郁李鑫 朱妍

摘要：現(xiàn)代社會(huì)面臨著全球性人口老齡化問(wèn)題，智能伴老機(jī)器人作為一種新型輔助生活機(jī)器人，可為老年人提供多樣化服務(wù)。文章設(shè)計(jì)了基于51單片機(jī)的智能伴老機(jī)器人控制系統(tǒng)。在硬件設(shè)計(jì)上，采用TCRT5000傳感器實(shí)現(xiàn)紅外避障，采用SU-03T離線語(yǔ)音識(shí)別模組和DY-SV17F智能語(yǔ)音模塊相結(jié)合實(shí)現(xiàn)與使用者的語(yǔ)音交互，采用MQ5可燃?xì)鈧鞲衅骱头澍Q器組合成可燃?xì)鈭?bào)警器，將MX1508型號(hào)雙路有刷直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，利用TP4056型號(hào)單節(jié)鋰離子電池給系統(tǒng)進(jìn)行供電。該款智能伴老機(jī)器人具有精度高、易操作、外形輕巧、音量大等特點(diǎn)，貼合目標(biāo)群體的使用習(xí)慣。

關(guān)鍵詞：智能伴老機(jī)器人；51單片機(jī)；紅外線避障；可燃?xì)鈧鞲衅鳎徽Z(yǔ)音識(shí)別

中圖分類號(hào)：TP23? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

隨著全球老齡化進(jìn)程的加速，老年人的生活和健康狀況已成為一個(gè)全球性的問(wèn)題。智能伴老機(jī)器人為解決老年人生活中的各種問(wèn)題提供了一種新的思路和手段。在此背景下，研究智能伴老機(jī)器人具有提高老年人生活質(zhì)量、推動(dòng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推進(jìn)老齡化社會(huì)建設(shè)等意義。

本文旨在提供一種合理的智能伴老機(jī)器人控制系統(tǒng)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中充分發(fā)揮51單片機(jī)靈活性、兼容性強(qiáng)、體積小、能耗低的特點(diǎn)。

1 國(guó)內(nèi)外的發(fā)展概況

1. 1 國(guó)內(nèi)發(fā)展概況

國(guó)內(nèi)智能伴老機(jī)器人的發(fā)展前景非常廣闊，隨著老齡化趨勢(shì)加劇、家庭結(jié)構(gòu)單核化等，老年人需要得到更多的關(guān)注和照顧。目前，國(guó)內(nèi)智能伴老機(jī)器人的應(yīng)用已經(jīng)涵蓋了醫(yī)療機(jī)構(gòu)、養(yǎng)老機(jī)構(gòu)、居家護(hù)理等多個(gè)領(lǐng)域。

目前，一些中國(guó)的科技公司和機(jī)器人企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始研發(fā)智能伴老機(jī)器人，并逐步投入市場(chǎng)應(yīng)用。UBTECH是一家總部位于深圳的人工智能和機(jī)器人公司，致力于研發(fā)和生產(chǎn)各類機(jī)器人產(chǎn)品，其中包括智能伴老機(jī)器人。其智能伴老機(jī)器人可以提供健康監(jiān)測(cè)、語(yǔ)音交互、情感陪伴、生活照料等服務(wù)；達(dá)闥科技是一家總部位于杭州的人工智能和機(jī)器人企業(yè)，其智能伴老機(jī)器人可以通過(guò)圖像識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、姿態(tài)感知等技術(shù)，為老年人提供陪伴、娛樂(lè)、健康監(jiān)測(cè)等服務(wù)。其產(chǎn)品已經(jīng)在多個(gè)養(yǎng)老機(jī)構(gòu)和醫(yī)療機(jī)構(gòu)得到應(yīng)用。

然而，國(guó)內(nèi)智能伴老機(jī)器人的市場(chǎng)份額還比較小，主要原因是機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展還比較新，市場(chǎng)需求和技術(shù)瓶頸等問(wèn)題還需要不斷地解決。此外，由于智能伴老機(jī)器人涉及老年人的隱私和安全等問(wèn)題，還需要政府和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的支持和規(guī)范。

隨著中國(guó)老齡化的加劇，智能伴老機(jī)器人將逐漸成為老年人關(guān)注的熱門話題，也將成為未來(lái)中國(guó)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展的重要方向之一。

1.2 國(guó)外發(fā)展概況

智能伴老機(jī)器人作為一種新興的人工智能應(yīng)用，在世界范圍內(nèi)得到了越來(lái)越多的關(guān)注和研究。

日本是全球老齡化最為嚴(yán)重的國(guó)家之一，也是重點(diǎn)研發(fā)智能伴老機(jī)器人的國(guó)家之一。例如，日本的索尼公司就推出了一款名為“Aibo”的智能伴老機(jī)器人，可以通過(guò)人臉識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別等技術(shù)與老年人進(jìn)行交互和陪伴。美國(guó)也是研發(fā)生產(chǎn)智能伴老機(jī)器人的重要國(guó)家之一。例如，美國(guó)的RoboKind公司推出了一款名為“Milo”的機(jī)器人，可以通過(guò)視覺(jué)識(shí)別和語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)與老年人進(jìn)行互動(dòng)，幫助老年人提高社交能力和語(yǔ)言表達(dá)能力。智能伴老機(jī)器人在全球范圍內(nèi)得到了越來(lái)越多的研究和應(yīng)用，不同國(guó)家和地區(qū)的企業(yè)和機(jī)構(gòu)都在探索如何利用人工智能技術(shù)，為老年人提供更好的生活服務(wù)。

2 系統(tǒng)論證方案與設(shè)計(jì)

2.1 總體方案設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由紅外避障模塊、語(yǔ)音播報(bào)模塊、語(yǔ)音識(shí)別模塊、煙霧報(bào)警模塊、按鍵模塊等組成。

2.2 紅外避障模塊

機(jī)器人系統(tǒng)作為一個(gè)需要可以自主移動(dòng)的系統(tǒng)，整體將搭載在一個(gè)小車狀的模型上，因此，避障模塊是模型中的核心模塊之一。紅外避障模塊的工作原理是發(fā)光管發(fā)出紅外光，光敏接收管接收前方物體反射光，據(jù)此判斷前方是否有障礙物。根據(jù)反射光的強(qiáng)弱可以判斷物體的距離，它的原理是接收管接收的光強(qiáng)弱隨反射物體距離的變化而變化，距離近則反射光強(qiáng)，距離遠(yuǎn)則反射光弱［1］。

本文采用紅外反射傳感器作為避障模塊的核心元器件，結(jié)合單片機(jī)進(jìn)行控制。紅外傳感器避障模塊具有成本低、體積小、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，還可以通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)其上方的電位器來(lái)調(diào)節(jié)檢測(cè)范圍，符合預(yù)期要求。

在硬件設(shè)計(jì)方面，紅外避障模塊通過(guò)在模型前端布置一個(gè)紅外反射傳感器，讓模型能夠識(shí)別到前進(jìn)路線上的障礙。紅外反射傳感器模塊包括一個(gè)紅外發(fā)射管和一個(gè)光敏二極管，通過(guò)發(fā)射紅外線并接收反射光信號(hào)，判斷模型當(dāng)前位置是否可以行進(jìn)，從而調(diào)整模型的運(yùn)動(dòng)方向。另外，在模型上設(shè)置一個(gè)按鍵，按下按鍵，模型開(kāi)始行動(dòng)，再次按下則停止。在軟件設(shè)計(jì)方面，本設(shè)計(jì)采用if函數(shù)對(duì)機(jī)器人模型的前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、剎車等進(jìn)行控制。

2.3 語(yǔ)音播報(bào)模塊與語(yǔ)音識(shí)別模塊

為了滿足智能伴老機(jī)器人的語(yǔ)音提示和交互功能，需要設(shè)計(jì)一個(gè)語(yǔ)音播報(bào)模塊。

（1）方案一。

該模塊可以通過(guò)與主控板的串口通信實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音的輸入和輸出，通過(guò)語(yǔ)音合成芯片將文字轉(zhuǎn)化為語(yǔ)音，并通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)。

模塊硬件設(shè)計(jì)：該模塊主要由語(yǔ)音合成芯片、串口通信模塊和揚(yáng)聲器3部分組成。

語(yǔ)音合成芯片：該模塊選用成本較低且功能較為完善的語(yǔ)音合成芯片，如DFRobot的DFPlayer Mini或是AI芯片，如訊飛等。

串口通信模塊：該模塊選用常用的串口通信模塊，如HC-05或ESP8266等，與主控板進(jìn)行串口通信。

揚(yáng)聲器：該模塊選用帶有放大器功能的小型揚(yáng)聲器，通過(guò)語(yǔ)音合成芯片進(jìn)行播放。

模塊軟件設(shè)計(jì)：該模塊的軟件設(shè)計(jì)主要包括語(yǔ)音合成程序和串口通信程序。

語(yǔ)音合成程序：開(kāi)發(fā)者在主控板上編寫(xiě)語(yǔ)音合成程序，通過(guò)串口接收文字信息，將其轉(zhuǎn)換為語(yǔ)音播放出來(lái)。語(yǔ)音合成程序可以使用開(kāi)源的語(yǔ)音合成庫(kù)或是自行編寫(xiě)。

串口通信程序：開(kāi)發(fā)者在主控板上編寫(xiě)串口通信程序，通過(guò)與語(yǔ)音播報(bào)模塊進(jìn)行串口通信實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音輸入和輸出。串口通信程序可以使用Arduino的Serial庫(kù)或是自行編寫(xiě)。

（2）方案二。

其他部件與方案一相同，區(qū)別在于將語(yǔ)音識(shí)別直接和語(yǔ)音播報(bào)相連，不經(jīng)過(guò)單片機(jī)，直接把語(yǔ)音識(shí)別的輸出接在語(yǔ)音播報(bào)上。

在數(shù)字電路中，邏輯電平是用來(lái)表示數(shù)字信號(hào)的一種方式。在通信過(guò)程中，發(fā)送方通過(guò)改變數(shù)字信號(hào)的邏輯電平來(lái)傳輸數(shù)據(jù)。接收方通過(guò)對(duì)數(shù)字信號(hào)的邏輯電平進(jìn)行解碼來(lái)還原原始數(shù)據(jù)。

如果發(fā)送方和接收方采用相同的數(shù)字編碼格式，并且使用相同的邏輯電平來(lái)表示不同的數(shù)字位，則接收方可以正確地解碼數(shù)據(jù)，并還原原始的數(shù)據(jù)信息。因此，只要發(fā)送方和接收方之間存在著相同的邏輯電平，就可以進(jìn)行通信。在該系統(tǒng)中，語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播報(bào)都是3.3 V的邏輯電平，兩者正好可以通信，而單片機(jī)是5 V的邏輯電平，需要串口通信模塊才能實(shí)現(xiàn)。

相較于方案一，方案二具有更便捷、易操作的特點(diǎn)，本文最終采用方案二。在內(nèi)容方面包含呼叫名字喚醒以及歌曲/喜劇/小說(shuō)播放功能。通過(guò)該語(yǔ)音播報(bào)模塊的設(shè)計(jì)，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音提示和交互功能，為用戶提供更加智能化的使用體驗(yàn)。

2.4 可燃?xì)鈭?bào)警模塊

為了增強(qiáng)智能伴老機(jī)器人的安全性能，系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)一個(gè)可燃?xì)鈭?bào)警模塊，用于檢測(cè)機(jī)器人所在環(huán)境中是否存在可燃?xì)怏w，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)提示。

硬件設(shè)計(jì)：該模塊主要由可燃?xì)怏w傳感器、報(bào)警器和單片機(jī)3部分組成。

可燃?xì)怏w傳感器：該模塊采用靈敏度較高的MQ-5可燃?xì)怏w傳感器，可以快速檢測(cè)到環(huán)境中的可燃?xì)怏w。

報(bào)警器：該模塊采用高亮度LED與蜂鳴器作為報(bào)警器。

通過(guò)該可燃?xì)怏w報(bào)警模塊可以提高伴老機(jī)器人的安全性能，機(jī)器人可及時(shí)檢測(cè)出環(huán)境中的可燃?xì)怏w并發(fā)出警報(bào)提示，為用戶提供更加安全、放心的使用體驗(yàn)。

2.5 系統(tǒng)方案框架

基于以上方案論證，本系統(tǒng)最終由按鍵模塊、紅外循跡模塊、語(yǔ)音識(shí)別、播報(bào)模塊以及可燃?xì)鈧鞲?、?bào)警模塊組成。在系統(tǒng)中，機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自主避障、檢測(cè)室內(nèi)環(huán)境中的可燃?xì)怏w并報(bào)警，識(shí)別語(yǔ)音并作出相應(yīng)的語(yǔ)音答復(fù)或者程序反應(yīng)。系統(tǒng)原理如圖1所示。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)馬達(dá)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是MX1508雙路有刷直流馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電路，該型號(hào)電路采用的是H橋電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，其高可靠性功率管工藝馬達(dá)特別適合驅(qū)動(dòng)線圈、馬達(dá)等感性負(fù)載。電路內(nèi)部集成N溝道和P溝道功率MOSFET，工作電壓范圍覆蓋2～9.6 V。在27 ℃、VDD為6.5 V時(shí)，兩個(gè)通道同時(shí)工作的條件下，2通道最大持續(xù)輸出電流達(dá)到0.8 A，最大峰值輸出電流達(dá)到1.5 A［2］；1通道最大持續(xù)輸出電流達(dá)到1.5 A，最大峰值輸出電流達(dá)到2.5 A。

該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為具備一定內(nèi)阻的功率器件，電路的發(fā)熱與負(fù)載電流、功率管導(dǎo)通內(nèi)阻以及環(huán)境溫度密切相關(guān)。電路設(shè)計(jì)包含芯片級(jí)溫度檢測(cè)電路，可以實(shí)時(shí)監(jiān)控芯片內(nèi)部發(fā)熱。當(dāng)芯片內(nèi)部溫度超過(guò)設(shè)定值150 ℃時(shí)，功率管就會(huì)產(chǎn)生關(guān)斷信號(hào)，關(guān)閉負(fù)載電流，避免因異常使用導(dǎo)致的溫度持續(xù)升高，進(jìn)而造成塑料封裝冒煙、起火等嚴(yán)重安全事故，非常契合以安全性為重要因素的伴老機(jī)器人系統(tǒng)。另外，芯片內(nèi)置的溫度遲滯電路將確保電路恢復(fù)到安全溫度后，才允許重新對(duì)功率管進(jìn)行控制。電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖2所示。

3.2 紅外線避障設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用的TCRT5000模塊具有緊湊的結(jié)構(gòu)，模塊使用排列在同一側(cè)的發(fā)射光源和檢測(cè)器。其中，發(fā)射光源使用來(lái)自物體反射的波長(zhǎng)為950 mm的紅外光束檢測(cè)物體的存在，而檢測(cè)器由光電晶體管組成。

接好VCC（3.3～5 V）和GND接口后，模塊電源指示燈亮起。對(duì)于TCRT5000傳感器的紅外發(fā)射二極管，當(dāng)發(fā)射出的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，紅外接收管一直處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；當(dāng)被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)就會(huì)把紅外線反射回來(lái)且強(qiáng)度足夠大，紅外接收管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管被點(diǎn)亮［3］。

DO輸出接口可以與單片機(jī)IO口直接相連。模擬輸出AO，當(dāng)發(fā)射管的紅外信號(hào)經(jīng)反射被接收管接收后，接收管的電阻會(huì)發(fā)生變化，在電路上一般以電壓變化的形式體現(xiàn)出來(lái)，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換或LM324等電路整形后得到輸出結(jié)果。電阻的變化取決于接收管所接收的紅外信號(hào)強(qiáng)度，常表現(xiàn)在反射面的顏色（反射率）、形狀和反射面接收管的距離等方面。

另外，紅外傳感的靈敏度也可以自行調(diào)整，使模型根據(jù)需求在某一特定距離發(fā)揮避障功能。該紅外傳感器自帶檢測(cè)距離調(diào)節(jié)器，使用者需要改變靈敏度時(shí)，只需要操作調(diào)節(jié)器的旋鈕。該調(diào)節(jié)器可以調(diào)節(jié)傳感器的檢測(cè)距離，對(duì)于白色的物體，反射的最遠(yuǎn)距離最大；黑色物體，反射的最遠(yuǎn)距離最小。面積大的物體所能探測(cè)的距離大；面積小的物體所能探測(cè)的距離小。紅外傳感器最短檢測(cè)距離為2 cm，最長(zhǎng)檢測(cè)距離可以達(dá)到20 cm，工作電壓較低，同時(shí)可以檢測(cè)偏移角為40°的物體。當(dāng)傳感器模塊檢測(cè)到障礙物或者有物? 體靠近時(shí)，其模塊的綠色燈會(huì)亮起，同時(shí)OUT引腳會(huì)變低電平。模塊是非接觸式傳感器，具有響應(yīng)快、精度高等特點(diǎn)。避障傳感器模塊電路如圖3所示，按鍵電路如圖4所示。

3.3 語(yǔ)音交流設(shè)計(jì)

SU-03T 是一款低成本、低功耗、小體積的離線語(yǔ)音識(shí)別模組，32 bit RISC內(nèi)核，運(yùn)行頻率240 M；支持DSP指令集以及FPU浮點(diǎn)運(yùn)算單元，內(nèi)置5 V轉(zhuǎn)3.3 V。語(yǔ)音識(shí)別模塊電路如圖5所示。

DY-SV17F是一款智能語(yǔ)音模塊，集成IO分段觸發(fā)、UART串口控制、ONE_line單總線串口控制、標(biāo)準(zhǔn)MP3等7種工作模式；板載5 WD類功放，可直接驅(qū)動(dòng)4 Ω、3～5 W的喇叭；支持 MP3、WAV解碼格式，板載32Mbit（4MByte）flash存儲(chǔ)，可通過(guò)USB數(shù)據(jù)線連接電腦更新音頻文件［4］。語(yǔ)言識(shí)別模塊實(shí)物與電路如圖6與圖7所示。

語(yǔ)音識(shí)別和語(yǔ)音播報(bào)都是3.3 V的邏輯電平，兩者正好可以通信。電平轉(zhuǎn)換電路如圖8所示。

電平觸發(fā)模式（電平不釋放）：觸發(fā)指定曲目，循環(huán)播放指定曲目，直至電平釋放；播放中途釋放電平，即刻停止播放；若有其他電平觸發(fā)，則播放新曲目，有新的組合或按鍵播放新曲目。

3.4 可燃?xì)鈭?bào)警設(shè)計(jì)

MQ-5氣體傳感器可檢測(cè)多種可燃性氣體，特別是液化氣（即丙烷），對(duì)丁烷、丙烷、甲烷等可燃性氣體靈敏度高，是一款適合于多種應(yīng)用場(chǎng)景的氣體傳感器。它在較寬的濃度范圍內(nèi)對(duì)可燃?xì)怏w（特別是丙烷）均有良好的靈敏度，具有壽命長(zhǎng)、成本低、電路原理簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［5］。

MQ-5氣體傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的二氧化錫（SnO2）。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中存在可燃?xì)怏w時(shí)，傳感器的電導(dǎo)率隨空氣中可燃?xì)怏w濃度的增加而增大。使用簡(jiǎn)單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對(duì)應(yīng)的輸出信號(hào)［6］。單片機(jī)采集到數(shù)字信號(hào)后進(jìn)行內(nèi)部數(shù)據(jù)處

理，如可燃?xì)怏w濃度達(dá)到報(bào)警器設(shè)置的臨界點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)將給蜂鳴器下達(dá)指令發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使用者可以盡早感知到危險(xiǎn)，避免釀成悲劇。實(shí)物與電路如圖9與圖10所示。

3.5 電池部分設(shè)計(jì)

TP4056是一款完整的單節(jié)鋰離子電池，采用恒定電流、恒定電壓的線性充電器。SOP8/MSOP8封裝底部帶有散熱片，加上較少的外部元件數(shù)目［7］，使得TP4056可以適用于USB電源和適配器電源，成為便攜式應(yīng)用的理想選擇。因?yàn)椴捎昧藘?nèi)部PMOSFET架構(gòu)，加上防倒充電路，所以不需要增設(shè)外部隔離二極管。

熱反饋可對(duì)充電電流進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，以便在大功率操作或高溫環(huán)境條件下對(duì)芯片溫度加以限制。充電電壓固定為4.2 V，而充電電流可通過(guò)一個(gè)電阻器進(jìn)行外部設(shè)置。在達(dá)到最終浮充電壓之后，充電電流降至設(shè)定值的1/10時(shí)，TP4056將自動(dòng)終止充電循環(huán)。

當(dāng)輸入電壓（交流適配器或USB電源）被去掉時(shí)，TP4056自動(dòng)進(jìn)入一個(gè)低電流狀態(tài)，將電池漏電流降至2 μA以下。TP4056在有電源時(shí)也可置于停機(jī)模式，進(jìn)而將供電電流降至55 μA。TP4056的其他特點(diǎn)包括電池溫度檢測(cè)、欠壓閉鎖、自動(dòng)再充電，還包含2個(gè)用于指示充電或充電結(jié)束的LED狀態(tài)引腳［8］。電池電路如圖11所示。

圖11 電池電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，模型的行動(dòng)全部依賴于馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，因此，此模塊是相當(dāng)重要的部分。馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的工作流程大致為：在機(jī)器人工作開(kāi)啟后驅(qū)動(dòng)初始化，檢測(cè)到按鍵的按下?tīng)顟B(tài)則開(kāi)始行動(dòng)，再次按下則停止行動(dòng)。

4.2 紅外避障設(shè)計(jì)

紅外避障模塊是在馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)上增加了紅外感應(yīng)的功能。首先對(duì)模塊初始化，接著由傳感模塊的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)射的紅外線沒(méi)有被反射回來(lái)或者被反射回來(lái)但強(qiáng)度不夠大時(shí)，光敏電三極管一直處于關(guān)斷的狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)，同時(shí)，模型也會(huì)一直勻速前進(jìn)；直到在檢測(cè)范圍內(nèi)檢測(cè)到物體，二極管發(fā)出的紅外線被反射回來(lái)且強(qiáng)度夠大，光敏三極管達(dá)到飽和，此時(shí)模塊輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮［9］，同時(shí)給模型下達(dá)指令，命令模型后退一段距離并轉(zhuǎn)向繼續(xù)移動(dòng)。

4.3 可燃?xì)鈭?bào)警

MQ5可燃?xì)鈭?bào)警模塊的工作原理相對(duì)其他幾個(gè)模塊比較簡(jiǎn)單，在系統(tǒng)開(kāi)機(jī)初始化后即開(kāi)始自動(dòng)檢測(cè)空氣中是否有可燃?xì)怏w，如果檢測(cè)到有，則轉(zhuǎn)化為電信號(hào)告知主控制器，同時(shí)打開(kāi)應(yīng)急燈和蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警處理，直到按下復(fù)位鍵后停止報(bào)警。

4.4 語(yǔ)音識(shí)別播報(bào)

語(yǔ)音互動(dòng)部分的代碼文件使用智能公元協(xié)助生成。首先對(duì)系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn)的功能進(jìn)行分析。前端信號(hào)處理方面選擇單MIC以及遠(yuǎn)場(chǎng)識(shí)別，因?yàn)槟Ｐ捅旧聿o(wú)嚴(yán)重噪聲所以無(wú)需選擇穩(wěn)態(tài)降噪。

然后由開(kāi)發(fā)者配置喚醒詞和命令詞。因?yàn)樵撓到y(tǒng)主要是針對(duì)老年人用戶設(shè)計(jì)的，所以系統(tǒng)添加了一些戲曲及小說(shuō)的播報(bào)等額外功能。語(yǔ)音控制內(nèi)容的關(guān)鍵詞、PIN腳配置與電平情況如表1所示。

系統(tǒng)收到對(duì)應(yīng)指令后語(yǔ)音回復(fù)情況如表2所示。

系統(tǒng)添加機(jī)器人喚醒以及關(guān)閉的控制行為，占空比均設(shè)為0。

系統(tǒng)在完成開(kāi)關(guān)機(jī)控制行為的添加之后，挑選戲曲及小說(shuō)的音頻。戲曲選用了經(jīng)典戲曲串燒，小說(shuō)選用了《紅樓夢(mèng)》的有聲書(shū)節(jié)選。系統(tǒng)還添加了小說(shuō)和戲劇音樂(lè)的音頻，生成代碼和燒錄文件。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)采用STC89C52RC作為主控芯片，在硬件設(shè)計(jì)上，采用TCRT5000傳感器實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的紅外避障；采用SU-03T離線語(yǔ)音識(shí)別模組和DY-SV17F智能語(yǔ)音模塊相結(jié)合實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與使用者的語(yǔ)音交互，提供了更加智能且人性化的使用體驗(yàn)；采用MQ5可燃?xì)鈧鞲衅骱头澍Q器組合成可燃?xì)鈭?bào)警器，提高居住安全性；采用MX1508型號(hào)雙路有刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路作為小車的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，采用TP4056型號(hào)單節(jié)鋰離子電池為系統(tǒng)供電。本文所述智能伴老機(jī)器人具有精度高、易操作、外形輕巧、音量大等特點(diǎn)，貼合目標(biāo)群體的使用習(xí)慣。智能伴老機(jī)器人的出現(xiàn)，為解決老年人生活中的各種問(wèn)題提供了一種新的思路和? 手段。

參考文獻(xiàn)

［1］陳慕君，鄒珺，羅鋒華.挖掘機(jī)器人自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床電器，2011（5）：38-39，44.

［2］曹盛林.基于單片機(jī)的足球機(jī)器人設(shè)計(jì)［J］.南方農(nóng)機(jī)，2020（6）：123.

［3］彭美定，鄧鵬.基于單片機(jī)的智能紅外避障小車設(shè)計(jì)［J］.無(wú)線互聯(lián)科技，2017（3）：74-76，104.

［4］陳浩，王軍民.基于Arduino的測(cè)距和傾角平衡警報(bào)系統(tǒng)在橋梁裂縫檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.科技風(fēng)，2019（28）：185，191.

［5］余華芳，楊龍友，麥志華，等.智能聽(tīng)障助理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2012（13）：108-110.

［6］張歡.樓宇衛(wèi)士智能服務(wù)監(jiān)測(cè)機(jī)器人［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2019（4）：5-10.

［7］朱玉杰，王妃，吳茹，等.藍(lán)牙追蹤器［J］.中國(guó)新通信，2019（5）：118.

［8］韓靖卜，周曉華，張欣宇.便攜式紫外線消毒殺菌牙套盒［J］.電子制作，2023（13）：87-91.

［9］汪光輝，朱晨昊，周正飛，等.一種智能紅外避障自動(dòng)掃地機(jī)器人的設(shè)計(jì)［J］.集成電路應(yīng)用，2019（6）：78-79.

（編輯 何 琳編輯）

Design of intelligent companion robot control system

Yu? Lixin1，2， Zhu? Yan1

（1.Wuxi Taihu University， Wuxi 214063， China;

2.Nanjing University of Information Science & Technology， Nanjing 210000， China）

Abstract：? Modern society is facing the problem of global population aging，? intelligent elderly care robots as a new type of assistive living robot， can provide diversified services for the elderly. The paper designs an intelligent elderly care robot control system based on the 51 microcontroller. In terms of hardware design， the system uses TCRT5000 sensors to achieve infrared obstacle avoidance， combines SU-03T offline speech recognition module with DY-SV17F intelligent speech module to achieve voice interaction with users， combines MQ5 combustible gas sensor and buzzer to form combustible gas alarm， uses MX1508 dual path brushed DC motor drive circuit as the power drive of the car， and uses TP4056 single lithium-ion battery to power the system. This intelligent elderly care robot has the characteristics of high precision， easy operation， lightweight appearance， and large volume， which is suitable for the usage habits of the target group.

Key words： intelligent elderly care robot; 51 microcontroller; infrared obstacle avoidance; gas sensor; speech recognition