语音型家用电器控制系统设计.docx

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语音型家用电器控制系统设计

毕业论文（设计）

论文题目：

语音型家用电器控制系统设计

学生姓名：

付晓蕾

学号：

1008020206

所在院系：

电气信息工程学院

专业名称：

自动化

届次：

2014届

指导教师：

苗磊

淮南师范学院本科毕业论文（设计）

诚信承诺书

1.本人郑重承诺：

所呈交的毕业论文（设计），题目《语音型家用电器控制系统设计》是本人在指导教师指导下独立完成的，没有弄虚作假，没有抄袭、剽窃别人的内容；

2.毕业论文（设计）所使用的相关资料、数据、观点等均真实可靠，文中所有引用的他人观点、材料、数据、图表均已注释说明来源；

3.毕业论文（设计）中无抄袭、剽窃或不正当引用他人学术观点、思想和学术成果，伪造、篡改数据的情况；

4.本人已被告知并清楚：

学院对毕业论文（设计）中的抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为将严肃处理，并可能导致毕业论文（设计）成绩不合格，无法正常毕业、取消学士学位资格或注销并追回已发放的毕业证书、学士学位证书等严重后果；

5.若在省教育厅、学院组织的毕业论文（设计）检查、评比中，被发现有抄袭、剽窃、弄虚作假等违反学术规范的行为，本人愿意接受学院按有关规定给予的处理，并承担相应责任。

学生（签名）：

日期：

年月日

语音型家用电器控制系统设计

学生：

付晓蕾（指导老师：

苗磊）

（淮南师范学院电气信息工程学院）

摘要:

语音型家用电器控制系统，是以IAP15F2K61S2为主要平台，设计的一款可以通过按键或语音实现对家用电器控制的装置。

语音控制通过语音模块LD3320采集语音信号，将语音信号传送给主控芯片，主控芯片作出判断后作出相应的输出，控制对应的继电器，同时主控芯片驱动液晶，通过液晶1602显示各端口的输出的状态，电磁继电器的状态也可通过按键改变，电源使用输出为220V的开关电源，串口用引脚引出[1]。

该作品具有成本低廉、操作方便、响应速度快等特色，具有一定的实用价值和潜在的市场前景。

关键词:

语音识别；家电语音控制；语音确认

Voicetypehomeappliancescontrolsystemdesign

Student:

FuxiaoLei（GuidanceTeacher：

MiaoLei）

（CollegeofElectricalandInformationEngineering,HuainanNormalUniversity）

Abstract:

Speechhomeappliancescontrolsystem,isaIAP15F2K61S2asthemainplatform,designofacanbeachievedbybuttonsorvoiceforhomeappliancescontroldevice.VoicecontrolbyvoicemoduleLD3320acquisitionspeechsignal,thevoicesignaltransmittedtothemaincontrolchip,themaincontrolchipafterthejudgemakecorrespondingoutput,correspondingrelaycontrol,mastercontrolchipdriveLCDatthesametime,throughtheliquidcrystaldisplay1602portoftheoutputofthestate,thestateoftheelectromagneticrelaycanalsobethroughthekeychange,powersupplywitha220voutputswitchingpowersupply,leadtoaserialportwithpin[1].Theworkshaslowcost,easyoperation,fastresponsespeedandothercharacteristics,hascertainpracticalvalueandpotentialmarketprospect.

Keywords:

Speechrecognition;homeappliancevoicecontrol;speechrecognition

前言

据了解，在20世纪90年代中期之后，自动控制行业逐渐成熟，作为一个庞大而独立的行业，其发展受到了多重动力的驱动：

一部分原因是市场驱动，应用市场需求的增长,市场继续扩大,以便智能自动控制在农业、工业、军事等领域已经覆盖了几乎所有的应用程序应用市场,除此之外还有是技术驱动，随着智能等相关技术蓬勃快速发展，智能自动控制行业已经在高端技术行业中得到了飞速发展。

智能自动控制产品在中国和其他发展中国家,现阶段市场虽小,在试探性的初始阶段,但增长速度相对较快,有巨大的市场发展空间。

虽然现在的市场上存在大量的智能装置，但真正意义上的人机智能却为数不多，由于成本高，技术难等特点，真正走进普通百姓生活中的智能装置也是少之又少的[2]。

这些年来，随着市场经济发展不断的完善，以及城市规划水平不断提高，人民生活水平也在不断的提高，家用电器也从原来的几样简单的电风扇、电灯到现在各式各样的电气自动化装置。

也正是因为现在各种家用电器的普及，也使家庭用电线路越来越复杂，这也给美好的生活时而带来一些不便利之处。

因此，人们迫切地希望有高技术，高水平的装置来解决这些问题，语音型家用电器控制器就应运而生了。

我们都知道,语音在全世界、全人类、全社会中，有着不可动摇的地位，十分重要。

在近代和现代信息社会中,在日常生活的各个方面和国家地区,甚至社会舆论,《世界新闻报》以及各种重要会议,都依赖于语言、文本信息、近年来,家庭中已经普及了电话、移动电话和互联网。

在各种高端技术产品中，语音编码和智能语音合成、语音信号处理控制,充分发挥巨大的作用。

另外,我们预想的口呼打字机、语音翻译机,已经不是梦想而是正在进行中的研究工作了。

人类早就发明机器能被语音指挥和控制,机器的执行情况也能用语音来操控[3]。

这些情况在许多领域已经部分地逐步实现了。

据调查了解，计算机芯片的运算能力以及集成度,每一年多就提高一倍,并且它的成本又在不断降低,正因为这样,在人们的社会生产和生活的各个方面，它已经得到了广泛地应用。

然而,相比于主机,它接收信息的外部设备。

既能说话又能听懂人类语言的计算机暂时还不能普遍使用。

换句话说，语音识别、语音合成技术和其他议题，如问题的理论问题没有解决，需要更多的努力来继续发展。

LD3320芯片是一个“语音识别”高端ASIC技术。

该芯片由语音识别处理器和一些外部电路集成，其中就包括语音插孔、音频输出接口、AD\DA转换器[7]。

该芯片不需要任何其他外部辅助芯片（例如：

闪存）等，是直接集成在可实施的语音识别/声音/交互功能的现有产品。

1整体设计方案概述

1.1整体设计方案

针对作品的要求，我们选用IAP15F2K61S2为主控芯片，通过语音模块LD3320采集语音信号，主控芯片的信号是由语音系统传送过来的，主控芯片作出判断后作出相应的输出，控制对应的继电器，同时主控芯片驱动液晶，通过液晶1602显示各端口的输出的状态，电磁继电器的状态也可通过按键改变，电源使用输出为220V的开关电源，串口用引脚引出，可自行改变指令，方便日常的。

工作流程如图1所示。

图1工作流程图

1.2硬件电路整体设计

电路板的设计采用最大化集成的方式，控制系统的体积可以很大程度上被减少，节省室内空间。

同时也减少了语音控制在调试过程中各个电路之间连线的繁琐。

这样做也能最大化的减少整体系统在导线上的功耗[4]。

为系统提供了稳定性的保障。

模块化的设计和电路板的最大集成方式，能够在某块电路板上出现问题时快速而及时的维修或替代，在最大程度上让语音控制系统适应不同环境的操作[19]。

本设计中把硬件的电路各功能模块进行独立设计电路板，如语音芯片LD3320A、LCD1602、继电器、电源管理电路等，这是为了便于调试、安装，与此同时，单独做板还可以便于电路板的更换。

整体硬件电路图，如图2所示。

图2整体硬件电路图

该作品中主要由主控芯片IAP15F2K61S2；语音芯片LD3320A；LCD1602；继电器组成，其中主控芯片IAP15F2K61S2负责判断是否收到信号，并作出相应的响应；语音芯片LD3320A负责接收语音信号；LCD1602显示器负责显示对应输出的状态[5]；我们用三个继电器分别代表电灯、水壶和电风扇,同时用红、黄、绿三种颜色的LED小灯的亮否分别对应三种继电器的闭合与断开，例如当输入语音信号“开灯”时，对应电灯的继电器闭合，同时代表电灯的红色小灯会亮。

2语音控制系统的硬件设计及软件调试

2.1主控模块

该作品的核心处理器是使用IAP15F2K61S2单片机，IAP15F2K61S2单片机一个芯片是一款单片机，它不需要任何外部晶振，不需要外部复位，低功耗、市场价格低，可在线编程，无需其他仿真器。

外围电路简单方便的功能得到大家一致好评。

IAP15F2K61S2单片机如图3所示。

STC15单片机的功能模块

（1）40针脚STC15系列单片机控制器芯片插座。

（2）与8个8位8段常见的阳极LED显示模块输出和LCD1602接口。

（3）电源USB和外接8-12V直流电源的双电源供电[18]。

（4）USB板载功能串行通信功能，能够完成与PC单片机的串行通信。

单总线扩展，可以添加其他的单总线接口设备。

I2C总线，I2C总线可以做实验。

（5）下载板载USB，串口下载，无需额外的编程;可以支持串口下载。

图3IAP15F2K61S2单片机

STC15IAP15F2K61S2系列芯片功能特色

（1）STC15IAP15F2K61S2系列芯片在系统和应用程序中可以进行编程，不需要一个程序员，不需要模拟器[6]。

具有很好的操作性，它可以被用来当模拟器。

（2）增强型8051CPU，单时钟周期/机器，1个T，功能强大，比普通8051快8〜12倍。

（3）61千字节的片上闪存程序存储器芯片，擦拭次数超过100000次。

（4）在芯片EEPROM中的大容量块，擦拭人数超过100000次。

（5）8通道10高速ADC的输出,可以实现每秒300000次的速度,三路PWM也可以作为一个3通道D/A转换器[17]。

（6）配备了高精度的时钟芯片,从5MHz到35MHz是可选的,8051的60MHz相当于420MHz。

（7）有两组可用于同一时间的高速异步串行通讯口，可在5组引脚和分时复用之间切换时5设置一个串行端口都可以使用。

（8）各种接口扩展完成。

（9）一种高品质的USB线实现供电系统，程序下载，通讯功能。

2.2语音模块

LD3320芯片是一个“语音识别”高端ASIC技术。

该芯片由语音识别处理器和一些外部电路集成，其中就包括语音插孔、音频输出接口、AD\DA转换器[7]。

该芯片不需要任何其他外部辅助芯片（例如：

闪存）等，是直接集成在可实施的语音识别/声音/交互功能的现有产品。

这种芯片可以通过合成技术直接集成在现有的产品上，就以实现语音识别/音响控制，人机对话功能，而不需要外部的任何其他辅助芯片。

芯片引脚如图4所示，语音模块电路如图5所示。

图4LD3320芯片引脚

图5LD3320A语音模块电路

2.3电源模块

电源使用输出为5V的小功率开关电源，相对于其他线性电源，开关电源没有采用笨重的工频变压器[16]。

由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。

由于这两方面原因，使开关电源的体积小，重量轻,该装置的设计采用USB接口供电，并设置5V为供电电压[8]。

本设计中电源模块的工作原理是将220V交流电整成300V左右直流电（220*1.414），前级LC对电流滤波，得到相对稳定的高电压直流电，通过稳压管、电容、电阻和三极管组成的自激振荡产生PWM驱动信号,由对PWM波的占空比的调节可达到对直流电压的调节得原理，通过高频变压器隔离输出，再在后级通过肖特基二极管整流和滤波得到比较稳定的直流电，为负载供电[9]。

其电路原理如图6所示。

图6供电电路

2.4液晶显示模块

本装置使用LCD1602为显示模块，LCD1602的工作电压为3.3V或5V，非常稳定，背光的对比度可调,包括复位电路,提供了各种控制命令。

字符点阵液晶模块1602功能引脚加上数据引脚一共有11个[15]。

因此，要占用两个I/O端口。

液晶模块的功能引脚使用DC3插座通过FC3排线与ATmega16单片机的一个I/O端口连接，液晶模块的8位数据引脚也使用DC3插座通过FC3排线与ATmega16单片机的另一个I/O端口连接[10]。

具体的引脚定义如图7所示。

图7LCD1602的引脚

2.5继电器模块

电枢线圈是通常的电磁继电器的核心，而接触弹簧的其它部件。

与流过恒定电流，以产生电磁效应的线圈的电压的线圈的两端，衔铁复位弹簧将克服张力的电磁吸引力吸引到芯，从而带动衔铁点的可动接点和静触点（常开触点）吸合[13]。

当线圈通电时，电磁吸力也随之消失，根据反应的原理，衔铁会与原来的静触点（常闭触点）的可动接触，返回到弹簧原来的位置，并且不断地拉和释放，即时导通和断开电路。

按照继电器线圈不通电时的断开状态静触点，就可以区分继电器的“常开，常闭”触点，若断开为“常开触点”，否则是“常闭触点”[11]。

继电器是一种自动开关元件，具有隔离功能，将电磁继电器与三极管搭配使用可以通过低电压控制高电压。

十分的方便，具体电路图如图8所示。

图8继电器电路

由于继电器的自动开关元件隔离，具有控制功能，目前于在遥感，通信，远程控制，自动控制，机电一体化等多领域已经得到了广泛应用。

继电器一般情况下不仅有反映了电流、电压、功率、阻抗、频率、温度感应系统继电器的输入变量一般（输入）；还有能实现控制电路的执行机构（输出部分）；继电器是根据输入信号和实现不同的控制，传送电器系统的信号。

继电器的作用：

（1）扩大控制范围。

例如，当继电器控制信号会在某一时刻达到一定值的时候，能够同时开断、接通、换接多路电路；

（2）具有放大功能。

例如，许多大功率的电路都是靠灵敏型、中间型等继电器很小的控制量，来改变其功率大小[14]；

（3）信号综合。

例如,多绕组继电器有多个输入控制信号之后，会更综合,达到预期的控制效果；

（4）自动，远程控制和监测,例如，继电器等电气设备时，程序控制电路可组成，以便实现自动操作。

2.6调试方法

采用USB转TTL，或者串口转MAX232等的TTL电平连接到测试底板的串口处，注意TXD和RXD之间的交叉连接，打开串口调试工具（如串口调试助手

），选择正确COM口和波特率（9600bps）然后选择字符显示方式,打开串口。

接着给测试版上电一次，串口调试软件将会打印输出一段文本，即待识别的命令。

接下来我们就可以发命令了，这是口令模式，我们要先说出一级口令“小杰”后等待板上灯点亮说明已经应答了，那么就可以再说其他的命令如“开灯”、“关灯”等的二级口令，识别成功后将在软件的接收框显示相关命令已经识别成功[12]。

2.7本章总结

本章节根据具体设计要求提出整体设计方案，将系统模块化分析处理，化繁为简，简单地介绍了系统各个模块的设计方案。

为语音控制系统的设计提供清晰的设计思路。

3系统流程图及实物演示

3.1系统程序流程图

（1）系统程序流程图如图9所示。

图9系统程序流程图

（2）流程说明

我们首先给装置通电，通电之后该装置的电源指示灯就会亮。

LCD1602液晶显示屏能够反映该装置接通电源后对应输出的工作状态，当我们语音输入一级指令时，蓝色的一级指令指示灯会亮，此时可通过相应的语音信号进行控制[13]。

这三个按键能够手动控制装置的输出动作，和语音可完成相同操作。

装置上还有代替家电装置的三个指示灯，黄灯代表水壶，绿灯代表电风扇，红灯代表家用电灯。

这三个指示灯对应于继电器的三个端口的输出，例如，当我们输入一级指令时（一级指令指示灯亮），输出二级指令“水壶”，该装置上的黄灯就会亮，及表示对应继电器的端口已经接通电源。

3.2外观图与内部电路图

外观图如图10所示。

图10外部图

内部电路图如图11所示。

图11内部电路图

3.3实验操作

插上电源插头，打开该装置电源开关，装置上的电源指示灯与LCD1602液晶显示屏会亮；如实验操作图1所示。

实验操作图1

（1）按键控制

手动控制装置上的按键，例如按下控制电风扇的按键，现象是代表电风扇的指示灯亮，显示屏显示“ON”，同理若是按下控制电灯的按键，显示屏显示“ON”，现象是代表电灯的指示灯亮，水壶也是如此，如实验操作图2所示。

实验操作图2

（2）语音控制

语音输入一级指令“小杰”（一级指令指示灯亮，该装置能正常工作），现象

如实验操作图3所示。

实验操作图3

然后输入二级指令，例如：

“开灯”，显示屏显示“ON”,继电器中对应于家用电灯的端口输出电流，能听到继电器开关闭合的声音，该装置上的红灯就会亮起来，同理，若是说“开电风扇”显示屏显示“ON”，继电器中对应于家用电风扇的端口输出电流，该装置上代表电风扇的的灯就会亮起来，显示屏显示“ON”，水壶也是如此，如实验操作图4所示。

实验操作图4

（3）按键—语音控制

手动直接按下代表各家电装置的相应按键，现象是一级指示灯和相应的家电指示绿灯亮，显示屏显示“ON”例如按下代表电风扇的按键，如实验操作图5所示。

再语音输入“关电风扇”，现象是一级指示灯和相应的家电指示绿灯熄灭，显示屏显示“OFF”，如实验操作图6所示。

实验操作图5

实验操作图6

测试过程顺利，现象和预期设计一样。

总结

我此次的毕业设计中，我强烈感觉到了理论和实际相结合是多么的重要。

在设计的过程中，一定要特别细心，在程序编写时，一个小小的错误就有可能使程序无法运行。

在绘制硬件电路图时亦是如此，在选择器件时，我们得熟悉各个器件的特点和工作原理，在连线时还必须注意不要短路和断路。

总之在每一个环节都要特点小心，防止出错。

在设计过程中，我通过查找相关资料，对多种芯片的工作原理和引脚功能都有了一定的了解，并且选择了最合适的功能方案。

在这次设计中，只是按照了最基本的要求完成了设计，功能还不够多，设计还不够完美，以后还要继续改进。

本作品利用IAP15F2K61S2为主要平台，以电源模块、语音模块、液晶显示模块、输出模块为外围电路，设计了一款可以通过语音实现对家用电器的控制的装置，通过调试，各个模块工作性能均正常，整个系统运行良好,该作品使用方法简单,功能实用，使用时直接接上220V交流电后打开开关即进入运行状态，使用时，先说出一级指令，相当于叫这个装置的名字，装置收到一级指令后会作出响应，相应的指示灯会亮起来，然后说出二级指令，即操作指令。

比如说：

“开灯”。

灯就会为你打开，操作非常方便。

该作品具有成本低廉、操作方便、响应速度快等特色，经过多次试验验证，功能参数正确，能够解决生活中的家用电器控制不便的问题，具有一定的实用价值和潜在的市场前景。

系统参数均达到作品设计要求。

至此，本课题基于家用语音控制的设计已基本完成设计目标。

参考文献：

[1]张洪润.传感器相关技术大全[M].北京航空航天大学出版社.2007.

[2]隆礼湘.继电器逻辑线路的图解设计[M].机械工业出版社.2007.

[3]张培仁.传感器原理检测及应用[M].清华大学出版社.2012.

[4]成谢锋,周井泉.电路与模拟电子技术基础[M].科学出版社2012.1.

[5]杭州市邮政科研室三组编.继电器电路基础知识[M].人民邮电出版社1978.12.

[6]王学屯.学习模电三部曲之电路测试与组装技术[M].电子工业出版社.2012.

[7]刘刚,侯宾,吕玉琴.电路分析与电子电路基础[M].高等教育出版社.2011.

[8]冯娟,曾立华.单片机开发与应用[M].2008.

[9]张雄伟.语音信号处理及BlackfinDSP实现[M].电子工业出版社.2011.10.

[10]金发庆.传感器技术及其工程应用[M].机械工业出版社.2010.

[11]张海涛.嵌入式控制系统的设计[M].科学出版社.2012.

[12]康华光.电子技术模拟部分（第五版）[M].高等教育出版社.2006.

[13]陈益飞.单片机原理及应用技术[M].国防工业出版社.2011.

[14]张义和.电路图设计[M].科学出版社.2013.

[15]陈抗生.电路分析与电子线路基础[M].高等教育出版社.2012.

[16]吴黎明.语音信号及单片机处理[M].科学出版社.2007.

[17]马忠梅.单片机的C语言应用程序设计[M].北京航空航天大学出版社.1997.

[18]胡寿松.自动控制原理[M].科学出版社.2007.

[19]李全利.单片机原理及应用[M].高等教育出版社.2012.

附录1

所需器材表格1所示：

表1所需器材

主控芯片IAP15F2K61S2

语音芯片LD3320

按键

松乐继电器5VT73SRD-05VDC-SL-C5脚

1602液晶显示屏

输出为5V的开关电源

附录2

部分程序：

uint8LD_AsrAddFixed（）

{

uint8k,flag;

uint8nAsrAddLength;

#defineDATE_A8/*数组二维数值*/

#defineDATE_B20/*数组一维数值*/

uint8codesRecog[DATE_A][DATE_B]={

"xiaojie",\

"kaifabanyanzheng",\

"daimaceshi",\

"kaideng",\

"guandeng",\

"beijing",\"shanghai",\"guangzhou"

};/*添加关键词，用户修改*/

uint8codepCode[DATE_A]={

CODE_CMD,\

CODE_KFBYZ,\

CODE_DMCS,\

CODE_KD,\

CODE_GD,\

CODE_BJ,\

CODE_SH,\

CODE_GZ

};/*添加识别码，用户修改*/

flag=1;

for（k=0;k