基于单片机的语音控制开关设计毕业论文.doc

基于单片机的语音控制开关设计毕业论文.doc

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题目基于单片机的语音控制开关设计

学生姓名朱楠学号1113024050

所在学院物理与电信工程学院

专业班级通信工程专业1102班

指导教师郑争兵

完成地点物理与电信工程学院实验室

2015年6月03日

毕业论文﹙设计﹚任务书

院（系）物理与电信工程学院专业班级通信1102学生姓名朱楠

一、毕业论文﹙设计﹚题目基于单片机的语音控制开关设计

二、毕业论文﹙设计﹚工作自_2015_年_1__月_10_日起至_2015__年6月_10日止

三、毕业论文﹙设计﹚进行地点:

物理与电信工程学院实验室

四、毕业论文﹙设计﹚的内容要求：

智能家居作为一个新生产业，目前处于一个导入期与成长期的临界点，随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明。

本课题设计语音智能控制开关，具体要求如下：

1.掌握语音识别的工作原理，使用语音识别芯片完成硬件设计；

2．能实现语音控制开关的开启和关闭；

3.系统集成，焊接电路板，调试。

成果形式：

实验样机一套。

毕业设计进度安排:

1.10─3.20：

查阅资料（参考文献不少于10篇），进行方案论证，完成开题报告。

完成不少于3000字的外文翻译；

3.20─4.30：

设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试；　　

5.1─5.20：

完善系统调试，撰写论文，准备毕业设计验收等工作；

5.21-6.10：

整理资料，修改论文，准备毕业答辩。

指导教师系（教研室）通信教研室

系（教研室）主任签名批准日期

接受论文（设计）任务开始执行日期学生签名

基于单片机的语音智能开关设计

朱楠

（陕西理工学院物理与电信工程学院通信1102班，陕西汉中723003）

指导教师：

郑争兵

[摘要]语音识别是解决机器“听懂”人类语言的一项技术。

随着语音识别理论研究的深入和数字信号处理软、硬件技术的发展，语音识别技术应用的研究越来越受到人们的关注。

智能语音家电控制系统实质上就是一个替代传统手动开关的受声控制的电子开关。

此系统以STC11L08XE和LD3320语音芯片为硬件核心,对语音芯片LD3320的信息进行处理，并对开关进行控制，通过LD3320外界的麦克风采集声音信号，再通过LD3320语音芯片进行频谱分析，在提取语音特征，之后和关键词语列表中的关键词进行对比匹配，最后找出得分最高的关键词作为识别结果输出给单片机，单片机进行处理后，再输出信号来控制继电器，再通过继电器来控制开关工作，开关又可实现对电器的控制。

语音芯片的功能都是通过单片机控制实现的。

最终实现对智能语音开关的控制

[关键词]STC11L08XE单片机语音芯片LD3320语音识别

Designof intelligentvoice switch basedonMCU

Zhunan

（Grade11,Class2,MajorofCommunicationEngineering，SchoolofPhysicsand

telecommunicationEngineeringofShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723003,China）

Tutor:

ZhengZhengbing

Abstract：

Speechrecognitionisatechnologytosolvethemachinetounderstandhumanlanguage.Alongwiththeresearchofspeechrecognitiontheoryandthedevelopmentofdigitalsignalprocessingsoftwareandhardwaretechnology,Theresearchontheapplicationofspeechrecognitiontechnologyisgettingmoreandmoreattention.Theintelligentspeechappliancecontrolsystemisessentiallyanelectronicswitchwhichreplacesthetraditionalacousticcontrolwiththemanualswitch.ThissystemLD3320voicechipandthestc11l08xeashardwarecoreandthevoicechipld3320informationforprocessing,andcontroltheswitch,throughld3320externalmicrophoneaudiosignalacquisition,andthenthroughtheld3320voicechipspectrumanalysis,keywordsinspeechfeatureextraction,andthelistofkeywordscontrastmatching,finallytofindthehighestscoreofthewordsasrecognitionresultsoutputtotheMCU,MCUprocessing,thentheoutputsignaltocontroltherelay,thenthroughtherelaytocontroloftheswitch,theswitchcanbetoachievecontroloftheelectricappliances.ThefunctionofthespeechchipisrealizedbytheMCUcontrol.Controloftheintelligentspeechswitchisrealizedfinally.

Keywords:

STC11L08XEMCULD3320voicechipSpeechrecognition

I

目录

1绪论 1

1.1选题的目的及研究意义 1

1.2选题的发展现状和趋势 1

1.4设计的目的和任务 3

2系统方案选择和论证 4

2.1设计要求 4

2.2方案选择和论证 4

2.3最佳主体方案 5

3硬件设计及实现 6

3.1单片机电路设计 6

3.2语音控制部分 8

3.3复位电路 11

3.4时钟电路 12

3.5继电器电路概述 13

3.6电路连接总图 14

4软件设计 15

4.1LD3320的软件编程 15

4.2寄存器的操作 16

4.3寄存器功能简介 18

4.4芯片关键字的设置 19

4.5语音开关源程序 19

4.6stc单片机PC端下载 21

5实物的制作和调试 22

5.1PCB板制图步骤 22

5.2硬件电路板的制作 22

5.3系统调试 23

总结 24

致谢 25

参考文献 26

附录A外文翻译 27

附录C源程序 41

附录D元器件清单 54

附录E实物图 55

III

陕西理工学院毕业设计

1绪论

1.1选题的目的及研究意义

智能家居作为一项新开发的项目，目前处于一个导入期与成长期的临界点，目前智能家居市场已逐步形成，培养起消费者的消费习惯，智能家居市场有着不可估量的产业前景，所以，国内外很逗企业已经把市场转向智能家居这个方向，特别是对企业发展环境和客户需求趋势的深入研究，一大批优秀的智能家居品牌迅速崛起，逐渐成为智能家居中的翘楚，在日常家居生活中，为了使我们对家庭的控制系统能随时掌控，需要的信息随时获取，操作的终端形式非常重要，多种形式的操作终端是必不可少的。

语音智能家居控制是智能家居中很重要的部课题主要研究内容。

机器进行语音交流，让机器明白人类语言，从而可以通过语音控制机器，是人类一直研究的课题。

语音识别就如同机器的听觉系统。

语音识别就是让机器通过语音识别和理解从而把语音信号转变为相应的文字或命令的高技术。

近二十年来，语音识别技术取得革命性的进步，开始走进我们生活的方方面面。

人们预计，未来10年内，语音识别技术将进入工业、家电、通信、汽车电子、医疗、家庭服务、消费电子产品等各个领域。

语音识别听写机在一些领域的应用被美国新闻界评为1997年计算机发展十件大事之一。

很多专家都认为语音识别技术是2000年至2020年间信息技术领域十大重要的科技发展之一。

语音识别的大概过程依据在实际中的不同作用，语音识别系统可以分为：

特定人与非特定人的识别、独立词与连续词的识别、小词汇量与大词汇量以及无限词汇量的识别。

但是任何一个语音识别系统，它的理论基础和处理步骤都基本一致。

语音识别过程主要包括语音信号的预处理、特征提取、模式匹配几个部分。

预处理包括预滤波、采样和量化、加窗、端点检测、预加重等过程。

语音信号识别必不可缺的一步就是特征参数提取。

提取的特征参数需要达到以下要求：

（1）提取的特征参数可以很好的表现出它自身的特征，比较容易区分；

（2）各阶参数之间有都有各自良好的区分特征；

特征参数要计算方便，使用效率高的算法，是语音有所保证。

在训练的时候，将特征参数进行稍微的加工后，为每种词条录入一个特征模型，保存为模板库。

在识别阶段，语音信号经过同一个通道得到语音特征参数，得到测试模板，与参考模板进行匹配，将匹配分数最高的参考模板作为语音输出的结果。

同时，还可以在很多先验知识的帮助下，提高识别的准确率。

（1）语音特征提取：

是为了从语音波形中得到随时间变化的语音特征序列；

（2）声学模型与模式匹配（识别算法）：

声学模型一般情况下将获得的语音特征通过学习算法获取。

在识别时通过对输入的语音特征同声学模式的匹配比较，得到最准确的识别结果；

（3）语言模型与语言处理：

语言模型涵盖了由语音识别指令组成的语法网络或由统计方法组成的语言模型，语言处理可以完成语法、语义分析，对小词表语音识别系统，通常语言处理部分可以省略。

声学模型作为语音识别系统的底层模型，并且是语音识别系统中最不可或缺的一部分。

声学模型是为了是提供一种快捷的办法计算语言的特征矢量序列与每个发音模板之间的距离。

声学模板的设计和语言发音特点密切相关，声学模型单元大小（字发音模型、半音节模型、因素模型）对语音训练数据量的多少、系统识别率，包括灵活性都会产生很大的作用。

必须依据不同的语言特征、识别系统词汇量的大小决定识别单元的大小。

语言模型中对中、大词汇量的语言识别系统相当重要。

当分类有错误时就能依据语言模型、语法结构、语义学进行纠错，尤其是一些同音字必须经过全文结构才可以肯定词义，语言学理论涵盖语义结构、语法结构、语言的数学模型等全方位。

现在相对成功的语言模型一般使用统计语法的语言模型和基于规则法结构命令语言模型。

语法结构可以限定不同词之间的相互连接关系，减少识别系统的搜索空间。

这有利于提高系统识别。

1.2选题的发展现状和趋势

1952年贝尔研究所Davis等人研发出了全球上第一个可以识别10个英文字母发音的实验系统。

1960年英国的Denes等人研发出了人类第一个计算机语音识别系统。

大量的的语音识别研究是进入了70年代后，小词汇量、孤立词的识别方面取得了很大的突破展。

到了80年代以后，研究的方向开始向大词汇量转变。

非特定人连续语音识别，在研究方法上也产生了翻天覆地的变化，也就是说传统的基于标准模板匹配的技术思路转变成基于统计模板（HMM）的技术方法。

此外，再次提出了将神经网络技术引入语音识别问题的技术方法。

进入90年代，语音识别的系统框架方向发展缓慢处于低谷。

不过，语音识别技术的应用及产品化发展很是迅速。

DARPA（DefenseAdvancedResearchProjectsAgency）这一个10年计划是由由美国国防远景研究计划局资助的，它的重要意义是鼓励语言理解系统的研发；到了80年代，美国国防部远景研究计划局又一次出资赞助一项为期10年的DARPA的项目，它涵盖了噪声下的语音识别和会话（口语）识别系统，识别任务设定为“（1000单词）连续语音数据库管理”；到了90年代，这一DARPA计划仍然在持续进行中。

其研究重点已转向识别装置中的自然语言处理部分，识别任务设定为“航空旅行信息检索”。

从此中国进入了一个前所未有的发展阶段。

语音作为人机对话的最高手段，使人机对话向人----”人”对话的终端目标发展，它在形式是人机对话的一个新突破，语音的对话方式可使人机界面从数字领域进入语音领域。

不过，与真正意义上的完全语音模糊参数的人机对话模式的实现还差很多，这中间还有重大的技术领域需要突破，不过，可以肯定的是伴随着语音识别，语音合成，信息综合，网络通信等许多技术的攻克和发展，人类这一梦寐以求的梦想的一定会在不远的将来实现，它的前景是一片光明璀璨和无限美妙，目前，主流的大词汇量语音识别系统采用统计识别技术。

典型的基于在计模式识别方法的语音识别系统由以下几个基本模块所构成：

（1）信号处理及特征提取模块。

这个人模块的作用是是从输入信号中提取特征，提供给声学模型进行分析。

而且，这个模块通常涵盖一些信号处理技术，用来降低降低环境噪声、环境、录音者等外界因素对特征形成的干扰。

（2）统计声学模型。

典型系统多采用基于一阶隐马尔科夫模型进行建模。

（3）发音词典。

发音词典涵盖了系统所能分析的词汇集及它们的发音。

发音词典在本质上为声学建模单元与语言模型建模单元间提供了映射。

（4）语言模型。

语音模型针对系统所针对的语言进行建模，理论上，包括正则语言，和全文无关文包括在里面的的全部模型都能做成为语言模型，不过现在各种系统普遍采用的还是基于统计的N元文法及其变体。

（5）解码器。

语音识别系统的核心就是解码器，它的作用是是对输入的信号，根据声学，语言模型和词典找出可以以最大几率输出这个信号的词串。

1.3选题的应用领域

（1）电话通信的语音拨号。

特别是中高档电话上，现已普遍的具有语言拨号功能，随着语音芯片的价格降低，普通电话也将具备语音拨号的功能。

（2）汽车的语音控制，由于汽车在行驶过程中，驾驶员必须要用手安全驾驶，因此如果在汽车上需要使用手机，就一定要使用有语音拨号功能的免提语音通信方式。

而且，对汽车的卫星导航定位系统的操作、以及车内其他功能的操作同样使用语音实现控制。

（3）工业控制及医疗领域。

操作人员在忙的时候，还有其他情况同样需要处理时，比较好的犯法就是增加一个人与机器的语言交互界面，操作人员通过语音对机器发出操作命令，机器可以使用语音做出回应。

（4）个人数字助理。

个人数字助理的语音交互界面，，PDA的体积非常小，人机界面始终是它应用和技术的困难之一，因为PDA上使用键盘是特别麻烦的，因此，现在通常使用手写体识别的办法录入和搜索信息。

不过，用户依然感觉这些办法很麻烦。

目前业界普遍认为，PDA的最佳人机交换界面是通过语音作为传输媒介的交互放方法，并且已有很少量使用。

面对语音识别技术的高速发展，可以预见，在不远的未来来语音会成为PDA不可缺少的人机交互界面。

（5）智能玩具。

我们可以使用语音识别技术和智能娃娃交流，也能使用语音对玩具发出指令，让它去做一点可行的任务，也能生产出可以带有语音锁功能的电子看门狗，智能玩具有不可估量的市场价值，它的关键之处就是要减少语音芯片的价格。

（6）家电遥控。

我们可以用语音控制家里的电视机、VCD、空调、电扇、窗帘，我们仅仅使用一个语音遥控器就能控制把家中所有的的电器，这样，就能让让琳琅满目的电器的控制变的非常容易了。

1.4设计的目的和任务

1.4.1设计目的：

（1）掌握语音识别的工作原理，使用语音识别芯片完成硬件设计；

（2）能实现语音控制开关的开启和关闭；

（3）系统集成，焊接电路板，调试。

1.4.2设计任务：

（1）具有语音控制功能；

（2）完成接口电路的设计，完成控制程序的编写；

（3）设计硬件电路，编写相关软件、完成电路仿真及样机调试。

2系统方案选择和论证

2.1设计要求

智能家居作为一个新生产业，目前处于一个导入期与成长期的临界点，随着智能家居市场推广普及的进一步落实，培育起消费者的使用习惯，智能家居市场的消费潜力必然是巨大的，产业前景光明，因此设计一种语音智能开关灯，要求具有语音控制模块和单片机控制系统，可以实现语音控制，方便了人们的生活，实现了智能家居。

2.2方案选择和论证

整个智能开关系统电路可分为六大部分：

STC11L08XE单片机、电源、语音识别系统、复位电路、时钟电路组成。

下图是一个构件图，它可以用来说明本系统的体系结构。

图2.1整体系统框图

2.2.1主控芯片的选择说明

现在市面上单片机的种类比较多，每种单片机都有自己的优缺点，STC系列单片机是由深圳宏晶科技公司研发的增强型内核单片机，相对于传统的8051内核单片机，在片内资源、性能以及工作速度上都有很大的改善，尤其采用了基于Flash的在线系统（ISP）技术，而且，STC11L08XE可在系统编程，不需要专用的编程器，也不需要专用的仿真，使得单片的应用系统开发变得简单。

还可以选择使用内部RC振荡电路还是外部晶振电路时钟。

掉地模式可由内部掉电唤醒也可用定时器唤醒，也可由外部中断断口中断唤醒，因为INT/RXT支持下降沿中断，所以它也支持远程通信唤醒。

2.2.2语音芯片的选择

LD3320是一颗由ICRouat公司生产的基于非特定人语音识别（SI-ASR，SpeakerIndependentAutomaticSpeechRecognition）技术的语音识别/声控芯片。

该芯片集成了语音处理器和一些外部电路，包括AD、DA转换、麦克风接口、声音输出接口等，LD3320芯片是一款“语音识别”专用芯片。

它内置有非特定语音识别的DSP算法，支持动态添加50条识别指令，该芯片注重节能和高效因此无需外挂其他辅助器件，单一芯片即可完成语音识别。

它只需要一个MCU与其并行链接，写入识别短语，就可以对其进行语音控制。

并且关键词列表是可以任意编辑的

所谓的非特定语音输入指的就是针对不同音色音调的的人，不需要对其进行语音训练，即使不同年龄不同性别的人，只要说出同一个设定的词语，它都可以识别。

识别准确率高达95%。

2.2.3继电器模块的选择说明

继电器是我们生活中常用的一种控制设备，通俗的意义上来说就是开关，在特定的条件下打开或者关闭。

继电器的开关特性在很多的控制系统特别是在离散的控制系统中得到非常广泛的使用。

从其他方面来说，因为一些其他用途设计使用的电子电路，最后多少都可能会和其他机械设备相交互，因此继