智能家居状态语音播报系统设计本科毕业设计.docx

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智能家居状态语音播报系统设计本科毕业设计

题目：

智能家居状态语音播报系统设计

智能家居状态语音播报系统

摘要

智能家居作为家庭信息化的实现方式，已经成为社会信息化发展的重要组成部分。

智能家居系统让您轻松享受生活。

出门在外，您可以通过电话或电脑来远程遥控您家中的各智能系统。

例如，在回家的路上提前打开家中的空调和热水器；到家开门时，借助门磁或红外传感器，系统会自动打开过道灯，同时打开电子门锁，安防撤防，开启家中的照明灯具和窗帘迎接您的归来；回到家里，使用遥控器您可以方便地控制房间内各种电器设备。

这一切，主人都可以安心坐在沙发上从容操作。

本文基于容易实现、方便操作这些贴近生活的设计理念，STC89C52单片机为控制核心，将家庭环境中的温度，湿度，光线等状态通过相应传感器采集，然后将采集信息送到单片机处理，并对结果进行语音播报和显示。

但是由于做实物时硬件芯片昂贵，受到经济条件限制，采用protel99se画硬件电路图和在proteus中进行仿真来实现本设计的功能。

通过几个月的努力和学习在protel中的画硬件电路图已经实现，在proteus中实现语音播报的功能采用在单片机I/O口输出不同频率的声音来模仿读声，对温湿度以及红外报警的播报并且能够实时的通过lcd显示出当前房间内的温湿度。

关键词：

智能家居；STC89C52；语音器；传感器

TheDesignofSpeechDeviceUsedInSmartHome

Abstract

Asarealizationofthefamilyinformation,smarthomehasbecomeanimportantpartofthesocietyinformationdevelopment.Smarthomesystemmakesiteasyforyoutoenjoylife.Intheoutside,youcancontrolyoursmarthomedevicesbytelephoneorcomputerremotely.Forexample,whenyouareonthewayhome,youcanopenthehomeairconditionandthewaterheateraheadoftime;whenyouopenthedoor,thesystemwillopentheaislelightsautomatically,atthesametime,openingtheelectronicdoorlocks,securityalarms,thehouselightinglampsandcurtainstomeetyourreturn,thesewillberealizedbyusingmagneticorinfraredsensors;Allthis,ownerscaneasilyoperateonthesofa.

Thepaperisbasedonthedesignconceptswhichcanbeeasilyimplemented,convenientlyoperated,andtheseconceptsareallclosetolife,usingSTC89C52microcontrollerasthecontrolcenter,collectingthefamilyenvironmentaltemperature,humidity,lightandotherstatesthroughthecorrespondingsensors,thenusingSTC89C52toprocessthecollectedinformation,anddisplaytheprocessionalresultsonthemonitororbroadcastthem.Inthispaper,thetwotofourchaptersdescribethesoftandhardwareimplementationofthewholedesign,thelastchapterisaboutthesummaryofthisdesign.Butbecauseofphysicalhardwarechipisexpensive,economicconditions,usingProtel99SEdrawingcircuitdiagramsandsimulationswereperformedinProteustorealizethefunctionofdesign.

ThroughtheeffortsofafewmonthsandlearningintheProteldrawingcircuitdiagramshavebeenachieved,voicebroadcastfunctionwithdifferentfrequencyintheSCMI/OportoutputsoundtoimitatethesoundofreadinginProteus,temperatureandhumidityandinfraredalarmbroadcastandcanbereal-timedisplayedbytheLCDtemperatureandhumidityoftheroom.

KeyWords:

Smarthome;STC89C52;Speechdevice;Sensor

1绪论

随着科技的发展，人类社会的进步，对家居环境的要求也越来越高，作为家居智能化的核心部分—智能家居控制系统也越发显得重要。

本章对智能家居状态语音播报设计的综合概述，其中有智能家居的概念，国内外发展现状进行简要说明。

文中也对智能家居的发展趋势进行展望。

本章最后俩小节是分别是对本设计中将实现的功能及所采用的软件环境protel99se和proteus的介绍。

1.1智能家居的概念

智能家居（SmartHome）是以家为平台，兼备建筑、自动化，智能化于一体的高效、舒适、安全、便利的家居环境。

家居智能化技术起源于美国，最具代表性的是X-10技术，通过X-10通信协议，网络系统中的各个设备便可实现资源的共享。

因其布线简单、功能灵活，扩展容易而被人们广泛接受和应用。

至今，X-10技术产品的销售已超过两亿个，仅在美国一个国家，便有超过600万个家庭在使用。

自动化的智能家居不再是一幢被动的建筑，相反，成了帮助主人尽量利用时间的工具，使家庭更为舒适、安全、高效和节能。

智能家居是现代社会最热门的话题之一，它的目标是通过网络等信息通信技术手段实现对家居电器等的智能控制，使其能够按照人们的设定工作运行，而不论距离的远近。

智能化与远程控制是智能家居的两大特点。

目前，已经有越来越多的机构和个人开始了对智能家居的研究随着网络技术的发展，特别是无线网络的发展，网络化智能家居系统可提供遥控、家电（空调，热水器等）控制、照明控制、室内外遥控、窗帘自控、防盗报警、电话远程控制、可编程定时控制及计算机控制等多种功能和手段，使生活更加舒适、便利和安全。

[3]

1.2智能家居国内外发展现状

智能家居的发展分为三个阶段：

（1）家庭电子化（HomeElectronics）阶段，单个的电器家庭电器之间并没有形成网络，亦没有大的联系。

（2）住宅自动化（HomeAutomation）阶段，一部分的家庭电器之间形成了简单的网络，主要是为了实现某个特定单一的功能，例如单一的自动抄表功能。

（3）家居智能化（欧洲称为SmartHome，美国称为WiseHouse）阶段，系统通过家庭分布总线把住宅内各种与信息相关的通信设备、家用电器、报警装置并到网络节点中进行集中的监控、管理，保持家电与环境的协调。

1.2.1国外的发展现状

在智能家居系统研发方面，美国及一些欧洲国家一直处于领先地位。

近年来，以美国微软公司及摩托罗拉公司等为首的一批国外知名企业，先后跻身于智能家

居的研发中。

例如:

微软公司开发的“梦幻之家”、摩托罗拉公司开发的“居所之门”、IBM公司开发的“家庭主任”等均已日趋成稳得技术强占家居市场。

此外，日韩新等国的龙头企业纷纷致力于家居智能化的开发，对家居市场更是跃跃欲试。

目前市场上出现得智能家居控制系统主要有：

（1）X-10系统（美国），该系统是利用电力线作为网络平台，采用集中控制方式实现。

这套系统的功能较为强大，与其它家居控制系统如ABB、C_BUS等比起来更容易接收，使用也相对简单。

因为实现同样的功能，X-10家居控制系统是利用220v电力线将发射器发出的X-10信号传送给接收器从而实现智能化的控制，因此采用这套系统不需要额外的布线，这也是这套系统的最大的一个优势，因为其它系统基本上都需要布低压线，在墙上或地面开槽、钻孔，施工难度大、费用高、工期长。

但由于缺乏在国内市场推广的条件且价格昂贵，该系统在国内应用极少。

（2）EIB系统（德国），该系统采用预埋总线及中央控制方式实现控制功能。

但由于其工程要求复杂严苛，并且价格较高，因此一直无法打开国内市场。

（3）8X系统（新加坡），该系统采用预处理总线跟集中控制方式来实现功能。

它的优点在于利用的产品对系统进行扩展，系统较为成熟，比较适合中国国情。

但是由于系统架构、灵活性及产品价格等方面还难以达到要求，所以目前在国内还较少应用。

1.2.2国内的发展现状

20世纪90年代后期，我国的智能小区日益兴起。

众所周知，我国的智能化住宅建设最早起于上海、广州和深圳等沿海城市，并逐渐向内陆发展。

在97香港回归之际，在建设部“97跨世纪住宅小区案竞赛活动”中，上海中皇广场被建设部科技委员会列为全国首家“智能住宅示范工程”，揭开了全国智能小区发展的序幕。

1999年，建设部勘察设计司、建设部住宅产业化办公室联合组织实施全国住宅小区智能化技术示范工程，标志着我国住宅小区智能化进入了一个新阶段。

随着信息化走进了千家万户，由国家经贸委牵头成立了家庭信息网络技术委员会，而信息网络技术体系研究及产品开发已经被列为了国家技术创新的重点专项计划。

我国的智能家居相对于国外起步较晚，尚未形成一定的国家标准。

目前，主要采用国外的一些技术产品，但也有一些企业推出了自己的产品，主要有：

（1）e家庭（海尔），该系列产品以海尔电脑作为控制中心，各种网络家电作为终端设备，海尔移动电话作为移动数字控制中心。

海尔在技术上同微软合作，利用微软的WindowsMe技术和海尔的网络家电，使“e家庭”已具雏形，已推出了网络洗衣机、网络冰箱、网络空调、网络微波炉等一系列网络家电。

（2）e-home数字家园（清华同方），该智能家居控制系统是专门针对中国家庭设计的，遵循国际技术标准，采用嵌入式软、硬件技术，提供网络、网络节点及末端设备。

产品以功能模块开发为主，基于国外成熟的智能家居标准之上。

其智能家居控制系统主要有以下三个部分：

A系列：

遵循EIB协议的家庭控制产品，适用于中高档住宅区。

B系列：

遵循X-10协议的家庭控制产品，适用于中档住宅区。

易家三代：

配电箱集中安装式家庭控制产品。

国内各大软、硬件机构正在积极的研制、开发更为符合市场的智能化家居设备，以解决当前智能化产品实用性差、使用复杂及产品价格昂贵等缺点，而技术创新性也逐步向国际先进水平靠拢，这样的未来值得期待。

1.3智能家居未来发展趋势

智能家居从被大众认知，到逐渐被接受，如今智能家居已经悄悄走进我们的生活。

人们对智能家居充满了无限期待，当前涌现出来的许多房地产广告，其宣传卖点不仅仅突出地理位置优越、环境优美等，“智能小区”、“智能家居”也正在成为他们推崇的热点词汇，同时，智能家居厂商也在不断推出更为先进的产品和成熟的解决方案。

科技的进步使家居智能化正在逐渐成为现实。

由于智能家居系统还缺乏统一明确的国际标准，许多公司开发出的产品都是基于自己组的网络和信息交换协议，很多产品是针对特定的组网环境开发的，部分核心技术没有对外公布，技术复杂，直接导致了使用范围的局限性。

再者，缺乏对应的第三方产品，各个接入设备之间不能兼容，互操作性差，不利于产品的扩充，因而进一步局限了产品的发展。

再加上，有的系统成本过高，严重影响了产品的普及。

因此设计一个符合国家国情和规范的集远程控制和本地控制为一体的智能家居控制系统是非常具有现实意义的，且势在必行。

作为智能家居的核心系统的智能家居的控制系统，它的设计功能的完善必将推动住宅智能化的发展。

而系统功能的集成化、用户使用的傻瓜化以及市场的平民化将是智能家居控制器的发展趋势，系统也将逐步迈向绿色化。

最终，我想全人类的梦想是智能家居控制系统将囊括所有的家事杂物，让我们真正的享受舒适温馨的家庭生活。

因此，未来智能家居市场会进入一个行业整合阶段，最终可能会出现几家规模比较大，品牌影响力好的厂家。

从产品角度来讲以后的智能家居产品会朝着实用化、傻瓜化（操作简单）、模块化的方向发展，所谓模块化就是产品开发商把智能家居产品做成模块化的，可以根据用户的实际需求任意搭配。

这样不仅可满足不同层次用户的需要，而且可以节约成本，也可以节约不必要的端口模块的浪费。

1.4本文任务及功能设计

本文是关于智能家居状态语音播报的设计，智能家居状态语音播报旨在将采集到的家庭环境中的温度、湿度、光线亮度等因素通过语音器播报，以方便户主不必亲自去查看显示器，也能够及时的获取家庭当前的环境状态，及时的调节家庭中相应环境因素来维持一个舒适的家庭环境。

一套完整的只能家居系统应该具备有庞大的控制、显示、播报系统等，基于本设计的要求，对于在开题报告中的设计方案中，所涉及到的控制方面的内容，在本文中不做详细的设计及说明，本文着重于对采集信息、采集信息的语音播报及显示功能设计上。

在设计上由于硬件芯片的昂贵，经济条件的限制，所以采用protel99se画电路图以及proteus进行电路仿真设计。

在绘制电路图之前需对设计中各个模块所需芯片进行选择，通过同一类型的芯片进行价格，性能的稳定性，精度，处理的灵活性等进行择优选择。

在设计中语音播报仿真中是最大的问题就是没有库中语音芯片（ISD4004），于是就采用在单片机I/O口输出不同频率的声音来模仿读声，但是人的发声频率很难模仿，因此就用音符（12345671#2#3#）频率去代表数字0到9的频率，这样能保证在不同的温度值或者湿度值时，读出的值是不同的。

本设计系统主要包括温湿度测量模块、语音播报模块、温湿度显示模块、红外对射模块、光线亮度模块五个部分。

在protel99se硬件电路设计中全部将各个功能实现。

而在proteus仿真过程中由于受到客观因素的限制如库中没有语音芯片ISD4004等，所以语音播报只能通过不同频率的声段进行温湿度播放。

采用STC89C52单片机作为主控制器，最后通过程序对外围电路进行控制。

其中能实现的功能有以下几个：

（1）采集家庭温度，湿度，光线亮度等信息（采用湿度传感器、温度传感器、光线传感器等等）。

（2）将采集信息通过显示器显示。

（3）将采集信息通语音器播报。

（4）具有安防报警功能。

1.5相关技术知识介绍

1.5.1Protel99SE介绍

Protel99SE是ProklTechnology公司开发的基于Windows环境下的电路板设计软件。

该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，仍然是大中专院校电学专业必学课程，同时也是业界人士首选的电路板设计工具。

Protel99SE由两大部分组成：

电路原理图设计（AdvancedSchematic）和多层印刷电路板设计（AdvancedPCB）。

其中AdvancedSchematic由两部分组成：

电路图编辑器（Schematic）和元件库编辑器（SchematicLibrary）。

1.5.2Proteus介绍

Proteus是世界上著名的EDA工具（仿真软件），从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真，一键切换到PCB设计，真正实现了从概念到产品的完整设计。

是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台，其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器，并持续增加其他系列处理器模型。

在编译方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。

功能特点：

Proteus软件具有其它EDA工具软件（例：

multisim）的功能。

这些功能是：

1．原理布图

2．PCB自动或人工布线

3．SPICE电路仿真

革命性的特点:

1．互动的电路仿真

用户甚至可以实时采用诸如RAM，ROM，键盘，马达，LED，LCD，AD/DA，部分SPI器件，部分IIC器件。

2．仿真处理器及其外围电路

可以仿真51系列、AVR、PIC、ARM、等常用主流单片机。

还可以直接在基于原理图的虚拟原型上编程，再配合显示及输出，能看到运行后输入输出的效果。

配合系统配置的虚拟逻辑分析仪、示波器等，Proteus建立了完备的电子设计开发环境。

2总体设计

本设计中的整个方案是如何实现，在设计中的各个芯片是如何选择的，以及文中的各个功能模块有哪些，而各功能模块的设计是本设计的中心问题之一。

本章将对以上问题作较详细的阐述。

2.1整体介绍

本设计以单片机STC89C52芯片为控制核心，温度、湿度、光线亮度等传感器为环境信息采集源，来制作一个具有显示和语音播报功能的智能家居状态语音器。

本设计是在protel99se中进行电路图制作和proteus中进行仿真实现。

该系统是一种智能化系统，通过采用多种传感器，能够较为全面的将家庭中的环境状态因素一次性显示，并逐个语音播报，当家中发生意外事故（煤气泄漏、火灾等），也能够通过该系统及时的语音播报，相当于该系统具有了安防报警的功能，是一种较为实用的智能化系统。

具体的功能有：

（1）采集家庭温度，湿度，光线亮度等信息（采用湿度传感器、温度传感器、光线传感器等等）。

（2）将采集信息通过显示器显示。

（3）将采集信息通语音器播报。

（4）具有安防报警功能。

2.2系统设计方案

在本设计中，由于各个芯片昂贵，受到经济条件的限制，于是只能在proteus仿真中进行模拟。

但是在仿真的过程中存在一些客观问题，如在proteus软件库中没有语音芯片（ISD4004），于是就采用在单片机I/O口输出不同频率的声音来模仿读声，但是人的发声频率很难模仿，而且有的发音的频率基本上是一样的如7跟8两个数字，这样如果在读数的时候出现78这个数时就会在听觉上让人感觉是一个频率的音延长了播放，因此就用音符（12345671#2#3#）频率去代表数字0到9的频率，这样能保证在不同的温度值或者湿度值时，读出的值是不同的。

此外，在仿真中，红外对射管无法在软件中实现导通，因此本设计采用光耦来代替，原因是光耦的导通原理跟红外对射器的原理相同。

最后在仿真中的软件中没有湿度传感器HS1101，因此采用同时兼有温度和湿度采集功能的sht10温湿度传感器进行仿真。

该系统方案流程：

（1）采集模块（温度传感器，湿度传感器，光线传感器等等）采集当前房间内的温度、湿度、光亮度等信息；

（2）A/D转换器将模拟信号转换成数字信号；

（3）单片机处理模块将数字信号处理并输出；

（4）显示模块显示所采集信息数据；

（5）语音播报模块将所处理的数据进行播报，并能将房间的突发事件进行报警提示（门、窗未关好），系统整体框图如图2.1所示。

温度传感器

显

示

器

单片机

湿度传感器

红外对射器

A/D转换器

语

音

器

光线传感器

图2.1系统整体框图

2.3方案的提出及论证

2.3.1单片机控制模块的选择论证

方案一：

采用XC9000系列的FPGA。

该类器件具有并行处理能力，能快速的响应外部的各种数字信号，但在数据处理方面过于复杂，而且芯片价格较昂贵。

方案二：

采用单片机作为控制核心，单片机数学运算功能较强。

在程序相互调用方面，处理方便灵活，性能稳定，适合实际应用。

且单片机技术发展较为成熟，价格便宜。

基于以上分析，采用单片机控制可更为简便灵活地实现系统功能，故拟采用方案二。

2.3.2温度湿度检测模块的选择与论证

方案一：

选用DHT11作为温湿度检测模块。

DHT11是一款数字输出的复合传感器，包含一个电阻式感湿元件和NTC式温度检测元件，可测20~90%RH湿度，误差5%RH，0~50摄氏度，误差2摄氏度。

方案二：

选用DS18B20温度传感器和HS1101湿度传感器。

DS18B20是一线式数字温度传感器，具有独特的单线式接口方式，测量范围在-55℃～125℃，-10℃～85℃，误差为-\+0.5℃。

最高精度可达0.0625℃。

HS1101是电容式湿度传感器，可测相对湿度范围在0%~100%RH，误差为-\+2%RH。

方案选择，有上述数据可知，根据设计要求（温度测量范围为-10-50℃，湿度为0-100%；

温度测量误差为0.1℃，湿度测量误差为3%；），从设计要求的精度来看，本方案更优。

综上所述，虽然方案一具有综合作用，但是方案二的测试范围和精度都由于方案一，故本模块采用方案二。

2.3.3显示模块的选择与论证

方案一：

采用12864液晶模块显示测得的数据，可显示较多组的数据，字体较大，可清晰读数，但12864液晶模块价格昂贵，接线复杂，故不采用。

方案二：

采用1602液晶模块显示所测数据，1602液晶接线简单方便，同时也能满足显示需要，价格远低于12864液晶。

因此，本方案为首选方案。

综上所述，显示模块选择方案二。

2.3.4语音芯片的选择论证

方案一：

采用中青世纪公司2003年开发的智能语音产品PM50系列语音芯片，它既是语音播放电路，也是智能单片机，其开发设计简单，智能控制简单，音质效果好，该芯片由专用的语音单片机和flashram存储器集合构成，它既有几秒到100秒的多段语音播放功能，也有单片机可编程的智能特性，大规模复杂电路已经缩微到只有cob28封装的印版上，可以方便地作为dip28封装的标准集成电路来使用。

方案二：

采用ISD公司生产的ISD4000系列的ISD4004语音芯片，它既可以放音也可以录音，该芯片采用CMOS技术，内含振荡器、平滑滤波器，音频放大器，自动静躁及高密度多电平闪烁存储陈列，芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制，操作命令可通过串行通信接口送入。

芯片采用多电平直接模拟量存储技术，每个采样直接存储在片内闪烁存储器中，因此能够非常真实，自然地再现语音，音乐，音调和效果声，避免了一般固体录音电路因量化噪声和“金属声”。

虽然PM50系列语音芯片的性价比要优于ISD4000系列，但考虑到PM50系列无录音功能，无法录制自己想要的语音，因此选择了方案二。

2.4功能设计

2.4.1温度采集

温度传感器采用DS18B20，通过温度传感器将当前室内温度进行采集，由于DS18B20自带A/D转换，所以可以将采集到的温度值直接送到单片机进行处理