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广东技术师范学院毕业设计论文

毕业论文（设计）

题目：

微波炉语音控制系统

（Title）：

Voicecontrolsystemformicrowaveoven

系别：

电气工程系

专业：

电子信息工程

姓名：

郭壮举

指导教师：

钟立华

日期：

2013年5月

微波炉语音控制系统

摘要

本系统是由单片机、语音识别模块、键盘、显示等的组成部分，用来模拟微波炉控制电路及其功能实现。

主控部分是由单片机和语音模块部分构成，显示部分是由LCD显示模块和LED工作模拟部分构成。

微波炉控制器系统以AT89S52单片机为核心，由液晶显示模块、语音识别电路模块、键盘模块、掉电存储模块、电源模块等功能模块组成。

本系统对语音功能和定时功能进行了重点设计。

此外，还设置了微波火力八级档位设定、烹调模式、语音识别、烹调预约时间设置，对微波炉的基本功能进行设计与实现。

本系统把语音识别模块内嵌到微波炉中，设计出一种语音识别控制微波炉。

用户只需用简单、人性化的语音指令告诉微波炉——它要执行的任务之后它就愉快地帮主人完成系统操作。

关键词:

AT89C52单片机；语音控制系统

Voicecontrolsystemformicrowaveoven

Summary

Thesystemiscomposedofmicrocomputer,aspeechrecognitionmodule,keyboard,display,usedtosimulatemicrowaveovencontrolcircuitanditsrealization.Themaincontrolpartiscomposedofsingle-chipcomputerandvoicemodule,displaypartiscomposedofaLCDdisplaymoduleandLEDanalogparts.

MicrowaveovencontrollersystembasedonAT89S52microcontrollerasthecore,bytheliquidcrystaldisplaymodule,voicerecognitioncircuitmodule,keyboardmodule,power-downmemorymodule,powersupplymodule.Thesystemisfocusedonthedesignoffunctionsetsthebasicandtimingfunctions.Inaddition,extendthemicrowavepowerleveleightgearset,cookingmode,speechrecognition,cookingappointmenttimesetting,thebasicfunctionofthemicrowaveovenisdesignedandimplemented.Thespeechrecognitionmoduleisembeddedintothemicrowaveoven,designaspeechrecognitioncontrolofmicrowaveoven.Aftertheuseronlyneedasimple,user-friendlyvoiceinstructionsthattellthemicrowaveoven-whichtasktoperformit.

Keyword:

AT89S52microcontroller；Voicecontrolsystem

1绪论1

1．1设计的背景2

1．2设计的意义2

2设计任务与要求3

2．1设计路线3

2．2设计方案3

2．3实现功能4

3总体方案论证与比较5

3．1芯片选择5

3．2语音识别模块选择6

3．3显示模块方案选择11

3．4键盘模块选择13

3．5语音电路方案选择14

3．6电源方案选择16

3．7定时方案选择17

3．8掉电存储模块选择18

3．9火力输出方案选择18

4系统设计及操作说明21

4．1系统软件设计21

4．2硬件电路设计23

5总结31

参考文献36

致谢38

附录A40

附录B41

附录C42

附录D43

一、绪论

1.1设计的背景

随着人们生活水平的不断提高,现代化的厨房电器已成为人们日常不可缺少的家用电器。

不断更新的现代化家用厨房电器，极大地方便和丰富了们的家庭生活。

如微波炉已经成为现代城市生活中人们不可缺少的烹饪工具，现在的微波炉已经可以做到煎、煮、烤、烘、焖、炖、蒸、烩等多种烹饪方式，做出各种营养美味的食物。

与其他烹饪工具相比，微波炉具有热效率高、耗电量少、烹调速度快等优点。

合乎经济原则，也比传统烹饪节省时间。

由于独特的加热原理，它可以有效保持食物原有的色、香、味与营养成份，还可以迅速解冻食物，保持食物的水分与鲜嫩。

而且微波炉使用中绝少产生油烟与炽热空气，使厨房保持清洁。

微波炉有如此强大的功能与新技术的不断应用是分不开的。

例如，微波炉的智能化、多功能化、节能化、健康化、操作简便化的发展，使得微波炉的发展前景越来越好，越来越受到人们的欢迎。

微波炉，顾名思义是用微波来加热，用的频率是24.5亿赫左右的超短波，它由磁控管产生，经微波炉金属器壁反射再反射后，被炉中的食物吸收。

食物能吸收微波是因为食物中含有水分[1]。

水分子为极性分子，一端为正极，一端为负极，而微波是电磁波，有正半周与负半周。

24.5亿赫即表示该微波在一秒钟内变换正负极达24.5亿次，每换一次，水分子即跟随反转一次；由于水分子一直振动反射，也就摩擦生热，热被食物分子吸收，食物就会变热、变熟[2]。

微波炉控制器系统以AT89C52单片机为核心，由液晶显示模块、语音电路模块、键盘模块、掉电存储模块、电源模块等功能模块组成。

本系统对基本的功能设置、语音识别控制功能、数据装入和定时功能进行了重点设计。

此外，还扩展了微波火力八级档位设定、烹调模式、语音提示、烹调预约时间设置等功能，对微波炉的基本功能进行设计与实现。

1.2设计的意义

在现代人快节奏生活中，微波炉已成为便捷生活的一部分，为人们节省了时间，为社会节约了能源．随着控制技术和智能技术的发展。

微波炉也向着智能化、信息化发展．除了可以实现常规解冻，烹调．烘烤三项基本功能外，又进行了创新设计，增加了温度涮量和压力测量，定时，防微波泄漏检测，自定义烹调，程序烹调等功能。

采用数码显示工作状态和时闻，预留液晶显示端口，显示更直观更人性化．微波炉是一种用微波加热的现代化烹调灶具，它由电源、磁控管、控制电路和烹调腔组成。

其中，微波炉控制器部分完成和工作状态之间的切换功能。

虽然现今之微波炉的功能巳大大不同与以前。

也由于此，更多的控制按键及不同要求的屏幕出现以配合不同的要求。

系统的操作变得更烦琐。

在市场上有些高档次的微波炉用了非常复杂的温度感应器加上高准及高灵敏度的湿度控制器，这类产品使生产成本大为提高,同时软件结构变得更加复杂直接影响系统的稳定性。

然而语言是人类传递信息的主要手段，语音识别技术是目前世界上最热门和最具发展前景的新型信息技术之一。

采用语音识别作为人机接口的设备能够具有简便、快捷、灵活的优点，其在军事、民用和商业领域都发挥了巨大的作用，并在未来一定会成为新一代操作系统的接口。

语音控制技术在声控汽车、智能家电操作、自动导航、自动售票系统和智能玩具等方面有着广泛的应用。

本文以嵌入式微处理器为核心，采用ICRoute公司的高性能LD3320语音识别芯片和相关控制电路，设计实现了微波炉的语音控制系统。

由于LD3320芯片集成了语音识别处理器和外部电路，包括AD和DA转换器、麦克风、声音输出等接口，且不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等。

在现有的产品中直接集成即可实现语音识别声控，人机对话功能，识别的关键词语列表是可以任意动态编辑的，因而满足了小体积、低功耗和可通用的要求，因而本声控系统有着广泛的应用前景。

本课题把语音识别模块内嵌到微波炉中，设计出一种语音识别控制微波炉。

用户只需用简单,人性化的语音指令告诉微波炉-它要执行的任务之后它就愉快地帮主人完成系统操作。

二、设计任务与要求

2.1设计路线

本项目详细分析微波炉控制器的原理和组成结构，设计一个语音识别控制的具有定时和信息显示功能的微波炉控制器。

微波控制器系统可由以下五个电路模块组成：

语音识别控制模块：

其功能是识别微波炉工作过程中语音指令并执行操作；显示模块：

其功能是显示各种工作模式、微波炉火力档的设定、预约时间和工作时间等等图文复杂的信息；语音电路模块，其功能是在按键模式工作时，芯片可以通过LED管脚给出信号来提示芯片的工作状态，并且伴随有提示音，用户也可自定4种提示音效；计时电路，其功能是对时钟进行减法计数，提供烹调完成时的状态信号；显示译码电路，其功能是显示微波炉控制器的各状态信息。

2.2设计方案

设计一个语音识别控制的具备定时和信息显示功能的微波炉控制器。

要求：

（1）该微波炉控制器能够在任意时刻取消当前工作，复位为初始状态。

（2）可以根据需要设置烹调时间的长短，系统最长的烹调时间为59分59秒；开始烹调后能够显示剩余时间的多少。

（3）显示微波炉控制器的烹调状态。

（4）语音通过语音识别芯片和单片机的结合，实现输出控制，实现语音控制微波炉各种操作。

（5）设计适当的外围电路，实现微波炉系统功能。

2.3实现功能

（1）语音识别菜单功能：

识别微波炉工作过程中语音指令并执行操作。

例如：

语音输入命令：

“上”、“下”、“左”、“右”、“确定”、“返回”可语音识别控制液晶显示屏选择对应的模式，确定烹饪模式和火力大小，调节定时并开始微波。

（2）烹饪功能：

烹饪模式有几种可选：

有烧烤、解冻、汤类、蒸菜模式，同时人性化的增加了自定义模式，可自行选择适合的模式进行微波。

可通过语音识别或加、减按键和确定键来对时间进行设置或预约，首先是对时间的设置，按确定键再对分进行设置，接着对秒进行设置，每次设置完就要按一次确定键，以完成对时间的设置。

时间设置完毕返回等待系统开始烹饪。

（3）火力调节功能：

火力模式有对应的烹饪模式中有固定的火力大小，也可自定义选择火力大小。

固定的烹饪模式的火力大小有：

烧烤模式6档火力、解冻模式3档火力、汤类模式7档火力、蒸菜模式5档火力。

可通过语音识别或加、减键来设置烹饪时间，最高是8档，最低是1档，流程同预约时间的设置相同，时间设置完毕就直接开始烹饪

（4）液晶显示功能：

液晶显示屏使用12864显示屏，液晶显示子程序显示各模式的工作状态，如显示火力模式、烹饪模式、预约时间和烹饪时间、也可显示“作者名”和“欢迎使用语音控制微波炉系统”。

液晶显示器采用的是并行通讯的工作方式。

（5）定时服务功能：

程序检测系统是否开始烹饪，当系统已经进入烹饪状态，定时服务子程序开始工作，首先通过按键扫描判断预约时间标志按键是否被按下，当有按键按下进入预约时间的定时服务，如果没有按键按下，直接进入烹饪时间的定时服务。

各固定烹饪模式的定时时间为烧烤模式定时十分钟、解冻模式定时五分钟、汤类模式定时一分三十秒、蒸菜模式定时八分钟。

三、总体方案论证与比较

3.1芯片选择

方案一：

采用数字逻辑芯片

本系统有功能设置、数据装入、定时、显示、音响控制多个功能模块。

各个状态保持或转移的条件依赖于键盘控制信号。

由于键盘控制信号繁多，系统的逻辑状态以及相互转移更是复杂，用纯粹的数字电路或小规模的可编程逻辑电路实现该系统有一定的困难，需要用中大规模的可编程逻辑电路。

这样，系统的成本就会急剧上升〔相对于方案二〕。

因此，本设计并未采用这种方案。

方案二：

采用单片机作为整个控制系统的核心

鉴于市场上常见的51系列8位单片机的售价比较低廉，我们的设计采用了P89V51RB2FN单片机作为主控制器，AT89C52是一款微控制器，包含16kBFlash和256字节的数据RAM，3个16位定时器计数器，8个中断源，4个中断优先级，2个DPTR寄存器[3]；主要负责系统的控制与协调工作。

具体方案如下：

首先，利用单片机检测各种模拟信号，通过接收键盘送来的命令，确认功能设置，实现数据装入和实时监控，其次，根据CPU发出的信号控制语音播报、显示等功能，用软件实现系统定时功能，节省了硬件成本的开销。

这样的设计使安装和调试工作可以并行进行，极大地缩短了总体设计和制造的时间，综合考虑以上因素。

我们采用了方案二，本方案的基本原理如图1所示，控制系统的原理图见附录。

3.2语音识别模块选择

语音识别模块选用LD3320语音识别模块（图2），该模块有16个单片机IO口，其中有一组8位IO扩展接口、1个定时器、1个外部中断，可做为单片机最小系统实现控制功能，可配套其他单片机也可独自完成工作。

LD3320芯片（图3）是一款“语音识别”专用芯片，由ICRoute公司设计生产。

该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。

本芯片在设计上注重节能与高效，不需要外接任何的辅助芯片如Flash、RAM等，直接集成在现有的产品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。

图2语音识别模块

图3语音识别芯片

3.2.1功能介绍

（1）通过ICRoute公司特有的快速而稳定的优化算法，完成非特定人语音识别。

不需要用户事先训练和录音，识别准确率95%。

（2）不需要外接任何辅助的Flash芯片，RAM芯片和AD芯片，就可以完成语音识别功能。

真正提供了单芯片语音识别解决方案。

（3）每次识别最多可以设置50项候选识别句，每个识别句可以是单字，词组或短句，长度为不超过10个汉字或者79个字节的拼音串。

另一方面，识别句内容可以动态编辑修改，因此可由一个系统支持多种场景。

（4）芯片内部已经准备了16位AD转换器、16位DA转换器和功放电路，麦克风、立体声耳机和单声道喇叭可以很方便地和芯片管脚连接。

立体声耳机接口的输幽功率为20mW，而喇叭接口的输出功率为550mW，能产生清晰响亮的声音。

（5）支持并行和串行接口，串行方式可以简化与其他模块的连接。

（6）支持MP3播放功能，无需外围辅助器件，主控MCU将MP3数据依次送入LD3320芯片内部就可以从芯片的相应PIN输出声音。

产品设计可以选择从立体声的耳机或者单MPEG2.5layer3等格式。

（7）工作供电为3.3V，如果用于便携式系统，使用3节AA电池就可以满足供电需要。

3.2.2电路说明

图4内部电路的简单逻辑图

（1）电压要求：

VDD数字电路用电源输入3.0V-3.3V

VDDIO数字10电路用电源输入1.65V-VDD

VDDA模拟电路用电源输入3.0V-4.0V

芯片管脚输入电压范围：

高电压（逻辑“1”）：

0.7；lcVDDIO'VDDIO

低电压（逻辑“0”）：

0'0.3~VDDIO

（2）时钟（Clock）

芯片必须连接外部时钟，可接受的频率范围是4-48MHz；而芯片内部还有PLL频率合成器，可产生特定的频率供内部模块使用。

（3）复位

对芯片的复位信号（RSTB：

1：

）必须在VDDVDDAVDDIO都稳定后进行。

无论芯片正在进行何种运算，复位信号都可以使它恢复初始状态，并使各寄存器复位。

如果没有后续的指令（对寄存器的设置），复位后芯片将进入休眠状态。

此后，一个CSB：

1：

信号就可以重新激活芯片进入工作状态。

（4）并行接口

本芯片可通过并行方式和外部主CPU连接，此时使用8根数据线（PO-P7），4个控制信号（WRB#，RDB#，CS冰，AO），以及一个中断返回信号（INTB#）。

（5）串行接口

串行接口通过SPI协议和外部主CPU连接，首先要将MD接高电平，而将（SPIS：

1：

）接地。

此时只使用4个管脚：

片选（SCS冰）、SPI时钟（SDCK）、SPI输入（SDI）和SPI输出（SDO）。

（6）寄存器

对芯片的设置和命令，包括传送数据和接受数据，都是通过对寄存器的操作来完成的。

例如进行语音识别时，设置识别的关键词语列表，设定芯片的识别模式，谀别完成后获得识别结果都是通过读写寄存器来完成。

播放声音时，就是将MP3格式的数据循环放入FIFO对应的寄存器。

（识别结果是通过寄存器返回识别出的关键词语在关键词语列表中的排列序号Index数值，该Index数值是在设置关键词语列表时指定）。

（7）喇叭音量的外部控制

除了特定寄存器来控制音量以外，芯片外部的电路可以控制喇叭的音量增益。

使用的是EPI、EP2、EP3对应的管脚。

3.2.3管脚分布图

图5管脚分布图

3.3显示模块方案选择

单片机应用系统最常用的显示器是LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器）[2]。

这两种显示器可显示数字、字符及系统的状态。

它们的驱动电路简单、易于实现且价格低廉，因此得到了广泛应用。

现在就这两种显示模块进行分析，选择符合微波炉控制器的模块。

方案一：

数码管LED显示模块

常用的LED显示器有LED状态显示器（俗称发光二极管）、LED七段显示器（俗称数码管）和LED十六段显示器。

发光二极管可显示两种状态，用于系统状态显示；数码管用于数字显示；LED十六段显示器用于字符显示。

无论是单个LED（发光二极管）还是LED七段码显示器（数码管），都不能显示字符（含汉字）及更为复杂的图形信息，这主要是因为它们没有足够的信息显示单位。

所以，在一些要求显示图文的系统中，不适宜用LED显示模块。

方案二：

液晶显示器LCD模块

LCD是一种被动显示器，具有功耗低，显示信息大，寿命长和搞干扰能力强等优点，它不仅省电，而且能显示大量的信息如文字、曲线、图形等，其显示界面较之数码管有了质的提高，在低功耗的单片机系统中得到大量使用。

[4]随着液晶显示技术的发展，LCD显示器的规格众多，其专用驱动芯片也相互配套，使LCD在控制和仪表系统中广泛应用提供了极大的方便。

本微波炉控制器系统要显示各种工作模式、微波炉火力档的设定、预约时间和工作时间等等图文复杂的信息，故选择液晶显示器作为显示模块。

本系统采用的是内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。

可以显示8×4行16×16点阵的汉字，也可完成图形显示；低电压低功耗是其又一显著特点。

[6]由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

本系统中，液晶显示的工作方式是采用并行的工作方式。

3.4键盘模块选择

方案一：

独立式按键结构

独立式按键是直接用IO口线构成的单个按键电路，其特点是每个按键单独占用一根IO口线，每个按键的工作不会影响其它IO口线的状态。

独立式按键的典型应用如图3.1所示。

图中按键输入均采用低电平有效，些外，上拉电阻保证了按键断开时，IO口线有确定的高电平。

当IO口线内部有上拉电阻时，外电路可不接上拉电阻。

独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根IO口线，因此，在按键较多时，IO口线浪费较大，不宜采用。

[12]

方案二：

矩阵式按键

单片机系统中，若使用按键较多时，通常采用矩阵式（也称行列式）键盘。

矩阵式键盘由行线和列线组成，按键位于行、列线的交叉点上。

一个4*4的行、列结构可以构成一个含有16个按键的键盘，显然，在按键数量较多时，矩阵式键盘较之独立式按键键盘要节省很多IO口。

矩阵式键盘中，行、列线分别连接到按键开关的两端，行线通过上拉电阻接到+5V上。

当无按键按下时，行线处于高电平状态；当有键按下时，行、列线将导通，此时，行线电平将由与此行线相连的列线电平决定。

这是识别按键是否按下的关键。

然而，矩阵键盘中的行线、列线和多个键相连，各按键按下与否均影响该键所在行线和列线的电平，各按键间将相互影响，因此，必须将行线、列线信号配合起来作适当处理，才能确定闭合键的位置。

[13]

矩阵式键盘大大节省了IO口线，比较适合微波炉控制系统的要求，为其它的模块省了很多IO口线，减小了整个系统的硬件开销。

3.5语音电路方案选择

方案一：

蜂鸣器

蜂鸣器声音单一，无法实现一连串的语音播放，对一些要求比较高的系统来说，蜂鸣器不适合。

本系统要求每次烹饪结束或者预约时间结束都要语音提示，所以本系统不采用蜂鸣器。

方案二：

语音处理电路

在本设计中，提示音及语音播报功能都需要语音电路实现。

本设计采用了ISD1730芯片实现语音处理功能，ISD1730属于华邦ISD公司2007年新推出的单片优质语音录放电路，该芯片提供多项新功能，包括内置专利的多信息管理系统，新信息提示（vAlert）,双运作模式（独立&嵌入式），以及可定制的信息操作指示音效。

芯片内部包含有自动增益控制、麦克风前置扩大器、扬声器驱动线路、振荡器与内存等的全方位整合系统功能。

其特点为可录、放音十万次，存储内容可以断电保留一百年；两种控制方式，两种录音输入方式，两种放音输出方式；可处理多达255段信息；有丰富多样的工作状态提示；多种采样频率对应多种录放时间；通过音频放大器放大输出；音质好，电压范围宽，应用灵活，价廉物美。

该电路可以在单片机的控制下实现按地址录、放音，并能检测到放音是否结束。

根据设计需要，语音提示音播放伴有LED灯闪烁提示，直观方便。

ISD1730的独立按键工作模式录放电路非常简单（见图6），而且功能强大。

不仅有录、放功能，还有快进、擦除、音量控制、直通放音和复位等功能。

这些功能仅仅通过按键就可完成。

图6语音电路

3.6电源方案选择

方案一：

开关电源

用开关稳压电源给整机供电，此方案能够完成本作品电流源的供电，但开关电源比较复杂，而且何种也比较大，制作不便，因而此方案难以实现。

方案二：

LM7805三端稳压电源

单片机控制系统以及外围芯片供电采用LM7805三端稳压器件，通过桥式整流，然后进行滤波稳压。

可提供5V直流给单片机，如下图7所示。

图7电源电路

3.7定时方案选择

方案一：

采用实时时钟芯片

针对计算机系统对实时时钟功能的普遍需求，各大芯片生产厂家陆续推出了一系列的实时时钟集成电路，如DS1287、DS12887、DS1302等。

这些实时时钟芯片具备年、月、日、时、分、秒计时功能和多点定时功能，计时数据的更新每秒自动进行一次，不需程序干预。

计算机可通过中断或查询方式读取计时数据并进行显示，因此计时功能的实现无需占用CPU的时间，程序简单。

此外，实时时钟芯片多数带有锂电池做后备电源，具备永不停止的计时功能；具有可编程方波输出功能，可用做实时测控系统的采样信号等；有的实时时钟芯片内部还带有非易失性RAM，可用事业存放需长期保存但有时也需变更的数据。

由于功能完善，精度高，软件程序设计相对简单，且计时不占用CPU时间，因此，在工业实时测控系统中多采用这一类专用芯片来实现实时时钟功能。

但是实时时钟芯片对硬件要求较高，成本相对而言比较高，所以不采