机械臂智能语音控制设计

摘要

机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来已久。上世纪7()

年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之

进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿

生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是

当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。

设计了一种基于STM32F103C8t6语音识别的四自由度机械手智能控制系统，该控制系统

是通过语音控制下降、抓取、上升、放下等功能。软件部分以MDK作为开发环境，运用C语

言作为编程语言，对GPIO口进行高低电平控制实现机械手的功能。最后通过上位机软件(奇

点机器人)进行调试以及功能的实现。该系统操作简单、效率高，对于工业机器人的研发有一

定的参考价值。

关键词：自由度机械手；语音控制；奇点机器人；智能控制

ABSTRACT

Robotisoneofthegreatestinventionsofhumanbeingsinthe20thcentury.Humanbeingshave

beenstudyingrobotforalongtime.Afterthe1970s,therapiddevelopmentofcomputertechnology,

controltechnology,sensortechnologyandartificialintelligencetechnology,roboticshasalsoentered

astageofrapiddevelopment,becomingacombinationofcomputer,cybernetics,mechanismscience,

informationandsensortechnology,artificialintelligence,bionicsandotherdisciplinesandthe

formationofhigh-tech.Itsessenceisthesynthesisofperception,decision,actionandinteractionof

fourmajortechnologies,contemporaryresearchisveryactive,increasinglywidelyusedfield.

Afour-degree-of-freedommanipulatorintelligentcontrolsystembasedonSTM32F103C8t6

speechrecognitionisdesigned.Thecontrolsystemiscontrolledbyspeechtodescend,grab,rise,

dropandotherfunctions.ThecontrolpartmainlyusesSTM32F103C8t6asthecorecontrolunit,and

thehandheldboardusesSTM32F103C8t6asthecoreboard.Thetwobaseboardsareindependently

developed,designedanddebuggedaccordingtotherequiredfunctions.Inthesoftwarepart,MDKis

usedasthedevelopmentenvironmentandClanguageisusedastheprogramminglanguagetocontrol

thehighandlowlevelofGPIOporttorealizethefunctionofmanipulator.Finally,throughtheupper

computersoftware(singularityrobot)debuggingandfunctionrealization.Thesystemissimpleand

efficient,andhascertainreferencevaluefortheresearchanddevelopmentofindustrialrobots.

Keywords:STM32F103C8t6;Fourdegreesoffreedommanipulator;Voicecontrol;Singularity

robot;Intelligentcont

目录

第1章绪论......................................................................1

1.1研究目的及意义............................................................1

1.2国内外研究现状............................................................1

1.3主要研究内容..............................................................3

第2章系统总体结构..............................................................4

2.1设计方案..................................................................4

2.2单片机型号选择............................................................4

2.3语音模块型号选择..........................................................5

2.4红外避障模块型号选择......................................................6

2.5蓝牙模块型号选择.........................................................6

第3章系统的的硬件部分设计......................................................8

3.1系统总体设计.............................................................8

3.2系统的主要功能模块设计...................................................9

3.2.1红外模块电路设计...................................................9

3.2.2舵机模块设计........................................................9

3.2.3按键电路模块设计..................................................10

3.2.4LD3320语音模块设计................................................10

3.2.5蓝牙模块电路设计..................................................11

第4章系统的软件设计...........................................................12

4.1软件主流程图............................................................12

4.2按键电路模块设计.........................................................13

4.3舵机模块软件设计........................................................14

4.4红外模块软件设计........................................................14

4.5语音模块软件设计.........................................................15

4.6蓝牙模块软件设计.........................................................17

第5章系统测试.................................................................19

5.1系统实物图...............................................................19

5.2测试原理................................................................19

5.3机械功能模块测试.........................................................21

in

第6章总结与展望...............................................................23

6.1总结.....................................................................23

6.2展望.....................................................................23

参考文献........................................................................24

致谢...........................................................

附录............................................................................25

IV

第1章绪论

1.1研究目的及意义

机器人是二十世纪人类最伟大的发明之一，人类对于机器人的研究由来己久。上世纪70

年代之后，计算机技术、控制技术、传感技术和人工智能技术迅速发展，机器人技术也随之

进入高速发展阶段，成为综合了计算机、控制论、机构学、信息和传感技术、人工智能、仿

生学等多门学科而形成的高新技术。其本质是感知、决策、行动和交互四大技术的综合，是

当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域⑴。

机器人应用水平是一个国家工业自动化水平的重要标志。机器人技术的研究在经历了第

一代示教再现型机器人和第二代感知型机器人两个阶段之后进入第三代智能机器人的发展阶

段。机械臂是在自动化生产过程中使用的一种具有抓取和移动工件功能的自动化装置，它是

在机械化、自动化生产过程中发展起来的一种新型装置。近年来，随着电子技术特别是电子

计算机的广泛应用，机器人的研制和生产已成为高技术领域内迅速发展起来的一门新兴技术,

它更加促进了机械臂的发展，使得机械臂能更好地实现与机械化和自动化有机结合⑵。机械臂

能代替人类完成危险、重复枯燥的工作，减轻人类劳动强度，提高劳动生产率。机械臂越来

越广泛地得到了应用，在机械行业中它可用于零部件组装，加工工件的搬运、装卸。

1.2国内外研究现状

由于机械臂使用安全、可靠，可以在高温、震动、易燃、易爆、多尘埃、强磁、辐射等恶

劣环境下工作。而机械臂作为机械手的一种，它具有结构简单、重量轻、动作迅速、平稳、

可靠、节能和不污染环境、容易实现无级调速、易实现过载保护、易实现复杂的动作等优点。

所以，机械臂被广泛应用于汽车制造业、半导体及家电行业、化肥和化工，食品和药品的包

装、精密仪器和军事工业等。

机器人主要分为两类:工业机器人以及其他特种机器人，自1962年美国推出世界上第一

台unimale型和versatra型工业机器人以来，机器人在工业发达国家得到了迅速发展。根据国

际工业机器人联合会(ifr)前几年的统计全世界工业机器人的总数达到82万台，比1996年增

加24%。其中日本拥有42万台，占全世界机器人总数的50%左右，继续保持“机器人王国”的

地位。除日本外，世界上还有许多工业发达国家，如美国、前苏联和西欧一些国家的机器人

产业也发展得很快。例如，在美国，2010—2020年间的机器人台数增加20倍以上。尽管美国

所拥有的机器人在台数上不如日本，但其技术水平较高，占有一定的优势。在亚洲，韩国的

机器人产业发展也很迅速，现排名世界前列网。而日本、韩国和新加坡的机器人密度(即制造

业中每万名雇员占有的工业机器人数量)居世界第1-3位，包揽了前三名。与机器进行语音交

流，让机器明白你说什么，这是人们长期以来梦寐以求的事情。近年来，语音识别技术取得

显著进步，并开始从实验室走向市场。能语音识别的机器人可应用于家居生活方面，如语音

控制的扫地机器人，智能玩具等。方便了人们的生活。也有应用于医疗保健领域，为老人、

残疾人提供更方便、智能、安全的出行工具。具有切实的可用性。本项目可实现控制者通过

语音控制机械臂小车实现预设动作，其能根据开始语音训练录制的语音命令来控制其前进、

倒退、左转、右转和停止。

2023年，阿萨夫•哈多尼发表了《Usingtheexample-basedvoicerobotdevelopment

technologytoupdatethetrainedvoicemachined01.一种用一个或多个处理器实施的方法，所述

方法包括：经由机器人开发系统识别与第三方相关联的受训练语音机器人和用于训练所述受

训练语音机器人的训练实例的语料库；经由所述语音机器人开发系统获得所述受训练语音机

器人的语音机器人活动，其中，所述语音机涔人活动包括在代表所述第三方的所述受训练语

音机器人与对应人类之间的多个先前进行的会话，并且其中，所述先前进行的会话中的每个

先前进行的会话包括至少对应会话和所述对应会话的一个或多个部分的对应先前上下文；经

由所述语音机器人开发系统并且基于处理所述多个先前进行的会话来识别所述受训练语音机

器人的给定行为错误；经由所述语音机器人开发系统并且基于所述受训练语音机器人的所述

给定行为错误来确定涉及校正所述受训练语音机器人的所述给定行为错误的动作；以及基于

涉及校正所述受训练语音机器人的所述给定行为错误的所述动作，经由所述机器人开发系统

的用户界面使通知被呈现给第三方开发人员，其中，所述第三方开发人员与所述受训练语音

机器人相关联。实施方案涉及更新被部署用于代表第三方进行会话的受训练语音机器人。第

三方开发人员可以与语音机器人开发系统交互，语音机器人开发系统使第三方开发人员能够

训练、更新、验证和监测受训练语音机器人的性能。在各种实施方案中，可以通过更新最初

用于训练语音机器人的训练实例的语料库并且基于更新的语料库更新受训练语音机器人来更

新受训练语音机器人。在一些实施方案中，当代表第三方进行会话时，可以响应于识别到受

训练语音机器人的行为错误的发生而更新训练实例的语料库。在额外或替代实施方案中，可

以响应于确定受训练语音机器人不包括期望行为而更新训练实例的语料库。

2023年，余甜发表了《一种智能语音助手机器人》。1.一种智能语音助手机器人，包括

机器本体，其特征在于：所述机器本体(1)的上端安装有驱动电机，所述驱动电机的输出轴连

接有保护壳，所述保护壳内部安装有摄像头，所述保护壳的外壁对称安装有语音接收器，所

述机器本体(1)的两侧均安装有语音播放器，所述机器本体的下端设置有机器底座，口机器底

座的内部安装有吸尘器，所述机器底座的下表面开设有供多组吸尘管插接的圆槽，所述吸尘

器吸管分别与多组吸尘管相连通，所述机器底座的侧壁插接有储尘盒，且储尘盒内设置有集

尘槽，所述吸尘器与储尘的集尘槽相连通，所述机器本体的一侧通过两组合页较接有收纳盖，

所述机器本体的内部开设有储存槽，且储存槽内安装有中央处理器。本实用新型公开了一种

智能语音助手机器人，包括机器本体，所述机器本体的上端安装有驱动电机，所述驱动电机

的输出轴连接有保护壳；通过摄像头、语音播放器和语音接收器，具有人脸识别功能和语音

交互功能，增加功能多样性，方便学者使用，同时收纳腔和收纳盖，便于存放书籍，增加实

2

用性，采用触摸显示屏和中央处理器，方便学者进行操作，并且在断网情况下，中央处理器

内的数据库也会回答大部分问题，同时机器人底座，通过吸尘器与多组吸尘管对周围进行卫

生打扫，可以减少学者做家务时间，增加学习时间，并且为学者提供一个良好的学习环境，

功能多种多样，可以满足用户的不同需求。

2023年，林大威发表了《机器人及语音识别设备》。1.一种机器人，在基准平面内建立

由X轴、Y轴构成的坐标系，其特征在于，包括：转动体(1),所述转动体(1)上设置有呈角度

设置的第一表面(11)和第二表面(12)：所述转动体(1)被构造绕X轴线在第一位置、第二位置之

间转动；第一拾音组件(2),所述第一拾音组件(2)包括在所述第一表面(11)上呈非线性分布的

至少三个第一麦克风(21)⑷；第二拾音组件(3),所述第二拾音组件(3)包括在所述第二表面(12)

上线性排列的至少两个第二麦克风(31)；位于第一位置时，至少两个第一麦克风(21)在X轴方

向上分布,至少两个第一麦克风(21)在Y轴方向上分布;所述第一拾音组件(2)被配置在X轴、

Y轴方向定位声源；位于第二位置时，至少两个第一麦克风(21)在X轴方向上分布，至少两

个第二麦克风(31)在Y轴方向上分布⑸;所述第一拾音组件⑵被配置为在X轴方向定位声源；

所述第二拾音组件(3)被配置为在Y轴方向上定位声源。木公开提供了一种机器人及语音识别

设备，机器人包括转动体、第一拾音组件和第二拾音组件，转动体上设置有呈角度设置的第

一表面和第二表面；转动体被构造绕X轴线在第一位置、第二位置之间转动；第一拾音组件

包括在第一表面上呈非线性分布的至少三个第一麦克风；第二拾音组件包括在第二表面上线

性排列的至少两个第二麦克风；位于第一位置时，第一拾音组件被配置在X轴、Y轴方向定

位声源；位于第二位置时，第一拾音组件被配置为在X轴方向定位声源；第二拾音组件被配

置为在Y轴方向上定位声源。机器人的转动体在第一位置、第二位置时均能够在X轴、Y轴

方向上准确地定位声源位置，提高了机器人的智能性⑹。

1.3主要研究内容

本系统由硬件设计和程序设计两部分构成。硬件设计分为协调器和终端设计。协调器包

含主控制单片机及其最小系统、电源电路设计、蓝牙设计、语音模块电路设计、红外电路设

计；终端包含主控制单片机及其最小系统、电源电路设计、传感器接口电路设计。

本次设计功能：基于STM32单片机开发设计，通过控制相关传感器，完成智能语音控制

机械臂设计；一个是小车部分，2个电机连接车轮，实现前后运动，以及转弯运动。小车上面

安装机械臂，机械臂臀包括一个云台可以进行旋转。

3

第2章系统总体结构

2.1设计方案

基于STM32单片机开发设计，通过控制相关传感器，完成智能语音控制机械臂设计，系

统由硬件程序和软件程序两部分构成。硬件设计分为协调器和终端设计。包括LD3320语音

模块、L298N电机驱动、TCRT5000传感器、ZL-BT18双模蓝牙;软件程序使用kei115编写；

(1)硬件部分主要包括LD3320语音模块、L298N电机驱动、TCRT5000传感器、ZL-

BT18双模蓝牙；

(2)软件平台程序用keil5;

(3)画原理图用AD;

(4)编程语言用C语言；

(5)设计结构框图。

2.2单片机型号选择

主控芯片选用STM32单片机。TM32F103C8t6是由意法半导体和半导通集团基于STM3

2系列ARMCo的rtex-m内核开发的具有一个64k3b程序内存存储两个微控制器。需用其

做功时为2v~36V电压和-4()℃~85℃环境温度。该系列微控制器常用于低成本、高性能和低

功耗的嵌入式应用，其在功耗和集成度上也表现出良好的性能。由于其方便的工具和简单的

结构以及强大的组合功能，在行业中都很受欢迎。

4

图2・1STM32单片机

2.3语音模块型号选择

LD3320芯片是一款“语音识别”芯片，集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、

DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等。LD3320不需要外接任何的辅助芯片如Flash.

RAM等，直接集成在LD3320中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。并且，识别的关

键诃语列表是可以任意动态编辑的。

图2-2LD3320语音芯片

5

2.4红外避障模块型号选择

模块选择TCRT5（X）（）传感滞。传感器模块对环境光的适应能力强，有一对红外线收发

管，红外线能发出一定频率的红外线。感知方向遇到障碍物时（表面反射）红外线再次反射到

接收管。经过比较电路处理后，绿色指示灯将亮起。同时，信号输出与数字输出信号（低级

别信号）连接。可以通过电位差计novc调整感应距离。有效距离范围为2-30厘米，工作电

压为3.3v-5v。传感器感知距离可以用电位差计调节，干涉小，组装方便，使用方便，具有

其他特性，可广泛应用于机器人避障，避障汽车，管道强度及黑白线追踪等许多情况。

图2-2TCRT5000传感器

2.5蓝牙模块型号选择

通常使用的蓝牙模块型号包括ZL-BT18,HC-05、HC-06、HM-10、ESP32等。因此，

建议根据项目需求重新选择一个常用的蓝牙模块型号。

功能和兼容性：在选择蓝牙模块时，确保它具有与STM32F103c8T6兼容的通信接口，

并且支持所需的蓝牙通信协议（如经典蓝牙或低功耗蓝牙）。另外，确保蓝牙模块具备稳定

的性能和与其他设备的良好兼容性。

开发环境和编程语言：考虑到使用MDK作为开发环境，选择一个蓝牙模块，其供应商

应该提供相应的开发工具和库，以便与MDK进行集成和编程。确保可以使用C语言进行编

程，并能够通过GPIO口进行控制。

文档和支持：选择一个蓝牙模块时，确保供应商提供详细的文档和示例代码，以便能够

快速集成和开发。检查供应商的技术支持和社区论坛是否活跃，这将对开发过程和问题解决

提供帮助。

综上所述，选择一个常用的蓝牙模块型号ZL-BT18,并确保其与STM32F103c8T6兼

容，并提供适用于MDK开发环境的开发工具和库。通过仔细评估蓝牙模块的功能、兼容

性、文档和支持，将能够顺利集成蓝牙功能，实现基于语音识别的智能机械手控制系统的远

6

程控制和通信功能。

图2-3蓝牙传感器

7

第3章系统的的硬件部分设计

3.1系统总体设计

本次设计功能：基于STM32单片机开发设计，通过控制相关传感器，完成智能语音控制

机械臂设计，显示当前时间等：一个是小车部分，2个电机连接车轮，实现前后运动，以及转

弯运动。小车上面安装机械臂，机械臂臀包括一个云台可以进行旋转.

(1)硬件部分主要包括LD3320语音模块、L298N电机驱动、TCRT5000传感器、ZL-

BT18双模蓝牙；

(2)软件平台程序用keil5;

(3)画原理图用AD;

(4)编程语言用C语言；

(5)设计结构框图.

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PWM舵机接口

图3-1总体原理图

8

3.2系统的主要功能模块设计

3.2.1红外模块电路设计

传感器模块对环境光的适应能力强，有一对红外线收发管，红外线能发出一定频率的红

外线。感知方向遇到障碍物时（表面反射）红外线再次反射到接收管。经过比较电路处理后，

绿色指示灯将亮起。同时，信号输出接口可以输出数字信号（低级别信号），并通过电位差计

nove调整感知距离。有效距离范围为2-3（）厘米，工作电压为3.3v-5V。传感器感知距离可

以用电位差计调节，干涉小，组装方便，使用方便，具有其他特性，可广泛应用于机器人避

障，避障汽车，管道强度及黑白线追踪等许多情况。

IR1

IR

1

GND«|----2--

5V0------3

PH2.0-3P

图3-2红外传感器电路图

3.2.2舵机模块设计

舵机是适合相应控制系统的位置伺服驱动，需要持续改变角度并维持。在飞机，潜艇，

高级遥控玩具中，舵机被广泛使用。

舵机主要由驱动马达，减速器和定位部件组成。启动原理是接收器向转向齿轮发送信号，

通过电路板的1C驱动非中心马达开始旋转，通过减速齿轮传送到摇摆臂，同时通过发送后方

信号的位置感知器判断是否到达位置。定位器其实是可变电阻。当方向盘旋转时，阻力值也

会随之变化。通过检测电阻值可以知道旋转角。一般的伺服马达都绕着三极转子周围的细铜

线。电流通过线圈时产生磁场，该磁场将磁铁释放到转子外面，产生回转力。根据物理学原

理，物体的惯性力矩与质量成比例，所以质量越大的物体旋转所需要的力就越大。为了获得

快速和低电力消耗，调向器将微细的动线绕在极薄的空心汽缸中，形成极轻的重量，并将磁

铁放入汽缸中，这就是空心杯马达。为了适应不同的工作环境，有装置的防水和防震设计;并

且根据不同的荷重要求，调香装置的齿轮有塑料和金属的区别。金属齿轮的操纵装置一般具

有扭力高、速度快，齿轮不会因超负荷而折断的优点。

9

P3

gnd'ilHnH-胪

图3-3舵机原理图

3.2.3按键电路模块设计

本系统用到了2个按键，其中一个用作系统手动复位，另外1个采用独立按键，该种接

法查询简单，程序处理简单，可节省CPU资源，2个独立按键分别与单片机的两个接口相连。

原理图如下所示c

图3-4按键电路模块设计

3.2.4LD3320语音模块设计

LD3320芯片是一款“语音识别”芯片，集成了语音识别处理器和一些外部电路，包括AD、

DA转换器、麦克风接口、声音输出接口等。LD3320不需要外接任何的辅助芯片如Flash、

RAM等,直接集成在LD3320中即可以实现语音识别/声控/人机对话功能。并且，识别的关

键词语列表是可以任意动态编辑的。

10

3.2.5蓝牙模块电路设计

ZL-BT18双模蓝牙，遵循蓝牙4.2标准协议的双模蓝牙模块(Dual-Mode)同时支持BT3.0

Classic和BT4.2BLE模式。

ZL-BT18模块应用于无线数据传输领域，采用BT42.蓝牙芯片+PCB印制天线设计，SOC

芯片内嵌BT42.Dual-Mode协议栈，支持Windows、Linux、Android等系统的数据传输与应用

具有工业设计、传输距离远、数据稳定、操作简单、性价比高以及技术领先优势。

=$8

O4D

蓝牙电路

图3-6蓝牙模块设计

11

第4章系统的软件设计

4.1软件主流程图

当全部系统软件通电时，首先进行的是单片机的初始化，成功后下位机模块通过收集现

阶段环境和距离，在精确测量环境、环境的距离和后，数据采集模块将传输数据到主控制板。

控制器依据读取到的温数据信息和控制参数作出分辨。假如当场检测获得的主要参数在系统

要求范畴内，则回到检测控制模块再次下一轮检测。假如检测到现阶段环境中的数据超出控

制参数，便会运行相对应的机器设备，依照预置的操控方式，舵机对其做出相对应的操作。

如图所示。

图4-1整体流程图

12

4.2按键电路模块设计

按钮开关的工作原理其实很简单。具体来说，当我们按下按钮开关的按钮时，它的碎片

会因弹性作用而变形，焊接坐垫会向下触碰，开关的4个别针成功连接，实现电路连接。如

果去掉外力，碎片就会回到原来的状态，由于别针连接不上，电路就会关闭。

当单片机初始化完成后，通过触摸按键传感器，系统可正常开始工作。其中分别负责开

始和停止功能。流程图如下。

图4-2按键模块工作流程图

13

4.3舵机模块软件设计

当系统初始化完成后，开始正常工作。下位机的PWM舵机将接受来自于上位机的信号,

随后不同位置的舵机将根据指令做不同的转动。以此来完成手臂的运动工作。流程图如下。

图4-3舵机模块软件设计

4.4红外模块软件设计

系统初始化：当全部系统软件通电时，首先进行的是单片机的初始化。这包括设置引脚、

配置外设和初始化必要的变量等操作，以确保单片机正确运行。

环境数据采集：下位机模块通过红外模块收集当前阶段的环境数据和距离信息。红外模

块可能用于检测温度、距离等参数。这些数据可以帮助了解当前环境的状态。

数据传输：收集到的环境数据和距离信息将通过数据采集模块传输到主控制板。这可以

通过串口通信或其他合适的通信方式来实现。

控制参数分析：主控制板接收到数据后，根据读取到的温度数据信息和控制参数进行分

析。控制参数可能包括预设的阈值或范围，用于判断环境数据是否在系统要求的范围内。

判断环境状态：如果检测到当前环境参数在系统要求范围内，系统将返回检测控制模块，

进入下一轮检测。这意味着环境状态正常，不需要采取特殊操作。

执行机器设备操作：如臭检测到当前环境参数超出控制参数的范围，主控制板将运行相

14

应的机器设备，并根据预置的控制方式控制舵机等执行相应的操作。这可以包括根据温度变

化控制风扇或根据距离控制电机等。

综上所述，该系统的软件设计包括系统初始化、环境数据采集、数据传输、控制参数分

析、判断环境状态和执行机器设备操作等步骤。红外模块用于收集环境数据，并根据数据的

范围进行相应的操作。这种设计可以实现对环境的精确测量和控制，具有一定的应用价值。

图4-4红外模块软件设计

4.5语音模块软件设计

初始化语音模块：在系统启动时:首先进行语音模块的初始化。这包括设置通信接口（如

串口或SPI）、配置模块参数和初始化相关变量等。

音频采集：语音模块通常包含一个麦克风或音频输入接口，用于采集声音信号。通过配

置合适的参数，启动音频采臬功能，并将采集到的音频数据存储到缓冲区中。

预处理：对采集到的音频数据进行预处理，以提高语音识别的准确性。预处理步骤可以

包括降噪、滤波、增益调整等，以消除背景噪音和增强语音信号。

特征提取：从预处理的音频数据中提取语音特征,常用的特征提取方法包括短时能量、

15

过零率、梅尔频率倒谱系数（MFCC）等。这些特征将用于后续的语音识别处理

语音识别：基于提取的语音特征，使用适当的语音识别算法进行语音识别处理。这可以

是基于隐马尔可夫模型（HMM）、深度学习模型（如循环神经网络或卷积神经网络）等。

命令解析：根据识别到的语音结果，进行命令解析。根据预先定义的命令词或语法规则，

将识别结果与命令进行匹配，以确定用户的意图和要执行的操作。

执行操作：根据解析得到的命令，执行相应的操作。这可能涉及控制其他设备、触发动

作或发送指令等。

循环处理：上述步骤循环执行，以实现实时的语音识别和操作响应。

需要注意的是，具体的语音模块软件设计可能涉及到选择适合的语音识别算法和库、优

化算法的计算效率、处理多种语言或方言等方面的考虑。此外，还可能需要考虑语音模块与

其他系统组件的接口和通信方式。因此，上述示例仅提供了一个概览，并可能需要根据具体

要求进行进一步的定制和优化。

图4-5语音模块软件设计

16

4.6蓝牙模块软件设计

初始化蓝牙模块：在系统启动时，首先进行蓝牙模块的初始化。这包括设置通信接口（如

串口或SPI）、配置模块参数和初始化相关变量等。

蓝牙连接：启动蓝牙模块的扫描功能，寻找周围可用的蓝牙设备。一旦发现目标设备，

建立与其的蓝牙连接。连接建立后，可以进行数据传输和通信。

数据传输：通过蓝牙连接进行数据传输。可以使用串口数据透传方式，将需要传输的数

据发送到蓝牙模块的发送缓冲区，然后蓝牙模块将数据通过蓝牙链路发送给目标设备。同时，

也可以接收来自目标设备的数据，蓝牙模块将接收到的数据存储在接收缓冲区中。

数据处理：从接收缓冲区中读取接收到的数据，并进行相应的处理。这可能包括解析数

据内容、执行相应的操作、更新系统状态等。处理后的数据可以通过发送缓冲区发送给目标

设备作为响应或反馈。

错误处理：在数据传输和处理过程中，可能会出现错误或异常情况，如通信中断、超时

等。在这种情况下，需要进行错误处理，例如重新连接、重新发送数据等。

事件驱动：蓝牙模块可能支持事件驱动机制，通过注册回调函数来处理特定的事件，例

如连接状态变化、接收到新数据等。可以在回调函数中实现相应的处理逻辑。

循环处理：上述步骤循环执行，以实现实时的蓝牙数据传输和处理。

需要注意的是，具体的蓝牙模块软件设计可能涉及到选择适合的蓝牙协议栈和库、优化

数据传输效率、处理连接管理、实现安全机制等方面的考虑。此外，还可能需要考虑蓝牙模

块与其他系统组件的接口和通信方式。因此，上述示例仅提供了一个概览，并可能需要根据

具体要求进行进一步的定制和优化。

17

图4-5蓝牙模块软件设计

18

第5章系统测试

5.1系统实物图

图5-1系统完整实物图

5.2测试原理

连接测试；启动系统和蓝牙模块，并确保目标设备处于可连接状态。执行蓝牙连接操作，

确认是否成功建立蓝牙连接。检查连接状态，确保连接正常稳定。

数据传输测试：启动系统和蓝牙模块，并确保已建立蓝牙连接。向目标设备发送测试数

据，例如字符串或命令。监视接收缓冲区，确保正确接收目标设备的响应数据。比对发送和

接收的数据，确保数据传输的准确性。

异常处理测试：模拟通信中断、超时等异常情况，例如暂时关闭目标设备或断开蓝牙连

接。观察系统的异常处理能刀，例如重新连接、恢复数据传输等。确认系统能够正确处理异

常情况，并回到正常的工作状态。

19

事件驱动测试：注册回调函数来处理特定的事件，例如连接状态变化、接收到新数据等。

模拟相应的事件，例如连接状态变化或接收到数据。观察回调函数是否被正确触发，并检查

处理逻辑是否正确执行。

性能测试:测试数据传输的速度和延迟，通过发送大量数据并测量传输时间来评估性能。

测试并记录连接的最大有效距离，以评估蓝牙模块的传输范围。检查系统资源占用情况，例

如内存和处理器使用情况，以确保系统的稳定性和可靠性。

兼容性测试：确保睹牙模块与目标设备之间的兼容性，包括协议和版本兼容性。测试与

不同类型的设备和操作系统的互操作性，例如手机、平板电脑等。

安全性测试（如果适用）：测试蓝牙连接的安全性，例如加密和认证机制。检查系统的

防护措施，防止未授权的访问或数据泄露。

根据具体的软件设计和系统要求，可以进一步完善和扩展上述测试计划，并制定相应的

测试用例和测试步骤。在测试过程中，记录测试结果、问题和改进建议，并根据需要进行调

整和优化。

图5-2上位机

20

图5-3下位机

如图5-2和5-3。点击上位机上方开启服务器后，手动设置上位机中声音大小、颜色识别、

语音识别。并观察到了上方有语音识别传模块、红外传感器所获得的实时数据。

21

5.3机械功能模块测试

图5-4将各项参数上下限设置完毕

如图5-4,开启服务器后上位机将获得各个传感器器的参数，随后将移动距离、距离物体

的距离、接受声音信号、颜色信息上下限设置完毕。决定是否移动。

22

第6章总结与展望

6.1总结

本系统是基于硬件设计和程序设计的整体系统。硬件设计部分包括协调器和终端的设计,

协调器包含主控制单片机及其最小系统、电源电路设计、显示屏接口电路设计，而终端包含

主控制单片机及其最小系统、电源电路设计、传感器接口电路设计。

技术路线方面，硬件部分采用了LD3320语音模块、L298N电机驱动、TCRT5000传感

器、ZL-BT18双模蓝牙等。软件部分使用了Keil5作为开发平台，并使用C语言进行编程。

在设计过程中，使用AD软件进行原理图设计，并绘制了设计结构框图。

6.2展望

对于系统的展望，可以考虑以下方面的改进和发展：

性能优化：进一步优化硬件设计，提高系统的稳定性和可靠性，以及软件设计的效率和

响应速度。

功能拓展：根据实际需求，增加系统的功能和扩展性，例如增加更多的传感器接口、增

加通信模块等。

用户界面改进：改进系统的用户界面，提高用户体验，例如增加交互式界面或触摸屏等。

安全性增强：加强系统的安全性，采取合适的加密和认证机制，以保护系统和用户的数

据安全。

跨平台支持；在软件设计中考虑跨平台支持，以便在不同的操作系统和设备上运行。

总的来说，本系统结合了硬件设计和程序设计，提供了一套完整的功能。未来的发展可

以进一步优化性能、增加功能、改进用户界面和加强安全性。这个系统在工业机器人的研发

和其他相关领域具有一定的参考价值。

23

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24

附录

电路图

12”

■

2»

2«”

»

笠

八»

1>|

2

U

”

莉

OO

匍

l»M>

传感MM口

代码

#incIude<intrins.h>

#incIude"z_adc.h"

sfrADC_CONTR=OxBC;〃ADC控制寄存器

sfrADC_RES=OxBD;//ADC高8位结果

sfrADC_L0W2=OxBE;//ADC低2位结果

sfrP1ASF=0x9D;//P1口第2功能控制寄存器

#defineADC_POWER0x80//ADC电源控制位

#defineADC_FLAG0x10//ADC完成标志

#defineADC_START0x08//ADC起始控制位

#defineADC_SPEEDLL0x00//540个时钟

#defineADC_SPEEDL0x20//360个时钟

#defineADC_SPEEDH0x40//180个时钟

#defineADCSPEEDHH0x60//90个时钟

25

unsignedcharadc_init(unsignedcharch){

P1ASF=1«ch;〃设置P1口为AD口

ADC_RES=0;〃清除结果寄存器

ADC_C0NTR=ADC_P0WER|ADC_SPEEDLL;

return0;

)

unsignedshortadc_read(unsignedcharch){

adc_init(ch);

ADC_C0NTR=ADC_P0WER|ADC_SPEEDLL|ch|ADC_START;

_nop_();〃等待4个NOP

_nop_();#ifndef_Z_C0L0R_H_

#define_Z_COLOR_H_

#incIude"z_stc15.h"

/******************************************************************************/

sbitTCS_SCL_PIN=P「7;

sbitTCS_SDA_PIN=P「5;

#defineTCS34725_ADDRESS(0x29)

#defineTCS34725_C0MMAND_BIT(0x80)

#defineTCS34725_ENABLE(0x00)

#defineTCS34725_ENABLE_AIEN(0x10)/*RGBCInterruptEnabIe*/

#defineTCS34725_ENABLE_WEN(0x08)/*Waitenable-Writing1activates

thewaittimer*/

#defineTCS34725_ENABLE_AEN(0x02)/*RGBCEnabIe-Writing1actives

theADC,0disabIesit*/

#defineTCS34725_ENABLE_P0N(0x01)/*Poweron-Writing1activatesthe

internaIosciIlator,0disabIesit*/

#defineTCS34725_ATIME(0x01)/*Integraliontime*/

#defineTCS34725_WTIME(0x03)/*Waittime(ifTCS34725_ENABLE_WEN

isasserted)*/

#defineTCS34725_WTIME_2_4MS(OxFF)/*WLONGO=2.4msWL0NG1=0.029s

*/

#defineTCS34725_WTIME_204MS(OxAB)/*WLONGO=204msWL0NG1=2.45s

*/

#defineTCS34725_WTIME_614MS(0x00)/*WLONGO=614msWL0NG1=7.4s

*/

#defineTCS34725_AILTL(0x04)/*ClearchanneIIowerinterrupt

threshoId*/

#defineTCS34725_AILTH(0x05)

26

#defineTCS34725_AIHTL(0x06)/*ClearchanneIupperinterrupt

threshold*/

#defineTCS34725_AIHTH(0x07)

#defineTCS34725_PERS(0x00)/*Persistenceregister-basicSW

fil