(yáng)聲器。如圖3-1所示：
圖 3-1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)主要由61板、超聲波測距模組和機(jī)器人驅(qū)動電路構(gòu)成。61板作為整個系統(tǒng)的主控板，超聲波測距模組在機(jī)器人運(yùn)動期間定期檢測前方是否存在障礙物，驅(qū)動電路驅(qū)動電機(jī)，在主控板61板的控制下完成各個動作。另外增加了特定人語音識別的功能，通過命令來控制機(jī)器人，使機(jī)器人智能化。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在主函數(shù)中調(diào)用相關(guān)函數(shù)完成特定人語音的訓(xùn)練，然后在訓(xùn)練成功后進(jìn)行語音識別，根據(jù)識別的命令執(zhí)行相關(guān)的操作。程序流程如圖4-1所示：
圖 4-1 主程序流程圖
根據(jù)FLASH中的標(biāo)志位來進(jìn)行判斷是否為第一次下載。使用庫函數(shù)BSR_ExportSDWord(uiCommandID)將訓(xùn)練好的語音模型導(dǎo)出存儲到FLASH中進(jìn)行操作，然后再調(diào)用讀寫FLASH函數(shù)。在進(jìn)行語音識別時，首先讀取FLASH將語音模型取得，然后調(diào)用BSR_ImportSDWord(uiCommandID)函數(shù)將語音資源載入內(nèi)存。在識別出命令后，執(zhí)行相關(guān)動作，相關(guān)動作操作就是操作電機(jī)的正向或反向旋轉(zhuǎn)同時配合延時與播放聲音組合起來形成不同的動作。
避障的實現(xiàn)是在機(jī)器人活動期間完成的。
在機(jī)器人活動期間會播放背景聲音或音樂。播放采用后臺方式，使用4096Hz時基中斷處理語音解碼。這樣可以釋放大量CPU資源在前臺處理其他事務(wù)。
語音播放函數(shù)流程圖如圖4-2所示。
圖 4-2 語音播放程序流程圖
在4096Hz時基中斷中進(jìn)行的處理流程如圖4-3所示。
圖 4-3 語音播放中斷服務(wù)程序流程圖
在播放背景音樂的同時，程序?qū)⒄{(diào)用超聲波測距函數(shù)進(jìn)行機(jī)器人前方障礙物檢測。測距函數(shù)利用TimerB產(chǎn)生40KHz的PWM方波驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器。當(dāng)接收傳感器接收到回波后經(jīng)過處理電路處理將引起SPCE061A的外部中斷，計算從發(fā)射超聲波到產(chǎn)生中斷的時間，即可計算出目標(biāo)物體的距離。測距函數(shù)流程如圖4-4所示。
圖 4-3 語音播放中斷服務(wù)程序流程圖
在播放背景音樂的同時，程序?qū)⒄{(diào)用超聲波測距函數(shù)進(jìn)行機(jī)器人前方障礙物檢測。測距函數(shù)利用TimerB產(chǎn)生40KHz的PWM方波驅(qū)動超聲波發(fā)射傳感器。當(dāng)接收傳感器接收到回波后經(jīng)過處理電路處理將引起SPCE061A的外部中斷，計算從發(fā)射超聲波到產(chǎn)生中斷的時間，即可計算出目標(biāo)物體的距離。測距函數(shù)流程如圖4-4所示。
圖4-5 編譯、鏈接圖
步驟二：下載程序代碼到機(jī)器人的61板上。
步驟三：打開機(jī)器人的電源，進(jìn)行語音訓(xùn)練，訓(xùn)練過程按照下面進(jìn)行：
按順序訓(xùn)練以下15條指令："名稱"，"開始"，"準(zhǔn)備"，"跳舞"，"再來一曲"，"開始"，"向前走"，"倒退"，"右轉(zhuǎn)"，"左轉(zhuǎn)"，"準(zhǔn)備"，"向左瞄準(zhǔn)"，"向右瞄準(zhǔn)"，"發(fā)射"，"連續(xù)發(fā)射"。每條指令要訓(xùn)練兩遍。當(dāng)一條指令被正確識別時會提示進(jìn)入下一條；如沒有被識別會要求重復(fù)該指令，直到正確識別為止。
步驟三：如果訓(xùn)練成功則進(jìn)入語音識別狀態(tài)，如果訓(xùn)練沒有成功則重復(fù)訓(xùn)練。由于SPCE061A的FLASH存儲器只有32K，所以15條指令需要分組存放。在這里分成3組，每組5條指令。在不同組指令中交換需要根據(jù)觸發(fā)名稱，所以在識別狀態(tài)，要執(zhí)行動作首先需要觸發(fā)名稱，就是訓(xùn)練的第一條命令，然后可以識別第一組的其余四條命令。在觸發(fā)第一條指令，然后再觸發(fā)第二條指令，就可以識別第三條指令，參考下圖：
圖 4-6 機(jī)器人操作示意圖
步驟四：在機(jī)器人前進(jìn)、倒退、跳舞時，用手或其他物體靠近機(jī)器人前方，機(jī)器人會發(fā)出"HoHooHoHoo"的聲音，并停止動作，接著，向前方發(fā)射飛盤。
應(yīng)用SPCE061A外加電機(jī)驅(qū)動控制電路可以實現(xiàn)多個電機(jī)的控制，完成機(jī)器人的許多動作。配合超聲波傳感器等感測裝置，可以為機(jī)器人增加更多的功能。單片機(jī)愛好者可以自己制作電機(jī)驅(qū)動電路，選擇多式多樣的傳感器，發(fā)揮想象力制作出自己的機(jī)器人。