人工智能机器人---分析设计报告

课程：计算机组成原理

人

工

智

能

机

器

人

分析设计报告

院系：安徽工程大学机电学院

专业：计算机与软件工程系

班级：软件1409

组长：崔祥祥

组员：吴洁羽毛恒张金彪刘伟佳胡辉闫冰洁郑文杰时间： 2016-3-25

目录

功能分析 (3)

1.1 控制系统最小单元 (3)

1.2诺依曼体系工作原理 (5)

1.2.1冯诺依曼体系结构有以下特点： (5)

1.2.2硬件总体结构 (5)

1.2.2CPU与存储器的连接 (6)

1.3语音模块 (7)

1.3.1LD3320语音模块 (7)

1.4PWM控制 (8)

1.4.1 定时器+中断产生PWM (8)

1.5相关程序（以下代码仅作说明使用，本项目并不涉及该单片机） (13)

第二章总体软件 (16)

2.1Keil (16)

2.2STC_ISP (17)

2.3两款软件的主要作用 (18)

第三章模块软件 (19)

3.1 图形化控制软件 (19)

3.2单个舵机运动实例： (20)

功能分析

1.1 控制系统最小单元

该系统最小系统分为电路，模块，诺依曼体系工作原理三个部分。

我们着重讲的是运算器，控制器，存储器，输入输出系统的协作工作部分。

1.2诺依曼体系工作原理

1.2.1冯诺依曼体系结构有以下特点：

计算机处理的数据和指令一律用二进制数表示；

指令和数据不加区别混合存储在同一个存储器中；

顺序执行程序的每一条指令；

计算机硬件由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备五大部分组成。

冯诺依曼体系结构的计算机必须具有如下功能：

把需要的程序和数据送至计算机中；

必须具有长期记忆程序、数据、中间结果及最终运算结果的能力；能够完成各种算术、逻辑运算和数据传送等数据加工处理的能力；能够根据需要控制程序走向，并能根据指令控制机器的各部件协调操作；

能够按照要求将处理结果输出给用户。

1.2.2硬件总体结构

1.2.2CPU与存储器的连接

中央处理器CPU：地址线20位数据线8位，运算和控制功能

内部RAM：128K，选用4片32K*8位存储器

内部ROM：16K 选用1片16K*8位存储器

定时/计数器：两个16位的定时/计数器，实现定时或计数功能。

串行口：一个全双工串行口。

时钟电路：可产生时钟脉冲序列

并行口：提供若干并行接口，供编程或拓展使用

1.3语音模块

1.3.1LD3320语音模块

支持SPI接口和并行接口的非特定语音识别模块,板载咪头和有源晶振，方便在电子产品中实现语音识别、声控和人机对话功能。

产品特性：

高准确度和实用的语音识别效果。

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式传送进芯片，即可以在下次识别中立即生效。比如，用户在51等MCU的编程中，简单地通过设置芯片的寄存器，把诸如"你好"这样的识别关键词的内容动态地传入芯片中，芯片就可以识别这样设定的关键词语了。

支持用户自由编辑50条关键词：在同一时刻，最多在50条关键词语中进行识别，终端用户可以根据场景需要，随时编辑和更新这50条

关键词语的内容。

参数：

工作电压：3.3V

省电模式电流：1uA

1.4PWM控制

1.4.1 定时器+中断产生PWM

在机器人机电控制系统中，舵机控制效果是性能的重要影响因素。舵机可以在微机电系统和航模中作为基本的输出执行机构，其简单的控制和输出使得单片机系统非常容易与之接口。

舵机是一种位置伺服的驱动器，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的控制系统。其工作原理是：控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将

获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

舵机的控制要求

舵机的控制信号是PWM信号，利用占空比的变化改变舵机的位置。一般舵机的控制要求如图所示。

单片机实现舵机转角控制

可以使用FPGA、模拟电路、单片机来产生舵机的控制信号，但FPGA成本高且电路复杂。对于脉宽调制信号的脉宽变换，常用的一种方法是采用调制信号获取有源滤波后的直流电压，但是需要50Hz(周期是20ms)的信号，这对运放器件的选择有较高要求，从电路体积和功耗考虑也不易采用。5mV以上的控制

电压的变化就会引起舵机的抖动，对于机载的测控系统而言

电源和其他器件的信号噪声都远大于5mV，所以滤波电路的精

度难以达到舵机的控制精度要求。

也可以用单片机作为舵机的控制单元，使PWM信号的脉冲宽度实现微秒级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成

控制算法，再将计算结果转化为PWM信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。

单片机系统实现对舵机输出转角的控制，必须首先完成两

个任务：首先是产生基本的PWM周期信号，本设计是产生20ms 的周期信号；其次是脉宽的调整，即单片机模拟PWM信号的输出，并且调整占空比。

当系统中只需要实现一个舵机的控制，采用的控制方式是

改变单片机的一个定时器中断的初值，将20ms分为两次中断执行，一次短定时中断和一次长定时中断。这样既节省了硬件电路，也减少了软件开销，控制系统工作效率和控制精度都很高具体的设计过程：例如想让舵机转向左极限的角度，它的

正脉冲为2ms，则负脉冲为20ms-2ms=18ms，所以开始时在控制口发送高电平，然后设置定时器在2ms后发生中断，中断发生后，在中断程序里将控制口改为低电平，并将中断时间改为

18ms，再过18ms进入下一次定时中断，再将控制口改为高电平，并将定时器初值改为2ms，等待下次中断到来，如此往复实

现PWM信号输出到舵机。用修改定时器中断初值的方法巧妙形成了脉冲信号，调整时间段的宽度便可使伺服机灵活运动。

为保证软件在定时中断里采集其他信号，并且使发生PWM信号的程序不影响中断程序的运行(如果这些程序所占用时间过长，有可能会发生中断程序还未结束，下次中断又到来的后果)，所以需要将采集信号的函数放在长定时中断过程中执行，

也就是说每经过两次中断执行一次这些程序，执行的周期还是20ms。软件流程如图

产生PWM信号的软件流程

如果系统中需要控制几个舵机的准确转动，可以用单片机

和计数器进行脉冲计数产生PWM信号。

脉冲计数可以利用51单片机的内部计数器来实现，但是从

软件系统的稳定性和程序结构的合理性看，宜使用外部的计数

器，还可以提高CPU的工作效率。实验后从精度上考虑，对于FUTABA系列的接收机，当采用1MHz的外部晶振时，其控制电压幅值的变化为0.6mV，而且不会出现误差积累，可以满足控制

舵机的要求。

1.5相关程序（以下代码仅作说明使用，本项目并不涉及该单片机）

伪代码程序名：输出固定频率的PWM波

晶振：11.00592 MHz CPU

功能：P2^0口输出周期为1ms(1000HZ),占空比为%80的PWM波

#define uint unsigned int

#define uchar unsigned char

sbit PWM1=P2^0;//接IN1 控制正转

sbit PWM2=P2^1;//接IN2 控制反转

uchar time;

void main()

{

TMOD=0x01;//定时器0工作方式1

TH0=0xff;//(65536-10)/256;//赋初值定时

TL0=0xf7;//(65536-10)%256;//0.01ms

EA=1;//开总中断

ET0=1;//开定时器0中断

TR0=1;//启动定时器0

while(1)

{

}

}

void delay(uint z)

{

uint x,y;

for(x=z;x>0;x--)

for(y=500;y>0;y--);

}

void tim0() interrupt 1

{

TR0=0;//赋初值时，关闭定时器

TH0=0xff;//(65536-10)/256;//赋初值定时

TL0=0xf7;//(65536-10)%256;//0.01ms

TR0=1;//打开定时器

time++;

if(time>=100) time=0;//1khz

if(time<=20) PWM1=0;//点空比%80

else PWM1=1;

PWM2=0;

}

程序说明：

1、关于频率的确定：对于11.0592M晶振，PWM输出频率为1KHZ,

此时设定时器0.01ms中断一次，时中断次数100次即为1KHZ( 0.01ms*100=1ms，即为1000HZ)此时，定时器计数器赋初值为TH0=FF,TL0=F7。

2、关于占空比的确定：此时我们将来time的值从0－100之间进行改变，就可以将占空比从%0－%100之间进行变化，上面程序中time<=20时PWM1=0; else PWM1=1;意思就是%20的时间输出低电平，%80的时间输出高电平，即占空比为%80。如需得到其它占空比，如%60，只需将time的值改为40即可。（程序为if(time<=40) PWM1=0;else PWM1=1;）

当然编写程序时也可以定义一个标志位如flag，根据flag的状态决定输出高平还是低电平，假设定义flag=1的时候输出高电平，用一个变量去记录定时器中断的次数，每次中断就让记录中断次数的变量+1，在中断程序里面判断这个变量的值是否到了n ，如果到了说明高电平的时间够了，那么就改变flag为0，输出低电平，同时记录中断变量的值清零，每次中断的时候依旧+1，根据flag=0的情况跳去判断记录变量的值是否到了n' 如果到了，说明PWM的低电平时间够了，那么就改flag=1，输出改高电平，同时记录次数变量清零，重新开始，如此循环便可得到你想要的PWM波形.

第二章总体软件

2.1Keil

从这个项目本身考虑，必须是可编程的，所以采用keil

可以生成..hex结尾的文件

Hex 全称（Intel HEX）文件是由一行行符合Intel HEX文件格式的文本所构成的ASCII文本文件。在Intel HEX文件中，每一行包含一个HEX记录。这些记录由对应机器语言码和/或常量数据的十六进制编码数字组成。Intel HEX文件通常用于传输将被存于ROM或者EPROM中的程序和数据。大多数EPROM编程器或模拟器使用Intel HEX文件。

2.2STC_ISP

烧制程序

说明：当然以上软件的使用的前提是使用一款支持的单片机，但是项目的要求不可以使用单片机，所以我们整体项目是理论性的。

2.3两款软件的主要作用

Keil uVision3是程序编译软件,比如你写的单片机的汇编程序或者C 程序,由这个软件翻译成.HEX的16进制的机器代码,如果没有这个的话,你就要自己去编排,早期的单片机编程器里有机器语言的,后来全部使用这种翻译程序了.

STC-ISP是STC系列单片机的烧写程序,就是把你之前生存的那

个.HEX文件发送给单片机,有单片机的ISP程序写入到单片机内部,形成单片机的可执行程序.

第三章模块软件

3.1 图形化控制软件

类似于下面这款软件

可以直接操作舵机偏转角度，并将相应指令生成文件，可以下载到控制器。

3.2单个舵机运动实例：

#5 P1600 S750

通道5将以750us/秒的速度移动到1600us位置。为了更好的理解速度这个概念，举个例子，当舵机从-90度到0度时，脉冲宽度为1ms 时间即1000us，也就是说1000us脉冲宽度舵机就会转90度，那么100us/秒的速度就表示舵机花10秒的时间就可以转到90度，2000us/秒的速度就表示舵机花0.5秒的时间就可以转到90度。公式：运行时间（秒）=脉冲宽度（us）/速度（us/秒）。

#5 P1600 T1000

通道5将在1秒内从任何位置移动到1600us位置。

舵机群运动实例：

#5 P1600 #10 P750 T2500

通道5移动到1600us位置，通道10移动到750us的位置，2个都同时在2500us内完成，这个命令能协调多个舵机的速度，即使2个舵机的初始位置相差很远，都可以使他们同时开始转动并同时停止到指定位置上。这条命令非常适合人形双足机器人多舵机同时运动，可自